La protección de circuitos nunca será el final del desarrollo de la electrónica.

La protección del circuito es como un seguro; en el mejor de los casos, puede verse como una ocurrencia tardía, e incluso cuando se instala en su lugar, a menudo no es suficiente. Si bien la inversión insuficiente en seguros puede amenazar el funcionamiento estable de un negocio, la protección inadecuada de los circuitos puede tener consecuencias más graves, como la pérdida de vidas.

Ilustramos la importancia de la protección del circuito en el caso del vuelo 111 de swissair, que partió de John f. Aeropuerto internacional Kennedy en Nueva York el 2 de septiembre de 1998. El vuelo fue operado por McDonnell Douglas md-11, de 7 años, que recientemente mejoró su sistema de entretenimiento en vuelo (IFE). Humo de 52 minutos después de despegar, la cabina de mando repentinamente y la tripulación inmediatamente declararon un estado de respuesta de emergencia, e intentaron alternar a Halifax, el aeropuerto, pero debido al cable de control eléctrico del techo de la cabina, el fuego se quemó sin control y se estrelló. en 8 km del mar desde la costa de Nueva Escocia, matando a los 215 pasajeros y 14 miembros de la tripulación.

La investigación del choque encontró que los materiales utilizados en una sección del nuevo IFE fueron la causa principal del accidente, y que los materiales, que se suponía que eran ignífugos, se quemaron y se extendieron a las líneas de control críticas. Aunque es imposible decirlo con certeza, se supone que el arco eléctrico entre los cables IFE fue la causa del incendio. Aunque estos cables están equipados con disyuntores, no se disparan debido a un arco eléctrico. Este es un caso verdadero de 229 muertes causadas por una protección inadecuada del circuito. Dichos circuitos ahora están equipados con protecciones de detección de falla de arco para disparar cuando se detecta un arco (sin incluir el arco producido por operaciones normales como presionar un interruptor).

Usb-pd trae más peligro

Aunque el Swiss MD - 11 es causado por una falla eléctrica en lugar de una falla electrónica, ahora cada vez más circuitos son suficientes para producir un arco (y puede poner en peligro el fuego de la vida) de voltaje y corriente, como la actualización de la fuente de alimentación USB (USB - PD), puede soportar hasta 20 v y 5 a (potencia máxima de 100 w) de alto voltaje y corriente. En comparación con el voltaje de 5V y la corriente de 3A (15W) de USB tipo-c, la actualización de usb-pd es una gran mejora, pero también aumenta enormemente la posibilidad de peligro.

Además de los riesgos asociados con el alto voltaje y la corriente, el usb-pd puede causar otros problemas cuando se usa con conectores y cables USB tipo c. Esto se debe a que la separación entre pines del conector USB tipo C es de solo 0,5 mm, una quinta parte de la de los conectores tipo A y tipo B, lo que aumenta el riesgo de un cortocircuito A debido a la ligera distorsión del conector durante Inserción o extracción. Las impurezas que se acumulan dentro del conector pueden tener un efecto similar. Además, la popularidad del USB tipo c también ha llevado al desarrollo significativo de cables, aunque muchos cables aún no pueden transportar 100 W de potencia, pero no se identifican. Sin embargo, estos signos no garantizan la seguridad; Si el consumidor quiere usar un cable no especificado, también se puede enchufar a un enchufe usb-pd tan fácilmente como un cable calificado.

Los arcos no son el único peligro cuando usb-pd se usa a altos voltajes y corrientes. Debido a que el pin de alimentación del bus principal está muy cerca de los otros pines del conector, un cortocircuito puede exponer fácilmente los componentes electrónicos posteriores a una sobretensión, como un voltaje de cortocircuito de 20 V que puede causar una falla. Por ejemplo, la inductancia de un cable USB de un metro de largo puede "oscilar", causando que el voltaje pico sea mucho más alto que el voltaje de cortocircuito de 20 V (a veces el doble). Para algunas aplicaciones, la falla de los equipos aguas abajo que se ve afectada por un sobrevoltaje puede causar problemas de seguridad, ya que los dispositivos que se usan comúnmente para controlar la corriente y el voltaje máximos de operación de los cables son los más vulnerables a los daños.

Protección de circuito completo

Usb-pd puede producir arcos o dañar componentes cuando funciona a la corriente y voltaje más altos, por lo que no se puede decir que el circuito de protección sea completamente inútil. En aplicaciones donde el modo de potencia máxima usb-pd se usa con frecuencia, por ejemplo, al cargar una batería de computadora portátil, se debe proporcionar protección de circuito completo.

Los diodos de supresión de tensión transitoria (TVS) instalados entre el pin y la tierra de una toma USB tipo c son relativamente simples y de bajo costo para la protección de circuitos. En el caso de un cortocircuito transitorio, el diodo TVS "pellizca" el voltaje pico a un nivel que la parte conectada puede soportar. Si bien los diodos TVS proporcionan una buena protección contra transitorios, no son ideales para eventos de sobretensión continua. Para resolver estos problemas, se requiere un circuito adicional, similar a la protección contra sobretensiones, emparejado con un MOSFET de n canales. Durante un evento de sobrevoltaje continuo, la protección activa el nMOSFET para desconectar la carga de la entrada, evitando así la sobrecarga del dispositivo conectado aguas abajo. Pero los diodos TVS, los protectores y los nofets todavía no pueden soportar todas las situaciones de sobretensión; Ocasionalmente, se producen cortocircuitos alrededor de los cables USB. En este caso, la inductancia del zócalo es muy baja, lo que hace que el voltaje aumente más rápido que la velocidad de respuesta del dispositivo de protección y nMOSFET, por lo que se pueden usar más dispositivos de sujeción para extender el tiempo de aumento de voltaje, de modo que el dispositivo de protección tenga suficiente hora de cortar.

La protección integral aumenta virtualmente el costo y la complejidad de las aplicaciones usb-pd, pero esto se puede evitar seleccionando los componentes correctos. Los fabricantes ahora están comenzando a ofrecer dispositivos integrados que integran diodos TVS, protección y abrazaderas en un solo paquete (el nMOSFET generalmente se mantiene como un chip discreto), ahorrando dinero y espacio al tiempo que simplifica el diseño de protección usb-pd.

conclusión

Circuit protection will never be the end of electronics development. However, solution development engineers need to have the knowledge to take appropriate protective measures to prevent material damage and prevent people from injury or even death. La protección del circuito es como un seguro; en el mejor de los casos, puede verse como una ocurrencia tardía, e incluso cuando se instala en su lugar, a menudo no es suficiente. Si bien la inversión insuficiente en seguros puede amenazar el funcionamiento estable de un negocio, la protección inadecuada de los circuitos puede tener consecuencias más graves, como la pérdida de vidas.


Ilustramos la importancia de la protección del circuito en el caso del vuelo 111 de swissair, que partió de John f. Aeropuerto internacional Kennedy en Nueva York el 2 de septiembre de 1998. El vuelo fue operado por McDonnell Douglas md-11, de 7 años, que recientemente mejoró su sistema de entretenimiento en vuelo (IFE). Humo de 52 minutos después de despegar, la cabina de mando repentinamente y la tripulación inmediatamente declararon un estado de respuesta de emergencia, e intentaron alternar a Halifax, el aeropuerto, pero debido al cable de control eléctrico del techo de la cabina, el fuego se quemó sin control y se estrelló. en 8 km del mar desde la costa de Nueva Escocia, matando a los 215 pasajeros y 14 miembros de la tripulación.

La investigación del choque encontró que los materiales utilizados en una sección del nuevo IFE fueron la causa principal del accidente, y que los materiales, que se suponía que eran ignífugos, se quemaron y se extendieron a las líneas de control críticas. Aunque es imposible decirlo con certeza, se supone que el arco eléctrico entre los cables IFE fue la causa del incendio. Aunque estos cables están equipados con disyuntores, no se disparan debido a un arco eléctrico. Este es un caso verdadero de 229 muertes causadas por una protección inadecuada del circuito. Dichos circuitos ahora están equipados con protecciones de detección de falla de arco para disparar cuando se detecta un arco (sin incluir el arco producido por operaciones normales como presionar un interruptor).

Usb-pd trae más peligro

Aunque el Swiss MD - 11 es causado por una falla eléctrica en lugar de una falla electrónica, ahora cada vez más circuitos son suficientes para producir un arco (y puede poner en peligro el fuego de la vida) de voltaje y corriente, como la actualización de la fuente de alimentación USB (USB - PD), puede soportar hasta 20 v y 5 a (potencia máxima de 100 w) de alto voltaje y corriente. En comparación con el voltaje de 5V y la corriente de 3A (15W) de USB tipo-c, la actualización de usb-pd es una gran mejora, pero también aumenta enormemente la posibilidad de peligro.

Además de los riesgos asociados con el alto voltaje y la corriente, el usb-pd puede causar otros problemas cuando se usa con conectores y cables USB tipo c. Esto se debe a que la separación entre pines del conector USB tipo C es de solo 0,5 mm, una quinta parte de la de los conectores tipo A y tipo B, lo que aumenta el riesgo de un cortocircuito A debido a la ligera distorsión del conector durante Inserción o extracción. Las impurezas que se acumulan dentro del conector pueden tener un efecto similar. Además, la popularidad del USB tipo c también ha llevado al desarrollo significativo de cables, aunque muchos cables aún no pueden transportar 100 W de potencia, pero no se identifican. Sin embargo, estos signos no garantizan la seguridad; Si el consumidor quiere usar un cable no especificado, también se puede enchufar a un enchufe usb-pd tan fácilmente como un cable calificado.

Los arcos no son el único peligro cuando usb-pd se usa a altos voltajes y corrientes. Debido a que el pin de alimentación del bus principal está muy cerca de los otros pines del conector, un cortocircuito puede exponer fácilmente los componentes electrónicos posteriores a una sobretensión, como un voltaje de cortocircuito de 20 V que puede causar una falla. Por ejemplo, la inductancia de un cable USB de un metro de largo puede "oscilar", causando que el voltaje pico sea mucho más alto que el voltaje de cortocircuito de 20 V (a veces el doble). Para algunas aplicaciones, la falla de los equipos aguas abajo que se ve afectada por un sobrevoltaje puede causar problemas de seguridad, ya que los dispositivos que se usan comúnmente para controlar la corriente y el voltaje máximos de operación de los cables son los más vulnerables a los daños.

Protección de circuito completo

Usb-pd puede producir arcos o dañar componentes cuando funciona a la corriente y voltaje más altos, por lo que no se puede decir que el circuito de protección sea completamente inútil. En aplicaciones donde el modo de potencia máxima usb-pd se usa con frecuencia, por ejemplo, al cargar una batería de computadora portátil, se debe proporcionar protección de circuito completo.

Los diodos de supresión de tensión transitoria (TVS) instalados entre el pin y la tierra de una toma USB tipo c son relativamente simples y de bajo costo para la protección de circuitos. En el caso de un cortocircuito transitorio, el diodo TVS "pellizca" el voltaje pico a un nivel que la parte conectada puede soportar. Si bien los diodos TVS proporcionan una buena protección contra transitorios, no son ideales para eventos de sobretensión continua. Para resolver estos problemas, se requiere un circuito adicional, similar a la protección contra sobretensiones, emparejado con un MOSFET de n canales. Durante un evento de sobrevoltaje continuo, la protección activa el nMOSFET para desconectar la carga de la entrada, evitando así la sobrecarga del dispositivo conectado aguas abajo. Pero los diodos TVS, los protectores y los nofets todavía no pueden soportar todas las situaciones de sobretensión; Ocasionalmente, se producen cortocircuitos alrededor de los cables USB. En este caso, la inductancia del zócalo es muy baja, lo que hace que el voltaje aumente más rápido que la velocidad de respuesta del dispositivo de protección y nMOSFET, por lo que se pueden usar más dispositivos de sujeción para extender el tiempo de aumento de voltaje, de modo que el dispositivo de protección tenga suficiente hora de cortar.

La protección integral aumenta virtualmente el costo y la complejidad de las aplicaciones usb-pd, pero esto se puede evitar seleccionando los componentes correctos. Los fabricantes ahora están comenzando a ofrecer dispositivos integrados que integran diodos TVS, protección y abrazaderas en un solo paquete (el nMOSFET generalmente se mantiene como un chip discreto), ahorrando dinero y espacio al tiempo que simplifica el diseño de protección usb-pd.