Complesso sia per i progettisti che per i produttori e, in definitiva, rilevante per i consumatori finali, che si aspettano che i loro prodotti siano non solo funzionali ma anche sicuri.
La protezione dei circuiti è una routine quotidiana.
Immaginate la seguente situazione: mattina, jogging, tempo umido... scarpe da corsa, calzini e una maglietta di nylon. Tutti questi elementi insieme possono generare per un breve istante una scarica elettrostatica (ESD) di 30.000 V, un potenziale arresto cardiaco per il vostro smartphone o qualsiasi altro dispositivo portatile che riproduca la vostra musica preferita.
Immagina di avvicinarti al computer e... bam!... improvvisamente tutto si riavvia. Il tuo primo pensiero: malware o virus, il computer è troppo vecchio o l'hardware si è guastato. Non ti verrebbe in mente che il semplice contatto tra il tuo costume e il computer abbia innescato un breve ma potente incidente elettrico.
La protezione dei circuiti è una procedura di routine, eppure i problemi associati a sovratensione e sovracorrente rimangono spesso trascurati dalla maggior parte degli ingegneri. Perché? Perché con l'ampliamento delle loro mansioni e la riduzione dei cicli di progettazione, molti ingegneri relegano la protezione dei circuiti in fondo alla lista delle cose da fare. "Più veloce" è il mantra del momento! Oggi, gli ingegneri devono progettare la funzionalità principale dei loro dispositivi il più rapidamente possibile. Devono creare la forma, sviluppare il software, costruire il prototipo e testare il concetto. Solo allora, se mai, avranno il tempo di pensare alla protezione dei circuiti.
Risparmio di tempo prezioso nello sviluppo:
questo approccio sta creando più problemi che mai per i progettisti di prodotti. Telefoni cellulari, computer e lettori musicali diventano sempre più piccoli. Inoltre, funzionano a tensioni minime che li rendono più vulnerabili alle scariche elettrostatiche (ESD), ai fulmini lontani, all'accensione dei motori e alle correnti di dispersione provenienti dai macchinari di processo. In genere si tratta di 10.000 o 15.000 volt, ma l'esperienza dimostra che possono raggiungere anche i 30.000 volt.
La spiacevole conseguenza di rimandare tali attività all'ultimo minuto è che la funzionalità del progetto ne risente. Con i dispositivi che diventano sempre più piccoli e richiedono l'assemblaggio di un numero sempre maggiore di componenti, gli ingegneri non riescono più a trovare spazio per i dispositivi di protezione dei circuiti sui loro circuiti stampati. Il risultato: finiscono per riprogettare le schede e perdere tempo prezioso di sviluppo, tempo che avrebbero potuto risparmiare se avessero considerato la protezione dei circuiti fin dall'inizio. A peggiorare le cose, in molti casi, gli ingegneri non pensano affatto alla protezione dei circuiti, ma si affrettano a scegliere una soluzione facilmente reperibile e un dispositivo di protezione inadeguato, con conseguenti malfunzionamenti, scarsa affidabilità, problemi di sicurezza, scosse elettriche o persino incendi.
Per aiutare la comunità degli ingegneri progettisti a prevenire scenari così drammatici, includiamo qui alcune raccomandazioni di esperti ingegneri la cui vita professionale ruota attorno ai temi della protezione da sovracorrente e dell'immunità agli shock:
Pensare alla protezione dei circuiti fin dalla fase di progettazione del chip:
considerare la protezione dei circuiti troppo tardi nel progetto può avere gravi ripercussioni per qualsiasi progettista. Uno scenario del genere potrebbe comportare la mancanza di spazio per il dispositivo ESD. O peggio, dover accontentarsi di una posizione non ottimale in cui il dispositivo non funziona come previsto.
Per evitare questi problemi, il momento migliore per iniziare a pensarci è proprio durante la fase di selezione del chipset e l'inizio della progettazione del circuito stampato. Procedendo in questo modo, è possibile conoscere i valori ESD e i progettisti possono valutare la robustezza e la sensibilità dei chip. Alcuni di questi chip funzionano a 1,5 volt e basta poco per danneggiarli. L'esperienza ci insegna che l'ingegneria dei circuiti è più complessa e delicata di quanto a volte si pensi.
Comprendere le minacce:
i fusibili sono semplici, tutti li capiscono, ma la sovratensione potrebbe non essere così ovvia e le sue conseguenze potrebbero passare inosservate. Tuttavia, queste conseguenze esistono, anche se non sono catastrofiche come quelle della sovracorrente.
Sapevate, ad esempio, che le sovratensioni hanno persino messo fuori uso il telescopio Hubble, bloccato raffinerie, distrutto smartphone e fermato montagne russe a metà corsa? In alcuni dispositivi medici portatili, le sovratensioni possono addirittura essere letali. Esistono numerose potenziali fonti di corrente e tensione eccessive, a partire dai fulmini, dalle scariche elettrostatiche (ESD), dai motori, dalle saldatrici ad arco, nonché dalle già citate scarpe e calze da corsa. Si pensi, ad esempio, ai fulmini: le persone conoscono il fenomeno dei fulmini, ma potrebbero non sapere che la corrente si propaga attraverso il terreno, creando potenzialmente enormi distorsioni ondulatorie nelle linee elettriche ad alta tensione a un chilometro di distanza. E questo è solo un esempio dell'importanza di conoscere e comprendere i potenziali pericoli.
Definizione delle esigenze:
Per prevedere con precisione le esigenze di protezione dei circuiti di un prodotto, il progettista deve innanzitutto essere in grado di immaginare come verrà utilizzato. In altre parole, è essenziale sapere dove potrebbe essere collocato, comprenderne l'ambiente e cosa potrebbe trovarsi nelle sue immediate vicinanze. Un dispositivo sarà più vulnerabile in un ambiente industriale che in un ufficio.
Una volta che il progettista ha compreso l'ambiente, può iniziare ad apportare le modifiche necessarie. Si dovrebbe partire dai punti di connessione. Il dispositivo di protezione dalle sovratensioni dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile al connettore, non a cinque centimetri di distanza. Comprendere l'ambiente di destinazione del prodotto e i potenziali rischi associati a tale posizionamento sarà fondamentale per selezionare la soluzione di protezione del circuito più appropriata.
Comprensione degli standard
: gli standard determinano la progettazione di ogni prodotto, compresa la protezione dei circuiti. Inoltre, l'elenco degli standard che i progettisti devono considerare sembra infinito. Questi standard variano anche a livello internazionale, regionale e persino locale. Per quanto riguarda la protezione dei circuiti, gli standard includono quelli di Underwriters Labs, Energy Star, NEMA, ATCA, CSA Group, IEEE e degli enti di normazione di Canada, Sud America, Giappone, Corea ed Europa, tra gli altri.
Gli standard sono una parte cruciale di qualsiasi progetto o settore. I progettisti hanno l'obbligo di essere a conoscenza di tutti gli standard pertinenti ancor prima di iniziare un progetto. Proprio come per i componenti, anche la conoscenza e la comprensione delle normative che regolano determinati prodotti, sia a livello locale che internazionale, devono essere parte integrante della fase di progettazione iniziale. In altre parole, non si può creare un prodotto e poi iniziare a cercare gli standard che ne consentirebbero il funzionamento in un determinato mercato.
Rimanere informati:
Poiché la protezione dei circuiti non viene insegnata nelle università, la maggior parte degli ingegneri ha una maggiore familiarità con le complessità della progettazione dei prodotti piuttosto che con i temi della protezione da sovracorrente e da urti. Questo problema è aggravato dal fatto che la maggior parte dei progettisti deve gestire numerosi progetti e ha troppo poco tempo per approfondire l'argomento. Documenti tecnici di settore, specifiche di prodotto e casi di studio sono sempre utili come fonte di informazione e formazione, ma anche come esempi di ciò che ha funzionato in determinate situazioni, potenzialmente simili a quella attuale.
In termini generali, sebbene non sia un argomento ufficialmente insegnato nelle scuole, la protezione dei circuiti è rilevante nella vita quotidiana dei consumatori finali, dei produttori la cui reputazione del marchio si basa sulla perfetta funzionalità e sicurezza dei loro prodotti e dei progettisti il cui successo si misura in base ai tempi di sviluppo e alla qualità. È una competenza che deve indubbiamente essere appresa attraverso l'esperienza e la condivisione delle conoscenze all'interno del settore. Littelfuse, ad esempio, offre il suo sito web speed2design, pensato per aiutare i progettisti che hanno poco tempo a disposizione a trovare soluzioni per la protezione dei circuiti.
Autore:
A cura di Bharat Shenoy, Direttore Marketing Tecnico, Business Unit Elettronica
dell'autore
: Bharat Shenoy, Direttore Marketing Tecnico della Business Unit Elettronica, è responsabile dell'analisi del segmento di mercato, del supporto ai canali di vendita e dell'ingegneria applicativa per la Business Unit Elettronica. Bharat Shenoy è entrato in Littelfuse come Direttore Vendite Locale per la regione degli Stati Uniti occidentali dal 2008 al 2011. Ha iniziato la sua carriera come ufficiale della Marina degli Stati Uniti su un sottomarino nucleare e ha ricoperto diverse posizioni presso Tyco Electronics Circuit Protection, tra cui Ingegnere Applicativo, Direttore Vendite Locale e Direttore Commerciale.
