Este artículo proporciona una descripción general de las técnicas de protección de circuitos utilizadas en aplicaciones automotrices. Una breve discusión sobre la protección ESD, la protección contra descarga de carga y los cortocircuitos (cargas de aplicación) y las fallas de energía que pueden ocurrir durante el cableado.
Este artículo proporciona una descripción general de las técnicas de protección de circuitos utilizadas en aplicaciones automotrices. Una breve discusión sobre la protección ESD, la protección contra descarga de carga y los cortocircuitos (cargas de aplicación) y las fallas de energía que pueden ocurrir durante el cableado.
Los automóviles producidos hoy en día tienen una mayor esperanza de vida que en cualquier momento del pasado. Esto se debe a las mejoras en los materiales y el diseño. Uno de los cambios clave es la proliferación de dispositivos y sistemas electrónicos que reemplazan a los dispositivos mecánicos. Sin embargo, sin la protección eléctrica adecuada, estos sistemas electrónicos pueden fallar sin previo aviso, dejando a los consumidores deseando los “buenos viejos tiempos”.
El diseño de componentes electrónicos para el entorno de la automoción es un gran desafío. Se deben esperar amplias fluctuaciones de temperatura. La mayoría de las aplicaciones requieren un rango de temperatura industrial de -40 a +85 °C. Las aplicaciones debajo del capó pueden ser aún más extremas. La humedad varía desde las temperaturas más bajas en los desiertos hasta las temperaturas más altas en los pantanos. Agregue niebla salina junto al mar, sal para carreteras o simplemente mucho tiempo. La corrosión puede afectar la calidad de las conexiones eléctricas y el aislamiento eléctrico. Se deben considerar los golpes y las vibraciones junto con la posibilidad de puntos de pellizco dondequiera que se ubique el cableado en todo el vehículo con movimiento relativo, como puertas, asientos, ventanas, espejos, pedales y columna de dirección.
protección ESD
La descarga electrostática tiene varias causas. Se pueden incurrir en cargos a medida que los pasajeros se mueven dentro del vehículo. Simplemente conectar un dispositivo personal al sistema de sonido de un automóvil puede inyectar ESD en la entrada del sistema. El aire seco que se mueve sobre la antena de un automóvil puede causar que se acumule ESD en la entrada de radio. Los técnicos que trabajan en sistemas electrónicos pueden inyectar ESD en puertos que normalmente no son accesibles para los ocupantes del vehículo.
Los dispositivos de varistor multicapa (MLV) son dispositivos de protección ESD clásicos representados por la serie MLA de Littelfuse. Estos valores de capacitancia están en cientos de pF y pueden no ser adecuados para líneas de datos de alta velocidad. Los dispositivos ESD de polímero (como la serie PESD de TE Connectivity) ofrecen una capacitancia de menos de 1pF. El último dispositivo ESD de baja capacitancia emplea un espacio de aire encapsulado. La familia de dispositivos CG0402MLU de Bourns es un ejemplo con una capacitancia máxima de solo 0,05 pF. Sin embargo, estas tres tecnologías tienen voltajes de “paso a través” instantáneos bastante altos, que a menudo superan los 100 V durante un evento de ESD. La tecnología de diodo de silicio, como la serie Littelfuse SP3021, debe usarse para limitar estos voltajes. Ofrece un voltaje de sujeción mucho más bajo y una baja capacitancia de menos de 1pF. Uno de los inconvenientes es que los dispositivos de tecnología de silicio son diez veces más caros que otras tecnologías.
Protección de volcado de carga
Las sobretensiones de descarga de carga son exclusivas de las aplicaciones automotrices. Un pulso de descarga de carga es un pico de voltaje momentáneo en el bus de alimentación de 12 V de un vehículo causado por una regulación bastante lenta del voltaje de salida del alternador. Si se quita repentinamente una gran carga en el bus de alimentación (batería desconectada, fusible de alimentación quemado, etc.), la salida del alternador saltará repentinamente por encima de los 60 voltios. Puede tomar hasta 400 ms para que el voltaje regrese a las tolerancias normales.
Estos pulsos de volcado de carga son muy largos en comparación con los pulsos ESD, que se miden en picosegundos, y los pulsos de rayos, que se miden en microsegundos. La clasificación de sobretensión de los diodos TVS se mide con un pulso con una vida media de solo 1 ms. Esto significa que un diodo TVS típico de 600 W puede no sobrevivir a un pulso de 10 W que dure 400 ms. Menos de 1 amperio para un diodo de 15 voltios. Afortunadamente, muchos alternadores incluyen diodos de supresión de sobretensiones para reducir los requisitos de protección de descarga de carga del equipo de su vehículo. Las soluciones para los requisitos de descarga de carga incluyen varistores de óxido de metal (MOV) o supresores de voltaje transitorio (TVS) que pueden incluir un dispositivo de diodo (consulte la Figura 1).
La hoja de datos cubre pulsos de sobretensión mucho más cortos, y es difícil extrapolar las clasificaciones de resistencia de sobretensión al rango de pulso de descarga de carga, por lo que se debe tener mucho cuidado en la selección de componentes. Los dispositivos de sobretensión de silicio proporcionan una tensión de sujeción precisa que garantiza la supervivencia del circuito protegido.
Cortocircuito (carga de aplicación) y falla de energía
Los fusibles y disyuntores instalados en fábrica manejan los cortocircuitos en el cableado de distribución de energía automotriz. Sin embargo, también pueden ocurrir cortocircuitos y otras fallas en el cableado entre el controlador y su carga. Los ejemplos incluyen descongeladores de ventanas, cerraduras de puertas, iluminación adicional y sistemas de sonido montados en el maletero. Los cortocircuitos pueden ocurrir en puntos de pellizco donde se produce corrosión en conectores críticos y puesta a tierra de conductores intermitentes.
Un regulador de voltaje defectuoso también puede causar una falla de energía, y las conexiones de arranque incorrectas o los errores de cableado durante la instalación pueden causar una polaridad inversa. Incluso es posible que una línea eléctrica experimente un evento de cruce de energía debido a puntos de pellizco o corrosión inyectando el voltaje completo de la batería en una línea de control de bajo voltaje o entrada de sensor sensible. El diodo debe estar clasificado para manejar la corriente del fusible que alimenta el equipo protegido.
Los puertos de E/S del equipo se pueden diseñar para que se “reforcen” y soporten estos eventos con circuitos de protección activos (limitadores de corriente, apagado automático, etc.). Sin embargo, la necesidad de dicha protección a menudo no se reconoce hasta una etapa avanzada del ciclo de diseño. En ese punto, la flexibilidad del diseño a menudo se limita a agregar circuitos de protección adicionales.