¿Cómo agregar protección contra rayos en un PCB?

Question

Actualmente, tengo el diseño de la PCB listo, y quiero agregar protección contra rayos a la PCB. ¿Alguien puede sugerir una solución buena y económica para esto? Soy nuevo en añadir protección contra rayos.

Uno de los métodos que he encontrado son los diodos ESD.

Actualmente, la PCB está operando con 12v 1amp. Son solo señales digitales.

Answer 1

Además del excelente comentario de Nick Alexeev que señala otras preguntas/respuestas en este sitio, me gustaría compartir lo que intento hacer en cualquier entrada sensible.

En general, se desea diseñar la entrada de tal manera que las transitorias de alta energía tengan algún lugar a donde ir, que no sea tus delicados componentes electrónicos de procesamiento de señales. Esto generalmente implica un enfoque de varios niveles y también requiere que pienses y diseñes cuidadosamente tu entrada. La mejor protección del mundo es inútil si el diseño del layout es mal pensado.

Con eso en mente, probablemente quieras comenzar tu diseño separando la tierra local tranquila (lógica o analógica) del área de protección contra transitorias y vertiendo una tierra local sólida que esté conectada al chasis (el cual debería estar conectado a una tierra física sólida). Debe haber una buena separación (de 3-4 mm en una capa interna, más para una capa externa) entre tu tierra del chasis y tu tierra interna. Suelo conectar tierra/chasis y la tierra de alimentación en un solo punto con un resistor de 1M de 1206 en paralelo con un capacitor de 100nF de 2kV de tamaño físico similar. Algunos diseños pueden requerir ajustes en estos valores, pero encuentro que funcionan lo suficientemente bien para la mayoría de aplicaciones.

Para protegerse contra los rayos (los cuales a nivel de PCB son prácticamente imposibles de proteger), querrás utilizar tubos de descarga de gas. Estos dispositivos son relativamente lentos pero una vez activados, pueden derivar mucha energía a otro lado. Los tubos de descarga de gas también son generalmente grandes físicamente, porque la electricidad tiene la mala costumbre de saltar a través de brechas si el voltaje potencial es lo suficientemente alto.

Hablando de salto de arcos y brechas: a mucha gente le gusta utilizar brechas de chispa en sus PCBs. Personalmente no me gustan porque son un punto de contaminación (no se puede aplicar máscara de soldadura sobre ellos ya que eso anula su propósito) y si no los proteges contra el soldado por ola o baño en HASL entonces el soldado depositado puede alterar realmente las propiedades físicas de la brecha, volviéndola ineficaz. Además, después de recibir algunos impactos el cobre tiende a ser desgastado y la brecha de chispa se vuelve menos y menos efectiva a medida que crece y/o se desgasta la distancia entre los puntos.

Después de que el tubo de descarga de gas recorta el voltaje entrante a varios cientos de voltios, puedes utilizar dispositivos limitadores de energía como un fusible en línea o un simple resistor seguido por un TVS. El fusible o resistor limita la energía para que el TVS no explote o haga corto (para transitorias más largas) y el TVS actúa como una barra de toma de tierra, desviando la transitoria que está por encima de su voltaje de disparo a tierra.

Ten cuidado nuevamente con el tamaño físico de los componentes; el GDT puede bajarte a unos pocos cientos de voltios, pero ese voltaje puede saltar a través de un resistor limitador de corriente o fusible de 0402. Opta por tamaños más grandes o dispositivos de agujero pasante, y considera hacer un corte en la placa bajo el componente (aunque esto es un poco exagerado, especialmente si ya tienes un GDT).

Al igual que el GDT, el trabajo de un TVS es recortar el voltaje de entrada a un nivel seguro(r). El GDT te bajó de varios miles a varios cientos de voltios. El TVS luego te lleva a una docena aproximadamente (dependiendo de la calificación) de voltios. Probablemente podrías detenerte aquí y darlo por terminado, pero podrías ir un poco más lejos y ayudar a hacer una entrada realmente robusta.

La mayoría de las transitorias son cortas por definición; esto significa que tienen mucha energía durante un (muy) corto período de tiempo. Incluso si recortas la transitoria a una docena de voltios o menos y es "seguro" para que sea detectado por tu entrada, saturar la entrada de un sistema puede tener efectos secundarios que no son fatales, pero introducen error. Agregar un capacitor pequeño (aproximadamente de 0.01uF) en paralelo con el TVS puede ayudar a que la entrada ignore por completo cualquier transitoria restante y proporcione una señal más limpia a tu sistema. Dependiendo en lo que estés haciendo con la entrada y el tipo de señal que esperas, esto podría tener efectos negativos, pero tu pregunta no entra en detalles, aunque estoy dispuesto a apostar que nunca verás el efecto de 10nF de capacitancia en tu entrada en la mayoría de las aplicaciones.

Una vez diseñé un dispositivo automotriz donde fui más allá incluso:

En este circuito, que fue tomado de este post de eevblog, tengo una fuente de alimentación limitada de corriente separada que alimenta un buffer intermedio de disparo Schmitt y sirve como fuente/drenaje para corrientes derivadas. El circuito es "al revés" -- la entrada activa baja está en el lado derecho de R94 y la salida activa baja hacia mi MCU protegido está en el lado izquierdo. R94 y R117 limitan la corriente, D21/D22 derivan el voltaje a los raíles de la suave fuente de alimentación 3V_PROT, y R116 y U27 limpian la señal.

Answer 2

Como han sugerido otros, la protección contra rayos puede que no salve tus dispositivos electrónicos, especialmente si la descarga está cerca. No se puede proteger contra todos los casos posibles. Si un rayo golpea tu placa, terminará siendo un agujero humeante en el suelo. Ninguna cantidad de protección contra rayos lo evitará.

Dicho esto, lo mejor que puedes hacer es protegerte contra los rayos cercanos. Dependiendo de tu sistema, un rayo a una milla de distancia de tu placa puede generar sobretensiones de más de 400 voltios en el sistema. Eso es contra lo que necesitas protegerte.

Los diodos ESD pueden proteger contra descargas electrostáticas por contacto humano, pero harán muy poco en caso de rayos. Incluso he visto diodos ESD grandes obliterados debido a rayos cercanos. Lo que recomiendo es una combinación de protección, con la primera parte absorbiendo la mayor parte de la sobretensión, y cada sección sucesiva absorbiendo un poco más.

El circuito de protección contra rayos que utilizo en el trabajo utiliza una combinación de tubos de descarga de gas, supresores de sobretensión TBU y diodos supresores de voltaje transitorios (TVS). El circuito se ve así:

A veces puedes usar inductores en lugar de los TBUs, pero siempre hay compensaciones. De todas formas, lo anterior es un buen punto de partida.