Protection entrée/sorties digitales

[Povogla]

Bonjour à tous,

Pour un projet j'aimerais interfacer un microcontrôleur avec le monde extérieur en protégeant au mieux ses entrées-sorties. Après réflexion, j'ai toujours quelques questions auxquelles je n'ai pas trouvé de réponses.

Commençons pas les entrées, qui seront des signaux tout ou rien en 24V DC assez lent pour ne pas se soucier de ce point. Au fil de mes recherches j'ai schématisé ceci :


Mon but est de les protéger contre :
1 - L'inversion de polarité via la diode D2101 (1N4148) qui limitera la tension sur la LED de l'opto en deçà de la tension de claquage inverse et la résistance R2101 limitera le courant à une valeur raisonnable.
2 - Les décharges électrostatiques du à la manipulation de la carte et c'est là que ça se corse un peu. J'ai trouvé pour les décharges ESD des valeur typiques pour la source de 150pF à 8kV avec une résistance interne de 330Ω. Donc avec ma topologie, au pic de la décharge en partant du principe que C2101 est déchargé, la tension se réparti entre la résistance interne de la source ESD, R2101 et R2102.
A ce moment là, R2101 se retrouve avec 6.2kV à ses bornes et aprioris elle claque.
Est-ce que j'ai raté quelque-chose?
Comment éviter cela? En plaçant un transil en parallèle sur l'entrée?

Voilà, pour l'instant j'en reste aux entrée histoire qu'on ne mélange pas tout. Merci d'avances pour les réponses =)
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[penthode]

l'entrée par opto est la panacée universelle ,

sauf coup de foudre

donc ça dépend de ce qu'il y a en amont

[Antoane]

Bonjour,

En attendant que des gens plus compétents que moi répondent :

J'ai trouvé pour les décharges ESD des valeur typiques pour la source de 150pF à 8kV avec une résistance interne de 330Ω. Donc avec ma topologie, au pic de la décharge en partant du principe que C2101 est déchargé, la tension se réparti entre la résistance interne de la source ESD, R2101 et R2102.
A ce moment là, R2101 se retrouve avec 6.2kV à ses bornes et aprioris elle claque.

R2102 n'intervient pas dans le calcul à cause de C2101 (voire la led), qui va limiter la tension à ses bornes.

A propos de la résistance ESD des résistances, voir par exemple : http://www.vishaypg.com/docs/60106/esdsensi.pdf (et quelques résultats de test : http://www.vishaypg.com/docs/63129/esd_tn.pdf)

8 kV, c'est déjà de la bonne ESD (niveau 4 de la IEC61000-4-2). https://assets.nexperia.com/document...dbook_2018.pdf

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Il y a quelque chose que je ne comprends pas avec la demande car on protège contre les ESD les entrées sorties avec des parties métalliques nues apparentes (donc juste après les connecteurs) mais sur le schéma initial qu'est ce qui est raccordé au monde extérieur ?
Et le microcontrôleur, il est sur une autre carte ou c'est simplement parce qu'on ne voit qu'une partie du schéma ?


Si le produit est une carte électronique sans boîtier, comme une carte d'évaluation, et que tout est nu et apparent alors il n'y a aucune solution, un jour un composant se prendra une décharge et ce sera la panne.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Povogla]

@Antoane
En effet vu mon hypothèse de condensateur vide au départ, R2102 est à ignorer je suis allé un peu vite en besogne, mais au vu des ratios des résistances ça ne change pas énormément le résultat final. Et merci pour la littérature je vais potasser tout ça et voir si j'ai encore des questions après ça.
Pour l'ESD 8kV c'est en effet sur cette norme que je me suis basé. J'ai vu qu'elle spécifiait aussi des cas moins rudes en décharge. Par contact direct sans doute que 4 voir 6kV seraient suffisants. Je vais revoir a la baisse mon besoin.

@Vincent PETIT :
J'ai été avare en précision sur l'environnement final c'est vrai. Ma carte sera en boitier avec comme interface vers le mode extérieur des bornes à vis. Donc on est bien dans le cas d'E/S avec parties métalliques nues apparentes.
Pour être précis, In1 et ComIn seront accessible depuis l'extérieur le reste sera protéger dans un boitier.

L'entrée du microcontrôleur sera au final raccordée sur LL_In1

@Penthode,
En amont ce sera contacts secs avec une alimentation 24V DC régulée et/ou une sortie logique 24V (en logique PNP) avec des liaison de faible longueur, donc rien de "sale" aprioris.

[Vincent PETIT]

Re,
Je comprends mieux mais sache que ce que tu veux faire est très difficile voir parfois impossible a faire sans annuler l'opto-isolation

En général avec des transils bidirectionnelles on fait comme ça :



Les transils écrêtent, comme une zener, les ESD (IEC61000-4-2), les Surges (IEC61000-4-5) et EFT (IEC61000-4-4) par dissipation. Placées comme sur le schéma elles protèges les entrées par rapport à la terre ou l'une par rapport à l'autre. Généralement, on place des condensateurs de dérivations en parallèle des transils pour dévier les courants de mode commun vers la terre ou de mode différentiel de In1 vers ComIn.

Si dans la réalité ComIn est reliée à la terre alors seule la transil du haut sert à quelque chose.

Ici le problème est que pour bénéficier de l'opto-isolation il faudrait que le GND après l'opto, côté microcontrôleur, soit différent de ComIn (donc s'il y a un connecteur de sortie il faut aussi un opto). De plus, les protections CEM vont rendre inutile la tension d'isolation de l'opto (1500V ?) car ça n'arrivera jamais et autant remplacer l'opto par un transistor si on arrive pas a être complétement opto-isolé.




ESD :

Décharge électrostatique

Surges :

Commutation de puissance
Défauts d'isolation sur le réseau élec
Commutation à proximité de moteurs
Fusibles qui sautent (tension de retour)
Foudre (indirect) à proximité
...

EFT :

Commutateur électrique à proximité
Les câbles qui captent les perturbations de l'environnement par couplage capacitif
Moteurs et relais
Ballasts de tubes fluo
...

[jiherve]

Bonjour,
la décharge représente 5mJ donc rien de bien destructif pour les composants en place, au plus simple tu utilises une carbone agglomérée pour la 3,6k cela tient bien les décharges.
JR

[Povogla]

Re-Bonjour à tous,

et merci pour vos réponses, j'ai potassé tout ça et je me suis décidé à rationaliser mes choix.

Du coup, je vais conserver la topologie que j'ai présenté en #1 en sélectionnant pour R2101 une résistance dite "anti-surge" de ce style :
https://www.mouser.ch/datasheet/2/31...31-1141874.pdf

Celle-ci est spécifié 3kV pour un package 1206, je n'ai pas encore fait le tour des fournisseurs pour voir si l'on trouvait mieux mais dans l'absolu ça me parait déjà bien.

Concernant l'opto-isolation, le potentiel 24V DC est référencé à la terre et dans un premier temps mon alimentation 5V DC sera externe à ma carte et son 0V sera aussi relié à la terre. Mais je me garde la possibilité de l'embarquer avec une isolation galvanique par rapport aux potentiels d'entrés.

Même sans isolation galvanique l'opto-isolation est voulue mon but étant ici de maitriser le chemin de mon courant (le courant circulant dans les entrée revient forcément par le potentiel ComIn). L'idée me paraissait intéressante à voir si elle est saugrenue.