Varistori multistrato per la protezione industriale contro le sovratensioni transitorie

TDK Corporation amplia la propria famiglia di varistori multistrato a montaggio superficiale con la serie X, risolvendo le sfide di soppressione delle tensioni transitorie e di sostenibilità nell'elettronica industriale.

L'elettronica industriale miniaturizzata e le reti di sensori distribuiti sono sempre più vulnerabili alle scariche elettrostatiche distruttive e ai transitori di tensione ad alta energia sui circuiti stampati densamente popolati. Per affrontare questa sfida operativa riducendo al contempo le emissioni legate alla produzione dei componenti, TDK Corporation ha introdotto la serie X standard di varistori multistrato a montaggio superficiale per alimentatori, automazione di fabbrica, sistemi per l'internet delle cose industriale e interfacce di sensori.

Sfide legate alle sovratensioni transitorie nell'automazione industriale e nell'IIoT
Man mano che i sistemi di automazione di fabbrica e i dispositivi per l'internet delle cose industriale integrano densità di componenti più elevate in involucri più piccoli, i circuiti integrati sensibili devono affrontare una maggiore esposizione ai sovraccarichi elettrici. Le commutazioni di carico, i ritorni induttivi e le interazioni uomo-macchina generano frequentemente rapidi picchi di tensione transitoria ed eventi di scarica elettrostatica lungo le linee di alimentazione e di comunicazione.

Negli ambienti industriali gravosi, i componenti passivi di protezione devono sopprimere questi transitori istantaneamente senza degradare l'integrità del segnale o richiedere un declassamento termico a temperature ambiente elevate. Allo stesso tempo, i produttori di apparecchiature industriali devono rispettare obiettivi di sostenibilità aziendale più severi, che richiedono riduzioni del carbonio incorporato nelle distinte base elettroniche.

Architettura ceramica sinterizzata a bassa temperatura e caratteristiche elettriche
La serie X di TDK Corporation (che comprende i modelli CT0402X, CT0603X, CT0805X, CT1206X, CT1210X, CT1810X e CT2220*X) si basa sulla piattaforma tecnologica precedentemente stabilita dalla serie X1 di grado automobilistico. Il progresso ingegneristico fondamentale della serie X risiede nella sua composizione ceramica modificata. I varistori multistrato convenzionali richiedono cicli di cottura ad alta temperatura durante la co-cottura degli strati ceramici e degli elettrodi interni. Formulando un materiale ceramico che sinterizza a temperature inferiori e utilizza materie prime con una minore intensità di carbonio, TDK Corporation diminuisce l'energia consumata durante la produzione, riducendo l'impronta di anidride carbonica dei varistori fino al 30 percento rispetto ai varistori multistrato standard.

Dal punto di vista elettrico, un varistore multistrato funziona come un resistore non lineare dipendente dalla tensione. Sotto normali tensioni di esercizio, il componente presenta un'alta impedenza e una bassa corrente di dispersione. Quando un evento transitorio supera la tensione di soglia, i bordi di grano ceramico cedono rapidamente, portando il dispositivo in uno stato di bloccaggio a bassa impedenza che devia la corrente di sovratensione lontano dai semiconduttori a valle.

La serie X risponde ai transitori di tensione in meno di 0,5 ns. Questo tempo di attivazione inferiore al nanosecondo è fondamentale per intercettare i rapidi fronti di salita degli impulsi di scarica elettrostatica prima che il picco di energia raggiunga i nodi di silicio sensibili. Inoltre, con valori di capacità parassita che scendono fino a 6 pF, gli involucri di dimensioni minori possono essere posizionati su linee dati ad alta velocità e interfacce di sensori senza introdurre carico capacitivo o distorsione del segnale.

Specifiche tecniche e parametri operativi
Coprendo le impronte a montaggio superficiale standard da EIA0402 a EIA2220, la serie X consente ai progettisti di circuiti di scalare la gestione dell'energia di sovratensione in base ai vincoli di spazio sulla scheda. Su tutta la gamma di prodotti, i componenti supportano tensioni operative efficaci da 3,5 V a 40 V, con tensioni nominali di varistore che vanno da 8 V a 350 V e tensioni di bloccaggio comprese tra 24 V e 450 V.

Per la protezione dalle correnti di sovratensione, i valori nominali della corrente di picco scalano da 1 A nell'involucro compatto EIA0402 fino a 800 A nel formato più grande. I componenti sono certificati per resistere a scariche elettrostatiche fino a 15 kV di scarica in aria in conformità con la norma internazionale di immunità IEC 61000-4-2. Progettata per involucri termicamente esigenti, la serie X opera in un intervallo di temperatura ambiente compreso tra -55 °C e +125 °C senza declassamento termico, mantenendo un livello di protezione stabile e una bassa corrente di dispersione per tutta la sua vita utile. Sono inoltre supportate regolazioni dei parametri specifiche per il cliente per requisiti circuitali specializzati.

Integrazione nei flussi di lavoro industriali e assemblaggio a montaggio superficiale
Nella progettazione pratica dei circuiti, gli ingegneri dispongono questi dispositivi a montaggio superficiale direttamente adiacenti a connettori esterni, porte per bus di campo, ingressi di alimentazione in corrente continua e stadi di ingresso dei convertitori analogico-digitali. Nei controllori per l'automazione di fabbrica e nei nodi per l'internet delle cose industriale, l'assenza di declassamento termico fino a +125 °C consente il posizionamento vicino a circuiti integrati di gestione dell'alimentazione che generano calore o all'interno di involucri da campo con grado di protezione IP non ventilati, senza sacrificare la capacità di bloccaggio delle sovratensioni.

Dal punto di vista produttivo, la serie X viene fornita in confezionamento a nastro e bobina compatibile con apparecchiature automatizzate di posizionamento ad alta velocità e profili di saldatura a rifusione standard, integrandosi direttamente nelle linee di assemblaggio con tecnologia a montaggio superficiale ad alto volume.

Contesto aggiuntivo:
Questa sezione illustra le specifiche tecniche e i confronti competitivi non inclusi nell'annuncio originale del prodotto.

Nella protezione dei circuiti industriali, la selezione ingegneristica per la soppressione delle tensioni transitorie comporta tipicamente la valutazione dei varistori multistrato a montaggio superficiale rispetto ai diodi in silicio per la soppressione delle tensioni transitorie e ai soppressori polimerici di scariche elettrostatiche. Ciascuna tecnologia presenta compromessi fisici distinti governati dalla fisica dei materiali e dalle norme di prova industriali quali IEC 61000-4-2 per le scariche elettrostatiche e IEC 61000-4-5 per l'immunità alle sovratensioni.

Rispetto ai diodi in silicio per la soppressione delle tensioni transitorie, i varistori multistrato a base di ossido di zinco offrono generalmente un maggiore assorbimento dell'energia di sovratensione per unità di volume, poiché l'energia viene dissipata uniformemente in tutto il corpo ceramico e nella struttura di elettrodi interfogliati piuttosto che attraverso una giunzione p-n a semiconduttore localizzata. Sebbene i diodi in silicio presentino spesso tensioni di bloccaggio leggermente inferiori per un dato valore di rottura, i dispositivi in silicio standard richiedono frequentemente un declassamento di potenza oltre +85 °C, mentre i varistori ceramici ad alta temperatura come la serie X mantengono i valori nominali completi fino a +125 °C.

Dal punto di vista produttivo, i tradizionali varistori multistrato in ossido di zinco richiedono temperature di sinterizzazione tipicamente comprese tra 1000 °C e 1300 °C. L'abbassamento di questa soglia di sinterizzazione al di sotto di 1000 °C non solo riduce il consumo energetico dei forni per la conformità alle emissioni di Ambito 3 nella produzione elettronica, ma facilita anche la co-cottura con metalli per elettrodi interni a più alta conducibilità, mantenendo una bassa resistenza in serie durante gli eventi di bloccaggio ad alta corrente.

Redatto da Sucithra Mani, redattrice di Induportals – adattato dall'IA.

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