Защитные диоды от перенапряжения: Подразделение защиты: TVS-диоды от Bourns

Содержание

Подразделение защиты: TVS-диоды от Bourns

4 февраля 2015

Поглощение и рассеивание энергии импульса помехи – основное назначение TVS-диодов, изделий, повсеместно применяемых в современной электронике. Компания Bourns предлагает широкую линейку TVS-диодов, – от классических до сверхмощных, – включая диоды и сборки в миниатюрных корпусах, адаптированные под высокоскоростные цифровые линии связи.

Минимизация энергопотребления и развитие коммуникационных возможностей электронных устройств остро поднимают проблематику уязвимости компонентов к воздействию наведенных импульсов помех, перенапряжений и электростатических разрядов. Импульсные микро- и наносекундные помехи, помимо всего прочего, имеют весьма неприятное свойство проникать через паразитную емкость дросселей, фильтров, трансформаторов в чувствительные узлы электронных схем и вызывать необратимые повреждения. Разработчики 70-х и 80-х годов могут вспомнить множество историй, когда на испытательных стендах или промышленных объектах велась настоящая борьба за живучесть электроники, которая, увы, не всегда заканчивалась положительно.

Это предопределило появление новых классов устройств – ограничителей напряжения, способных за короткий промежуток времени поглотить значительную энергию импульса помехи, ограничив напряжение на электронной схеме до безопасных значений.

TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor) – полупроводниковые устройства, основное назначение которых – ограничивать напряжение на защищаемом участке электронной схемы до безопасных значений, при этом поглощая и рассеивая энергию импульса помехи. По принципу действия TVS-диоды похожи на традиционные стабилитроны, работают на обратной ветви вольтамперной характеристики, но предназначены для значительных импульсных нагрузок. Что, впрочем, не мешает в некоторых приложениях использовать TVS-диоды в качестве мощных стабилитронов, если не нужны малый температурный дрейф или малый разброс напряжений стабилизации. Принцип применения TVS-диода в качестве защитного элемента заключается в том, что он закрыт до момента воздействия помехи, и не участвует в работе схемы (емкостная составляющая не рассматривается, об этом – ниже).

Другими словами, через него не протекают рабочие токи, температура p-n-перехода защитного диода равна температуре окружающей среды. Импульс перенапряжения вызывает лавинный пробой в структуре TVS-диода, через него протекает ток помехи, обусловленный эквивалентным сопротивлением источника помехи, при этом напряжение на диоде ограничивается в соответствие с его внутренней структурой. В результате защищаемый участок схемы не подвергается воздействию высокого напряжения, энергия помехи рассеивается. На рисунке 1 показан пример воздействия импульсной помехи на цепь, защищаемую TVS-диодом.

Рис. 1. Иллюстрация работы TVS-диода в цепи

Кроме нагрузки и ограничителя напряжения, в схеме показано также последовательное сопротивление (Rпосл.), которое почти всегда присутствует в реальных устройствах в виде предохранителя, контактного сопротивления разъема, внутриблочных соединений или специально установленного разработчиком резистора. Это сопротивление, наряду с эквивалентным сопротивлением источника помехи (в случае, когда этот параметр можно оценить, например в модели Human Body Model (рисунок 2), имитирующей заряд тела человека для электростатических разрядов), позволяет определить амплитуду тока через защитный диод и тем самым вычислить мощность, на которую следует выбирать элементы защиты.

Рис. 2. Human Body Model

Главная особенность TVS-диодов – экстремально высокое быстродействие[1], – фактически предопределила их области применения: защиту чувствительных к перенапряжению элементов схемы, где важно не допустить импульса помехи длительностью менее десятков наносекунд, при этом энергия помехи составляет сотни Вт. Это, в первую очередь, защита коммуникационных портов от статических разрядов, а также вторая или третья ступень комплексных схем защиты, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Трехступенчатая схема защиты чувствительного элемента

В случае, когда требуется защита от электростатических разрядов, TVS-диоды подключаются без ограничительных последовательных резисторов, что важно для функционирования некоторых устройств, например, портов USB.

В случае проектирования схем защиты от импульсных помех, вызванных аварийными ситуациями, грозовыми разрядами, переходными процессами в линиях связи и так далее, приходится прибегать к дополнительным мерам, поскольку неопределенность с эквивалентным сопротивлением источника помехи значительно более высокая, чем в случае с электростатическим разрядом или мощность источника помехи значительно превосходит допустимую мощность защитных элементов. Например, при известной максимально допустимой амплитуде импульса перенапряжения устанавливаются последовательные резисторы, которые ограничивают ток через TVS-диод. Трехступенчатая схема защиты, показанная на рисунке 3, сочетает в себе газоразрядник, варистор и TVS-диод, что позволяет эффективно распределить энергию импульса помехи между защитными элементами. Наиболее короткий фронт импульса (1 нс) вызывает срабатывание TVS-диода, далее срабатывает варистор (25…100 нс), который, как правило, имеет более высокую рассеиваемую мощность, и основная энергия поглощается в газовом разряднике (скорость срабатывания 0,1…1 мкс).

Последовательные резисторы Rmov и Rtvs обеспечивают режим работы защитных элементов и последовательность их срабатывания. TVS-диод, являющийся третьей, самой быстродействующей ступенью, осуществляет «чистовое» ограничение импульса помехи. Конструкторы данных приборов стремились подчеркнуть данный параметр наряду со стремлением увеличить его пиковую нагрузочную способность.

В результате из-за значительной площади кристалла электрическая емкость TVS-диода на порядок выше емкости типового стабилитрона.

С точки зрения ограничения импульсов данная особенность идет только на пользу – фактически, параллельно с быстродействующим полупроводником существует виртуальный высококачественный конденсатор, который дополнительно интегрирует короткие импульсные помехи. Это хорошо, когда речь идет о защите низкоскоростных линий связи или цепей питания. Но в защите нуждаются также и скоростные линии связи, для которых вносимая TVS-диодами емкость становится критичной.

Для этого производители предложили серии ограничителей напряжения с пониженной емкостью, но они, как правило, имеют небольшие значения пиковой рассеиваемой мощности. Если требуется защитить высокоскоростную линию более мощным супрессором, то применяются диодные и диодно-мостовые схемы, которые позволяют минимизировать влияние высокой собственной емкости защитного элемента на линию связи. Выбор диодов для мостовой схемы – отдельная задача для разработчика, поскольку, с одной стороны, диоды должны выдерживать большие импульсные токи и не уступать в быстродействии супрессору, с другой – иметь малую емкость перехода и малые значения токов утечки.

Чаще всего в таких схемах применяются диоды Шоттки, что позволяет получить нужные характеристики, но требует дополнительного места на печатной плате. У некоторых производителей подобные решения оформлены в виде диодно-супрессорных сборок, специально предназначенных для защиты высокоскоростных цепей. Компания Bourns, например, предлагает сборки серии CDSOT236 для защиты портов Ethernet или HDMI, сборки серии CDDFN для USB3.0 и так далее.

Резюмируя вышесказанное, можно сформулировать алгоритм подбора TVS-диода для конкретного приложения.

Выбор номинала рабочего напряжения супрессора по действующему напряжению защищаемой цепи

. В нормальном режиме работы супрессор закрыт, через него протекает только нормированный ток утечки, который не оказывает влияния на работу электронной схемы.

Определение пикового аварийного тока или пиковой аварийной мощности супрессора. Максимальный ток рассчитывается из анализа максимального напряжения источника импульсного воздействия и эквивалентного последовательного сопротивления. Если речь идет об электростатических разрядах, то используется Human Body Model или другая модель заряженного физического тела. Если расчет ведется относительно импульсов перенапряжения, то используются или данные об источнике помехи, или, если их нет – характеристики предыдущей ступени защиты, например, как на рисунке 3.

Определение времени воздействия аварийного тока. Пиковая мощность TVS-диодов напрямую зависит от времени воздействия импульса. Как правило, для получения оценки импульса воздействия достаточно руководствоваться стандартами по ЭМС [2].

Определение максимального напряжения ограничения TVS-диода. Ток помехи, амплитуда которого может достигать десятков, сотен, а иногда и тысяч ампер, вызывает всплеск на защитном диоде, который может в разы превышать его номинальное рабочее напряжение. Максимальное напряжение ограничения должно быть безопасным для защищаемой схемы.

Определение максимальной емкости схемы защиты. Подробная методика расчета схем защиты на основе TVS приведена в [5].

Компания Bourns, как один из ведущих мировых производителей компонентов защиты цепей, предлагает широкий выбор TVS-диодов, позволяющих строить схемы защиты, удовлетворяющие требования таких стандартов как ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008), ГОСТ Р 51317.4.4-2007 (МЭК 61000-4-4:2004), ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95).

Это и диоды в корпусах SMA, SMB, SMC, которые де-факто являются индустриальным стандартом, и диоды и сборки, предназначенные для экономии площади на печатной плате, и интегрированные решения для различных применений в промышленной и бытовой электронной технике. На рисунке 4 приведена удобная диаграмма для первоначального выбора супрессора от Bourns.

Рис. 4. Диаграмма для выбора супрессора производства Bourns

Серии SMAJ, SMBJ, SMCJ

Рис. 5. Внешний вид корпуса TVS-диодов серий SMA, SMB, SMC

Дискретные защитные диоды SMAJ, SMBJ и SMCJ в корпусах для поверхностного монтажа появились одними из первых, нашли широкое применение в различных изделиях и по праву считаются промышленным стандартом. Их можно встретить на входах/выходах источников питания, в схемах защиты телекоммуникационного оборудования, в барьерах искрозащиты, в блоках грозозащиты и так далее. Внешний вид корпусов TVS-диодов серий SMAJ, SMBJ и SMCJ показан на рисунке 5.

Диоды серии SMAJ при компактных размерах позволяют рассеивать 400 Вт пиковой мощности в течение 1 миллисекунды, рассчитаны на 1 Вт статической нагрузки, соответствуют требованиям стандартов ЭМС [Р МЭК 4-2, 4-4, 4-5].

Серия SMBJ – более мощная, чем SMAJ, TVS-диоды этой серии позволяет рассеивать 600 Вт пиковой мощности в течение 1 миллисекунды, и до 5 Вт – в статическом режиме.

Серия SMCJ – еще более мощная. Она позволяет рассеивать 1500 Вт пиковой мощности в течение 1 миллисекунды, и до 5 Вт – в статическом режиме.

Усредненные характеристики этих серий приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики TVS-диодов серий SMAJ, SMBJ, SMCJ

Наименование Рабочее напряжение VRWM, В Минимальное напряжение срабатывания VBR, В Энергия рассеяния Ppk, Вт Пиковый ток перегрузки IRSM, А Рабочая
температура, °С
Однонаправленные Двунаправленные
SMAJx. xA SMAJx.xCA 5…495 6,4…522 400 43,5…0,5 -55…150
SMBJx.xA SMBJx.xCA 600 65,3…0,8
SMCJx.xA SMCJx.xCA 1500 163…2

Главное преимущество серий SMAJ, SMBJ и SMCJ – достаточно высокая пиковая мощность, позволяющая эффективно применять их для защиты от импульсов помех с высокими значениями энергии. Кроме того, значительная мощность рассеивания в статическом режиме позволяет использовать один и тот же TVS-диод еще и для защиты от «медленных» перегрузок – неисправностей источников питания, аварийных изменений напряжения питающей сети, а также применять плавкие и полимерные предохранители, время срабатывания которых может измеряться секундами. Неприятная особенность таких супрессоров – высокая электрическая емкость. Для низковольтных диодов ее значение может достигать 3000 пФ, для высоковольтных – 20 пФ. Двунаправленные версии имеют емкость примерно на 40% меньше однонаправленных аналогов.

Серия CDSOD323

С развитием мобильной и портативной техники производители начали борьбу как за снижение паразитной емкости, так и за степень интеграции полупроводниковых схем. Компания Bourns выпустила линейку TVS-диодов CDSOD323, упакованную в корпуса формата SOD-323. Это позволило значительно сэкономить место на печатной плате. Несмотря на скромные размеры, серия обладает значительной пиковой импульсной мощностью в 350 Вт (некоторые модели – до 500 Вт), и соответствует стандартам ЭМС (Р МЭК 4-2, 4-4, 4-5). Правда, по сравнению с сериями SMA, SMB и SMBJ, мощность которых нормирована на время в 1 мс, импульсная мощность CDSOD323 приведена ко времени действия стандартного импульса 8/20 мкс [6, 7].

Рис. 6. Структурная схема и внешний вид CDSOD323-TxxLC и CDSOD323-TxxC

Часть номенклатуры CDSOD323 обладает малой емкостью и специально адаптирована для линий передачи данных, например, CDSOD323-TxxLC. Типовая емкость диодов составляет примерно 1 пФ, что позволяет применять CDSOD323-TxxLC для защиты цепей HDMI 1.4, DVI, USB 3.0, микросхем памяти и портов подключения SIM-карт. Серия рассчитана на рабочие напряжения 5…24 В и воздействие статического разряда до 30 кВ. Также, с точки зрения емкости, интересна серия CDSOD323-TxxC. Этот параметр у нее составляет порядка 3 пФ, а рабочее напряжение – 3…24 В. Рассчитана данная серия на воздействие статического разряда до 30 кВ. Эти сборки с успехом применяются для защиты портов ввода-вывода, USB, мобильных устройств и тому подобного. Внутренняя структурная схема и внешний вид ограничителей напряжения серий CDSOD323-TxxLC и CDSOD323-TxxC показаны на рисунке 6, а обобщенные характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики серий CDSOD323-TxxLC и CDSOD323-TxxC

Наименование Рабочее напряжение VRWM, В Минимальное напряжение срабатывания VBR, В Энергия рассеяния Ppk, Вт Емкость на 1 МГц C, пФ ESD-защита, кВ Рабочая
темп-ра, °С
Однонаправленные Двунаправленные
CDSOD323-TxxL CDSOD323-TxxLC 5…24 6…26,7 350/250 1 до 30 -55…150
CDSOD323-Txx CDSOD323-TxxC 3,3…24 4…26,7 350 3
CDSOD323-T12C-DSL 12 13
CDSOD323-T24C-DSL 24 26,7

В линейке представлены также специализированные диоды CDSOD323-TxxC-DSL. Это серия двунаправленных диодов, состоящая всего из двух позиций – на 12 и 24 В – предназначенных для защиты линий VDSL, модемов, роутеров. Серия характеризуется малой емкостью (3 пФ) и очень малым током утечки (1 нА).

Серия CDSOT23

Дальнейшая миниатюризация современной аппаратуры явилась причиной размещения защитных диодов в другом популярном типе корпуса – SOT-23. Согласно стандарту JEDEC, данный корпус может иметь модификации на 3, 5, 6 и 8 выводов, что позволяет использовать его для широкого круга задач. Компания Bourns выпускает линейку сборок TVS-диодов в корпусах SOT-23 различной конфигурации и различного функционального назначения. Например, сборка CDSOT23-SM712 имеет всего одну модификацию, но позволяет строить схемы защиты на напряжение 7 или 12 В за счет использования несимметричных супрессоров в своей структуре.

Схема и внешний вид сборки показаны на рисунке 7.

Рис. 7. Схема и внешний вид CDSOT23-SM712

Характеристики CDSOT23-SM712 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики TVS-диодов CDSOT23-SM712

Параметр Символ Значение
Энергия рассеяния, В Ppk 400
Рабочее напряжение, В Выводы 3-1 и 3-2 Vwm 7
Выводы 1-3 и 2-3 12
Минимальное напряжение срабатывания, В Выводы 3-1 и выводы 3-2 VBR 7,5
Выводы 1-3 и выводы 2-3 13,3
Максимальный ток утечки, мкА Выводы 3-1 и выводы 3-2 ID 20,0
Выводы 1-3 и выводы 2-3 1,1
Максимальная емкость канала на 1 МГц, пФ Выводы 3-1 и выводы 3-2 CD 75
Выводы 1-3 и выводы 2-3
ESD, согласно IEC 61000-4-2, кВ Минимальный контактный разряд ESD ±8
Максимальный контактный разряд ±30
Минимальный воздушный разряд ±15
Максимальный воздушный разряд ±30
Рабочая температура, °С Тopr -55…150

Сборка CDSOT23-SRV05-4 предназначена для защиты четырех линий ввода-вывода или цифрового интерфейса. Содержит в себе диодную схему и один супрессор, который ограничивает выбросы напряжения. За счет низкой емкости (3,5 пФ) может применяться для защиты цепей USB 2.0, Ethernet 10/100/100 Base T, DVI.

Схема и внешний вид CDSOT23-SRV05-4 приведены на рисунке 8.

Рис. 8. Схема и внешний вид CDSOT23-SRV05-4

Характеристики CDSOT23-SRV05-4 приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики TVS-диодов CDSOT23-SRV05-4

Параметр Символ Значение
Пиковый импульсный ток при tp = 8/20 мкс, А IPP 30
Пиковая импульсная мощность при tp = 8/20 мкс, Вт PPP 500
Рабочее напряжение, В VWM 5
Минимальное напряжение срабатывания, В VBR 6
Ток утечки, мкА IL 5
Емкость, пФ Cj(SD) 3,5
ЭСР, согласно IEC 61000-4-2, кВ Контактный разряд ESD 8
Воздушный разряд 15
НИП, согласно IEC 61000-4-4 5/50 мкс, А EFT 40
Рабочая температура, °С Тopr -55…150

В характеристиках сборки CDSOT23-SRV05-4 производитель указывает параметры, относящиеся к защите от наносекундных импульсных помех (НИП), что может быть полезным при проектировании устройств в соответствии со стандартами по электромагнитной совместимости.

Сборка CDSOT236-0504C имеет внутреннюю структуру, аналогичную CDSOT23-SRV05-4, и также предназначена для защиты высокоскоростных портов в соответствии с требованиями ЕСР (согласно IEC 61000-4-2), НИП (согласно IEC 61000-4-4) и МИП (согласно IEC 61000-4-5). Главная особенность данного изделия – низкие значения параллельной и межканальной емкостей. Характеристики CDSOT236-0504C приведены в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики CDSOT236-0504C

Параметр Символ Значение
Пиковый импульсный ток при tp = 8/20 мс, А IPP 5,5
ESD, согласно IEC 61000-4-2, воздушный разряд для выводов I/O, кВ VESD_IO 15,0
ESD, согласно IEC 61000-4-2 контактный разряд для выводов I/O, кВ 8,0
ESD, согласно IEC 61000-4-2 воздушный и контактный разряды для выводов VCC to GND, кВ VESD_VCC 30,0
Максимальное рабочее напряжение, В VRWM 5,0
Минимальное напряжение срабатывания, В VBR 6,0
Максимальный ток утечки VRWM, мкА IL 2,0
Максимальный ток утечки канала VRWM, мкА ICD 1,0
Максимальная емкость канала на 1 МГц, пФ CIN 1,2
Максимальная межканальная емкость на 1 МГц, пФ CCROSS 0,12
Максимальный разброс емкости канала на 1 МГц, пФ ΔCIN 0,05
Рабочая температура, °С Тopr -55…150

 

Серия PTVS

TVS-диоды из серии PTVS (Power TVS) – это сильноточные двунаправленные ограничители напряжения, предназначенные для установки на шины питания постоянного или переменного токов большой мощности. Диоды PTVS ранжируются по мощности и имеют корпуса как для установки в отверстия, так и для поверхностного монтажа, при этом выпускаются всего на два рабочих напряжения: 58 и 76 В. Характеристики диодов серии PTVS приведены в обзорной таблице 6.

Таблица 6. Характеристики PTVS

Наименование Описание Пиковое рабочее напряжение VWM, В Максимальный пиковый ток IPPM, A
PTVS3-xxxC-TH PTVS
(высокотемпературная серия повышенной мощности)
58…76 3000
PTVS6-xxxC-TH 6000
PTVS10-xxxC-TH 10000
PTVS15-xxxC-TH 15000
PTVS3-xxxC-SH 3000
PTVS10-xxxC-SH 10000
PTVS15-xxxC-SH 15000

Линейка PTVS соответствует стандарту Р МЭК 4-5 в части требований по устойчивости к воздействию импульса тока 8/20 мкс.

 

Заключение

Сегодня сложно представить себе серьезное электронное устройство, коммуникационные порты и система питания которого не защищены ограничителями напряжения. TVS-диоды за последние два десятилетия стали обязательными элементами бытовой, промышленной, медицинской, измерительной и прочей аппаратуры.

Компания Bourns предлагает широкую линейку TVS-диодов, – от классических до сверхмощных, – включая диоды и сборки в миниатюрных корпусах, адаптированные под высокоскоростные цифровые линии связи. Продукция компании полностью соответствует стандартам ЭМС. Наиболее популярные артикулы TVS-диодов производства Bourns поддерживаются на складах официального дистрибьютора – компании КОМПЭЛ. С получением статуса официального партнера складская программа КОМПЭЛ по всем продуктам Bourns будет расширяться, что сделает технологические достижения Bourns доступнее для отечественных разработчиков.

 

Литература

  1. В.Колосов, В. Мухтарулин. Устранение недопустимых воздействий на электронную аппаратуру из сетей электропитания. СТА, №2/2001.2. ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008).
  2. ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008)
  3. ГОСТ Р 51317.4.4-2007 (МЭК 61000-4-4:2004).4. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95)
  4. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95)
  5. А.Кадуков. Выбор и применение полупроводниковых TVS-диодов TRANSZORB. КиТ, №3/2001.
  6. CDSOD323-TxxC. Data sheet.
  7. CDSOD323-TxxLC. Data sheet.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

Защита от электрического перенапряжения, способы и компоненты

Что такое электрическое перенапряжение?

«Электрическое перенапряжение» (в англ. терминологии — electrical overstress) — общее понятие, описывающее систему, которая испытывает перегрузку от слишком большого количества электронов (в общем понимании, энергии внешнего воздействия), пытающихся проникнуть в ее схему. Здесь важно помнить, что электрическое перенапряжение представляет собой функцию мощности и времени.

Это дает возможность абстрагировать сложную схему, представив ее как один простой компонент, рассеивающий энергию, — например, резистор. Представьте воздействие напряжения в 1,1 В на резистор 1 Ом с номинальной рабочей мощностью 1 Вт. Уравнение для рассеиваемой мощности

P = V2/R

показывает, что на резисторе при таком воздействии мы имеет 1,21 Вт рассеиваемой мощности. Несмотря на то, что резистор рассчитан на 1 Вт, он, и это вполне вероятно, имеет некоторый заложенный в его конструкцию изготовителем технологический запас, поэтому способен вынести такую перегрузку как минимум в течение некоторого времени. Однако поскольку мы — инженеры, то должны сказать здесь «вероятно», а не «гарантированно».

А что произойдет, если мы увеличим напряжение до 2 В? Сэкономленные на этом резисторе деньги превратят его для вас в своеобразный обогреватель, пусть даже такая перегрузка действует в течение очень ограниченного периода. Напомню, что мощность зависит от квадрата напряжения V2/R, и в данном случае (по сравнению с предыдущим примером) на нашем резисторе будет рассеивается в четыре раза больше мощности!

Ну а что будет, если увеличить напряжение на резисторе до 10 В, но только на время, например на 10 мс? То есть здесь мы имеем дело с импульсом, причем определенной формы, поскольку необходимо учитывать не только его амплитуду, но и скорость нарастания и спада. И вот тут-то все становится интересным. В этом случае уже невозможно просто рассказать об эффектах такого воздействия, не понимая его влияния и того, к чему оно приводит в конкретном приложении. Поняв это, мы сможем применить полученные знания ко всей системе.

 

Что подвержено электрическому перенапряжению?

В общем, все, что имеет внутри ту или иную электронику, подвержено электрическому перенапряжению. Особенно уязвимы те части, которые взаимодействуют с внешним миром, так как они, вероятно, в первую очередь подвергнутся электростатическому разряду (electrostatic discharge, ESD), последствиям от удара молнии и т. д. В этом плане нас интересуют такие системные компоненты, как USB-порты, аналоговые входы осциллографов и даже порт зарядки новейших высокопроизводительных блендеров на основе технологии «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT).

 

Откуда мы знаем, от чего защищаться?

Хотя мы понимаем, что необходимо предохранить систему от электрических перенапряжений, термин «защита» слишком широк, чтобы быть полезным, когда речь идет о принятии решения о том, как именно требуется защитить нашу систему. Вот почему сотрудники МЭК (Международная электротехническая комиссия — международная некоммерческая организация по стандартизации в области электрических, электронных и смежных технологий) и многих других организаций проделали весьма непростую работу, чтобы выяснить, с какими типами электрических перенапряжений мы можем столкнуться в реальной жизни и каковы их параметры, определяющие воздействия. Мы сконцентрируемся на стандартах МЭК, поскольку они охватывают приложения для самого широкого рынка РЭА, а сложность их понимания послужила причиной написания данной статьи.

Рис. 1. Форма разрядного тока испытательного генератора (контактный разряд, испытательное напряжение 8 кВ)

В таблице 1 приведены три базовых стандарта, которые определяют, с какими типами электрических перенапряжений может столкнуться система. И хотя в данной статье подробно будет обсуждаться проблема защиты от разряда статического электричества, мы должны иметь определенное понятие и знания по таким вызывающим перенапряжения воздействиям, как электрические быстрые переходные процессы (electrical fast transient, EFT) и короткие скачки (выбросы) напряжения.

Рис. 2. Электрические быстрые переходные напряжения уровня 4, соответствующие стандарту IEC-61000-4-4 (ГОСТ IEC 61000-4-4-2016)

Таблица 1. Технические стандарты МЭК и их аналоги

Стандарт/

ГОСТ Р

Наименование стандарта

Источник воздействия

Источник воздействия Характеристика воздействия

МЭК

ГОСТ Р

IEC 61000­4­2/

ГОСТ 30804. 4.2­2013

Electromagnetic compatibility (EMC).

Part 4­2: Testing and measurement techniques.

Electrostatic discharge immunity test

Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам.

Требования и методы испытаний (с поправкой)

Электростатический разряд

Одиночное воздействие импульса

очень высокого напряжения,

сверхмалой длительности

IEC 61000­4­4 /

ГОСТ IEC 61000­4­4­2016

Electromagnetic compatibility (EMC).

Part 4­4: Testing and measurement techniques.

Electrical fast transient/burst immunity test, IDT

Электромагнитная совместимость (ЭМС).

Часть 4­4. Методы испытаний и измерений.

Испытание на устойчивость к электрическим

быстрым переходным процессам (пачкам)

Внешние коммутирующие

компоненты (например, броски ЭДС

самоиндукции от двигателей)

Повторяющиеся воздействия

коротких импульсов

высокого напряжения

IEC 61000­4­5/

ГОСТ IEC 61000­4­5­2017

Electromagnetic compatibility (EMC).

Part 4­5: Testing and measurement techniques.

Surge immunity test, IDT

Электромагнитная совместимость (ЭМС).

 Часть 4­5. Методы испытаний и измерений.

Испытание на устойчивость

к выбросу напряжения

Удары молний, переходные процессы

в энергосистеме (например,

от повышающих преобразователей)

Импульсы высокого напряжения,

относительно большой

длительности

Рис. 3. Нормализованный выброс тока (8/20 мкс) согласно IEC-61000-4-5

На рис. 1–3 показаны примеры форм воздействующих импульсов перенапряжения, установленные стандартами, приведенными в таблице 1. А на рис. 4 представлена упрощенная схема испытательного генератора, используемого в соответствии со стандартом IEC‑61000–4­2, и ее практическое применение.

Рис. 4. Упрощенная схема испытательного генератора, используемого в соответствие стандарта IEC-61000-4-2, и ее практическое применение

 

Но разве люди, которые разработали интегральные схемы, уже не защищали чипы от электростатического разряда?

Это вполне законный вопрос, но ответ на него в целом не удовлетворительный: и да и нет. Да, микросхемы разработаны с устойчивостью по отношению к электростатическим разрядам, но в ситуациях, когда они находятся на технологической линии, а не когда они работают в конкретных системах и на них подано рабочее напряжение. Такой момент очень важен, потому что, если на операционный усилитель (ОУ) подается питание, он при воздействии разряда статического электричества может вести себя совершенно иначе, чем если бы он не был подключен к чему-либо. Например, воздействие электростатического разряда на компоненты РЭА без питания может рассеиваться внутренними защитными диодами. Однако подобное воздействие с поданным питанием способно привести к тому, что внутренние структуры ОУ будут проводить больше тока, чем тот, на который они рассчитаны. Это, естественно в зависимости от типа компонента и напряжений питания, может привести к выгоранию его внутреннего содержимого или как минимум входных цепей, от чего вам легче не будет.

 

Как защитить свои микросхемы от этой надвигающейся угрозы?

Как вы понимаете, здесь настолько много вариантов, что простое решение не может быть применено ко всем вероятным ситуациям. Ниже приведен список факторов, которые будут определять, выдержит компонент РЭА событие в виде электрического перенапряжения или нет. Список разделен на две группы: не зависящие от нас факторы, которые мы не можем контролировать, и факторы, которые мы не только можем, но и должны контролировать.

Факторы, которые мы не можем контролировать:

  • Форма испытательного сигнала, определенная МЭК. Все виды воздействий импульса разрядного тока испытательного генератора на проверку устойчивости к электростатическому контактному разряду, представление электрических быстрых переходных процессов (пачек) и импульс при испытании на устойчивость к выбросу напряжения имеют совершенно разные профили, поэтому они будут использовать определенные недостатки устройств, на которые они по­разному воздействуют.
  • Технологический процесс и сама технология рассматриваемого компонента. Некоторые технологии изготовления микросхем более уязвимы для блокировки, чем другие. Например, процессы КМОП (CMOS) наиболее подвержены блокировке, но существуют способы смягчения этой опасности посредством тщательного проектирования и технологии изоляции канавками с диэлектрическим материалом (структура ИС с щелевой изоляцией), используемые во многих современных процессах.
  • Внутренняя структура устройства. Существует так много способов разработки ИС, что схема защиты, пригодная для одной ИС, окажется бесполезной для другой. Например, многие устройства имеют схемы синхронизации, включающие защитные структуры при обнаружении достаточно быстрого сигнала. То есть устройство, которое «выживет» после разряда статического электричества, «погибнет», если вы добавите достаточную емкость к месту воздействия. Этот ответ нелогичен, но его очень важно понять: проблема в том, что общий метод защиты схемы путем использования RC­фильтра может здесь не решить, а лишь усугубить проблему.

Факторы, которые мы можем контролировать:

  • Компоновка элементов и разводка цепей подключения на печатной плате. Чем ближе радиоэлементы окажутся к месту воздействия перенапряжения, тем выше вероятность получения ими сигнала более высокой энергии. Это происходит потому, что, когда воздействующий сигнал (в виде тока или напряжения) распространяется по дорожке печатной платы, его энергия рассеивается в виде электромагнитного излучения по пути его распространения. Кроме того, энергия импульса перенапряжения переходит в тепло, обусловленное сопротивлением пути его распространения, поглощается паразитными емкостями, а часть энергии импульса через емкостную и индуктивную связь попадает на соседние проводники.
  • Схема защиты. Именно здесь мы можем оказать наиболее существенное влияние на обеспечение живучести нашего конечного устройства.

Понимание того, как максимально эффективно разработать схему защиты, даст нам вышеперечисленное — именно то, что мы не можем контролировать.

 

У вас уже есть такие классные функции, как защита от перенапряжения (overvoltage protection, OVP) и OTT. Каким образом использовать их для защиты от переходных процессов высокого напряжения?

Что можно ответить на это? Нет, нет и нет! Никогда так не делайте. Это глупая идея. Функции OVP и OTT (операционные усилители типа Over-The-Top имеют топологию входных каскадов, позволяющую им при замкнутой обратной связи работать с напряжениями, намного превышающими напряжение положительной шины питания) действительно позволяют входам такого компонента пережить напряжения, выходящие за пределы напряжений питания, с нулевой вероятностью повреждения. Полагаться на эти функции для защиты от переходных напряжений высокого напряжения — все равно что надеяться на резиновые сапоги при воздействии струи воды от мойки высокого давления Karcher. Резиновые сапоги предназначены для луж, которые меньше их высоты, так же как OVP и даже OTT пригодны лишь для напряжений ниже номинальных значений. Номинальное напряжение таких защитных решений составляет порядка максимум десятков вольт выше номинального напряжения шины питания, но они не помогут вам устоять против удара уровнем 8000 В.

 

Как узнать, какая схема защиты будет реально работать?

Мы можем получить разумное представление о том, какими будут оптимальные варианты и компоненты защиты для использования в вашей системе, только используя комбинацию теоретических знаний, опыта (часто горького) и тестирования устройств. Для обеспечения должной управляемости процесса защиты от перенапряжений существует огромный, предлагаемый разными производителями перечень компонентов защиты. Но чтобы не превратить информационную статью в многотомное руководство, в ней будет рассказано только о двух схемах защиты цепей, доказавших свою эффективность в защите аналогового входного каскада. Основой будет устройство, которое использует для внешней связи буферный каскад на основе операционного усилителя (ОУ) в неинвертирующей конфигурации. Мы выбрали этот вариант, поскольку считается, что он самый сложный, ведь неинвертирующий вход ОУ принимает на себя весь удар импульса перенапряжения без каких-либо естественных ограничений, разумеется, до установки элементов защиты (рис. 4).

 

Схема защиты на основе RC-звена

Простейший из вариантов защиты — использование обычного RC-звена. Схема такой защиты применительно к буферному ОУ представлена на рис. 5, а его преимущества и недостатки сведены в таблице 2.

Таблица 2. Преимущества и недостатки защиты аналогового входного каскада путем использования RC­-звена

Преимущества

Недостатки

Дешевизна

(затраты примерно 5 центов)

R1 генерирует тепловые шумы

Малая занимаемая площадь на печатной плате

RC­-цепь ограничивает

скорость приема данных

Малый ток утечки

Необходимость тщательного выбора конденсатора

 

Недостаточная устойчивость к повторяющимся воздействиям

Соображения по выбору элементов защиты:

  • Резистор R1 должен быть устойчивым к импульсным воздействиям, то есть толстопленочным резистором, — это необходимо, чтобы он не мог быстро выйти из строя при переходных процессах высокого напряжения.
  • Шум напряжения, генерируемый резистором R1, пропорционален квадратному корню из сопротивления резистора — это важный фактор, который следует учитывать, если система должна иметь низкий уровень шума.
  • Конденсатор C1 должен быть керамическим, типоразмера не менее 0805, это требуется, чтобы избежать его механической деформации при воздействии импульса перенапряжения и, соответственно, его растрескивания или полного механического разрушения.
  • Конденсатор C1 должен быть выполнен как минимум из диэлектрика X5R (в идеале C0G/NP0), так как для поддержания предсказуемой емкости важен низкий температурный коэффициент емкости.
  • Конденсатор C1 должен иметь как можно меньшие эквивалентные последовательные индуктивность (equivalent series inductance, ESL) и сопротивление (equivalent series resistance, ESR), чтобы он мог эффективно поглощать импульс воздействия.
  • Конденсатор С1 в выбранном варианте исполнения корпуса должен иметь как можно более высокое номинальное рабочее напряжение (минимум 100 В).
  • Конденсатор C1 включен перед резистором R1, потому что он создает емкостный делитель с конденсатором 150 пФ (рис. 5), который разряжает сигнал генератора ESD в нашу систему, а задача конденсатора C1 — поглотить эту энергию или ее большую часть.

Рис. 5. Защита входа с помощью фильтра нижних частот на аналоговом входе

Хотя данный метод защиты аналоговых входных каскадов не одобрен производителями конденсаторов, он продемонстрировал свою эффективность в течение сотен испытаний усилителей. Однако профиль тестирования на устойчивость к контактному разряду статического электричества (показанный на рис. 1) был испытан только на ограниченном ряде конденсаторов (табл. 4), поэтому, если используются конденсаторы других типов, крайне важно уточнить, как они справляются с воздействиями импульсов перенапряжения, например, путем измерения емкости и последовательного сопротивления до и после воздействия. После снятия импульса перенапряжения конденсатор должен сохранять свою емкость и не иметь критических токов утечки для напряжения постоянного тока.

 

Схема защиты с использованием TVS-диодов

Схема защиты аналоговых входных каскадов на основе TVS-диодов (Transient-voltage­suppression diode), специально разработанных для подавления переходных напряжений, считается еще одним эффективным и часто используемым решением. Схема простейшего варианта такого решения представлена на рис. 6, а его преимущества и недостатки сведены в таблице 3.

Таблица 3. Преимущества и недостатки защиты аналогового входного каскада путем использования TVS-­диодов

Преимущества

Недостатки

Не очень дорогой

(затраты 20–30 центов)

R1 генерирует тепловые шумы

Малая занимаемая площадь на печатной плате

D1 имеет ток утечки

Высокая устойчивость

D1 имеет собственную

емкость 5–300 пФ

Соображения по выбору:

  • Аналогично защите на основе RC­-цепи резистор R1 должен выдерживать импульсы напряжения, может потребоваться учитывать генерируемые им шумы.
  • Диод D1 должен быть специфицирован для стандартов, соблюдение которых должно стать обязательным. В одних случаях от него может требоваться только зашита от электростатического контактного разряда, а в других случаях — защита от электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивость к выбросам напряжения.
  • Диод D1 должен быть двунаправленным, чтобы блокировать как положительные, так и отрицательные импульсы перенапряжения.
  • Ограничивающее рабочее напряжение диода D1 должно быть выбрано как можно более высоким, но следует проверить его достаточность, выполнив необходимые испытания. Слишком низкое рабочее напряжение диода способно привести к появлению тока утечки при нормальных уровнях напряжения системы. Слишком высокое рабочее напряжение может не позволить ему среагировать на импульс перенапряжения, и система будет повреждена.

Рис. 6. Защита входа аналогового входного каскада с помощью TVS-диода

 

Но я слышал, что TVS-диоды имеют высокий ток утечки, который ухудшит производительность моей системы

В области аналоговой электроники бытует общепринятое мнение, что TVS-диоды имеют весьма высокие токи утечки и, следовательно, не могут использоваться в прецизионных аналоговых входных каскадах. Это утверждение не обязательно ошибочно. Действительно, многие спецификации на TVS-диоды показывают ток утечки, не превышающий 100 мкА, но это значение является довольно высоким для большинства аналоговых входных каскадов. Проблема здесь заключается в том, что ток утечки берется при максимальном рабочем напряжении и при максимальной температуре (+150 °C). В этом случае диод будет иметь высокий ток утечки. Все TVS-диоды в силу своей природы начинают увеличивать ток утечки при температурах, превышающих +85 °C. Так что если вы выбираете TVS-диод с оптимально высоким рабочим напряжением и не планируете использовать ваш конечный продукт на температурах, значительно превышающих +85 °C, то в реальности можно ожидать гораздо меньших, некритических токов утечки.

Вы можете удивиться, увидев, насколько незначительным будет ток утечки, связанный с TVS-диодом, если вы правильно его выберете. На рис. 7 показаны данные измерения утечки 12 TVS-диодов одного типа.

Рис. 7. Ток утечка 36-В двунаправленных диодов TVS-диодов T36SC компании Bournes с использованием оценочной платы ADA4530 с экранированием и резистором номиналом 10 ГОм при температуре 25 °C

Из двенадцати измеренных TVS-диодов при смещении постоянного тока 5 В у наихудшего из них был ток утечки 7 пА. Это более чем в 10 млн раз лучше, нежели при наихудшем сценарии согласно спецификации. Естественно, здесь с точки зрения токов утечки имеются различия от партии к партии диодов, но это должно по крайней мере иллюстрировать порядок того, чего можно ожидать. Если наша система не будет эксплуатироваться при температурах выше +85 °C, то TVS-диоды могут оказаться весьма неплохим вариантом. Просто не забудьте проверить ток утечки, если выбираете другие продукты, а не те, которые были специально здесь протестированы. То, что может быть правдой для одного типа радиоэлемента или производителя, не всегда соответствует действительности для других.

 

Результаты тестирования

Для получения результатов по эффективности защиты была протестирована серия операционных усилителей с использованием стандарта МЭК (IEC‑61000–4-2) в части требований по устойчивости к электростатическим разрядам. В таблице 4 показано, какие компоненты предохраняют те или иные схемы защиты. Несмотря на то, что стандарт предусматривает испытания тремя воздействиями импульса перенапряжения уровнем ±8 кВ, все представленные схемы (чтобы обеспечить достаточный технологический запас по степени защиты) прошли тестирование при 100 импульсах воздействия уровнем ±9 кВ.

Таблица 4. Список устройств и соответствующих им конфигураций защиты, которые прошли испытания на соответствие стандарту IEC-­61000­-4-­2

Наименование

продукта

Основная характеристика, полоса пропускания

Элементы защиты

R, Ом

C, пФ

D, V_WM

AD823

С входным каскадом на полевых транзисторах

220

100

 

16 МГц

68

 

36

ADA4077

Малошумящий, рецизионный

220

100

 

3,9 МГц

68

 

36

ADA4084

Low noise

220

100

 

15,9 МГц

68

 

36

ADA4522

Малошумящий, рецизионный

220

100

 

2,7 МГц

68

 

36

ADA4528

Малошумящий, рецизионный

220

100

 

3 МГц

68

 

36

ADA4610

Малошумящий, рецизионный

220

100

 

15,4 МГц

68

 

36

ADA4622

Малошумящий, рецизионный

220

100

 

8 МГц

68

 

36

ADA4625

Low noise, JFET

220

100

 

18 МГц

68

 

36

ADA4661

Прецизионный

220

100

 

4 МГц

68

 

36

LT1490

Микромощный

220

100

 

200 кГц

68

 

36

LT6016

Маломощный, прецизионный, OTT

220

100

 

3,2 МГц

68

 

36

LT6018

Малошумящий, прецизионный

220

100

 

15 МГц

68

 

36

LT1636

Микромощный, OTT

220

100

 

200 кГц

220

 

36

LT1638

Микромощный, OTT

220

100

 

1,1 МГц

68

 

36

LT1494

Микромощный, прецизионный, OTT

220

100

 

100 Гц

68

 

36

Согласно стандарту МЭК, требуется, чтобы заземление генератора испытательного импульса было подключено к заземлению усилителя через два резистора номиналом 470 кОм параллельно с конденсатором емкостью 30 пФ. Используемая тестовая установка выполнена более жесткой, потом

Защита от перенапряжения сети для дома (220 и 380 вольт)

В современных бытовых приборах используется чувствительная электроника, что делает эти устройства уязвимыми перед перепадами напряжения. Поскольку устранить их не представляется возможным, необходима надежная защита. К сожалению, ее организация не входит в сферу обязанностей службы ЖКХ, поэтому заниматься этим вопросом приходится самостоятельно. Благо защитные устройства приобрести сегодня не проблема. Прежде чем перейти к описанию и принципу действия таких приборов, кратко расскажем о причинах, вызывающих скачки напряжения, и их последствиях.

Что такое перепад напряжения и его природа?

Под этим термином подразумевается краткосрочное изменение амплитуды напряжения электросети, с последующим восстановлением, близким к первоначальному уровню. Как правило, длительность такого импульса исчисляется я миллисекундами. Существует несколько причин для его возникновения:

  1. Атмосферные явления в виде грозовых разрядов, они способны вызвать перенапряжение в несколько киловольт, что не только гарантированно выведет электроприборы из строя, а и может стать причиной пожара. В данном случае жителям многоэтажек проще, поскольку организация защиты от таких предсказуемых явлений входит в обязанности поставщиков электричества. Что касается частных домов (особенно с воздушным вводом), то их жильцы должны самостоятельно заниматься этим вопросом или обращаться к специалистам.
  2. Скачки при коммутационных процессах, когда происходит подключение-отключение мощных потребителей.
  3. Электростатическая индукция.
  4. Подключение определенного оборудования (сварка, коллекторный электродвигатель и т.д.).

На рисунке ниже наглядно продемонстрирована величина грозового (Uгр) и коммутационного импульса (Uк) по отношению к номинальному напряжению сети (Uн).

Грозовой и коммутационный импульсы перенапряжения

Для полноты картины следует упомянуть и о долгосрочном повышении и понижении напряжения. Причиной первого является авария на линии, в результате которой происходит обрыв нулевого провода, что вызывает повышение до 380 вольт. Нормализовать ситуации никакими приборами не получится, потребуется ждать устранения аварии.

Длительное снижение напряжения можно часто наблюдать в сельской местности или дачных поселках. Это связано с недостаточной мощностью трансформатора на подстанции.

В чем заключается опасность перепадов?

В соответствии с допустимыми нормами, допускается отклонение от номинала в диапазоне от -10% до +10%. При скачках напряжение может существенно выйти за установленные границы. В результате блоки питания бытовой техники подвергаются перегрузке и могут выйти из строя или существенно сократить свой ресурс. При высоких или длительных перепадах велика вероятность возгорания проводки, и, как следствие, пожара.

Пониженное напряжение также грозит неприятностями, особенно к этому критичны компрессоры холодильных установок, а также многие импульсные блоки питания.

Защитные устройства

Существует несколько видов защитных устройств различающихся как по функциональности, так и по стоимости, одни из них обеспечивают защиту только одному бытовому прибору, другие – всем имеющимся в доме. Перечислим хорошо зарекомендовавшие себя и наиболее распространенные защитные устройства.

https://www.youtube.com/watch?v=e86nhzDoncM

Сетевой фильтр

Наиболее простой и доступный по деньгам вариант защиты маломощного бытового оборудования. Отлично зарекомендовал себя при бросках до 400-450 вольт. На более высокие импульсы устройство не рассчитано (в лучшем случае оно примет удар на себя, спасая дорогостоящую аппаратуру).

Фильтр удлинитель Swen Fort Pro

Основной элемент защиты у такого устройства – варистор (полупроводниковый элемент изменяющий сопротивление в зависимости от приложенного напряжения). Именно он выходит из строя при импульсе более 450 В. Вторая важная функция фильтра – защита от высокочастотных помех (возникают при работе электродвигателя, сварки и т.д.) отрицательно влияющих на электронику. Третьим элементом защиты является плавкий предохранитель, срабатывающий при КЗ.

Не следует путать фильтры с обычными удлинителями, которые не обладают защитными функциями, но похожи по внешнему виду. Чтобы различить их достаточно посмотреть паспорт изделия, где приведены полные характеристики. Отсутствие такового должно само по себе вызывать подозрение.

Стабилизатор

В отличие от предыдущего типа приборы этого класса позволяют нормализовать напряжение в соответствии с номинальным. Например, установив границу в пределах 110-250 В, на выходе устройства будет стабильные 220 В. Если напряжение выйдет за пределы допустимого, прибор отключит питание и возобновит его подачу после нормализации работы электросети.

Стабилизатор EDR-1000 от производителя Luxeon

В некоторых случаях (например, в сельской местности) установка стабилизатора является единственным способом повысить напряжение до необходимой нормы. Бытовые стабилизаторы выпускают двух модификаций:

  • Линейные. Они предназначены для подключения одного или нескольких бытовых приборов.
  • Магистральные, устанавливаются на входе электросети здания или квартиры.

И первые, и вторые следует подбирать исходя из мощности нагрузки.

Источники бесперебойного питания

Основное отличие от предыдущего типа является возможность продолжения подачи питания подключенного устройства после срабатывания защиты или полного отключения электричества. Время работы в таком режиме напрямую зависит от емкости аккумуляторной батареи и мощности нагрузки.

Бесперебойный блок питания APC, модель SC-420

В быту эти устройства в основном используются для подключения стационарных компьютеров, чтобы при проблемах с электросетью не потерять данные. При срабатывании защиты ИБП будет продолжать подачу питания в течение определенного времени, как правило, не более получаса (зависит характеристик устройства). Этого времени вполне достаточно, чтобы сохранить необходимые данные и корректно отключить компьютер.

Современные модели ИБП могут самостоятельно управлять работой компьютера через USB интерфейс, например, закрыть текстовый редактор (предварительно сохранив открытые документы), после чего произвести отключение. Это довольно полезная функция, если пользователь при срабатывании защиты не находился рядом.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений

Все перечисленные выше приборы обладают общим недостатком, у них не реализована действенная защита от импульса высокого напряжения. Если таковой произойдет, он, практически гарантированно выведет такие устройства из строя. Следовательно, защита должна быть организована таким образом, чтобы после срабатывания можно было оперативно привести ее в рабочее состояние. Этому требованию, как нельзя лучше отвечают УЗИП. На их основе организуется многоуровневая система защиты внутренних линий частного дома.

Одна из принятых классификаций таких устройств показана в таблице.

Таблица 1. Классификация УЗИП

Категория Применение
В (I) Обеспечивают защиту при прямом попадании грозового разряда по системе молниезащиты. Место установки – вводно-распределительное устройство или главный распределительный щит. Основная нормирующая характеристика – величина импульсного тока.
С (II) Защищают токораспределительную сеть от коммутационных импульсов, а также играют роль второго защитного уровня при грозовом разряде. Место установки – распределительный щит.
D (III) Обеспечивают последний уровень защиты, при которой к потребителям не допускаются остаточные броски напряжения и дифференциальные перенапряжения. Помимо этого обеспечивается фильтрация высокочастотных помех. Установка производится перед потребителем. Могут быть выполнены в виде модуля под розетку, удлинителя и т.д.

Пример организации трехуровневой защиты продемонстрирован ниже.

Организация трехуровневой защиты от перенапряжения

Конструктивные особенности УЗИП.

Устройство представляет собой платформу (С на рис. 6) со сменным модулем (В), внутри которого находятся варисторы. При их выходе из строя индикатор (А) изменит цвет (в приведенной на рисунке модели на красный).

УЗИП Finder (категория II)

Внешне устройство напоминает автоматический выключатель, крепление – такое же (под DIN рейку).

Особенностью УЗИП является необходимость замены модулей при выходе варисторов из строя (что довольно просто). Конструкция модулей выполнена таким образом, что установить их на платформу с другим номиналом невозможно. Единственный серьезный недостаток связан с характерными особенностями варисторов. Им необходимо время, чтобы остыть, многократное попадание грозового разряда существенно усложняет этот процесс.

Защитное реле

В завершении рассмотрим реле контроля напряжения (РКН), эти устройства способны обеспечить защиту бытовых приборов от коммутационных импульсов, перекоса фаз, а также пониженного напряжения. С грозовыми импульсами они не справятся, поскольку на это не рассчитаны. Их сфера применения – защита внутренней сети квартиры, то есть там, где обеспечение грозозащиты входит в обязанности электрокомпаний.

Приборы могут устанавливаться во входном щитке, непосредственно, после электросчетчика, для этого предусмотрено крепление под DIN рейку.

РКН можно подключать после счетчика

Помимо этого выпускаются модификации приборов в виде удлинителей питания и модулей под розетку.

РКН в виде удлинителя и розеточного модуля

Данные устройства могут произвести только защитное отключение сети, при выходе напряжения за указанные пределы (устанавливается кнопками управления), после нормализации электросети производится ее подключение. Стабилизация и фильтрация не производятся.
https://www.youtube.com/watch?v=AyTLz6G9Ul8

Предостережения

Не следует доверять защиту своего дома самодельным конструкциям, в бытовых условиях бывает проблематично настроить собранную схему и протестировать ее работу в критических режимах.

Не имея практического опыта в организации грозозащиты, не стоит пытаться реализовать ее самостоятельно, эту работу лучше доверить профессионалам. Рекомендуем рассматривать эту часть статьи как информационную.

Все манипуляции с электрощитом, приборами и проводкой необходимо проводить только при отключенном электропитании.

Список использованной литературы

  • Буткевич Г. В. «Дуговые процессы при коммутации электрических цепей» 1973
  • Д. В. Разевига «Техника высоких напряжений» 1976
  • Родштейн Л. А. «Электрические аппараты» 1981
  • Халилов Ф. Х., Евдокунин Г. А., Поляков B.C., Подпоркин Г. В., Таджибаев А. И. «Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений» 2002
  • Дмитриев М. В. «Применение ОПН в электрических сетях 6-750 кВ» 2007

Защита электрооборудования от импульсных перенапряжений

Перенапряжением, в том числе импульсным перенапряжением, называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети.

К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения, вызванные грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные перенапряжения можно выделить в отдельную группу.

Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.

Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания, громоотвод или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до 1 мС.

При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Харакер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.
Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.
Пример природы возникновения помех

Например, при отключении разделительного трансформатора мощностью 1кВА 220/220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.

Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.

Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.

Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.

Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.

Таким образом, если сравнить два устройства с максимальным импульсным током разряда 20 кА при 10/350 мкс и 20 кА при импульсе 8/20 мкс у второго, то реальная «мощность» первого примерно в 20 раз больше.

Существует четыре основных типа устройств защиты от импульсных перенапряжений:
Разрядник.
Представляет собой устройство из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю.
По исполнению разрядники делятся на: воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.), кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты высокочастотных устройств до нескольких ГГц.

При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем, эти правила сводятся к схеме установки представленной на рис. 1
.
Рисунок 1 – Схема установки разрядников.

Силовое напряжение срабатывания в для разрядников составляет 1,5 – 4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания порядка 100 нс. Максимальный ток при разряде для различных исполнений от 45 до 60 кА при длительности импульса 10/350 мкс. Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в щиты, так и в виде модуля для установки на DIN-рейку.
Отдельную группу составляют разрядники в виде элементов для установки на платы с токами разряда от 1 до 20 кА (8/20 мкс).

Варистор.
Керамический элемент, у которого резко падает сопротивление при превышении определенного напряжения.
Напряжение срабатывания 470 – 560 В (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания менее 25 нс.
Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.

Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в радиоаппаратуру, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.

Разделительный трансформатор.
Силовой 50 герцовый трансформатор с раздельными обмотками и равными входным и выходным напряжениями.
Трансформатор просто не способен передать столь короткий высоковольтный импульс во вторичную обмотку и благодаря этому свойству является, в некоторой степени, идеальной защитой от импульсных перенапряжений. Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки, и трансформатор выходит из строя.

Защитный диод.
Применяется, как правило, для защиты аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.

Из четырех выше описанных устройств каждое имеет свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор. Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.

Разделительный трансформатор, при определенных условиях, имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсных перенапряжений (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).
Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.

Одной из серьезных проблем в процессе организации защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).

В настоящее время существуют следующие нормативные документы, которые в той или иной мере рассматривают вопросы защиты электропитающих установок от импульсных перенапряжений:

  • Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87).
  • Временные указаниях по применению УЗО в электроустановках зданий (Письмо Госэнергонадзора России от 29.04.97 № 42-6/9-ЭТ разд.6, п. 6.3).
  • ПУЭ (7-е изд., п. 7.1.22)
  • ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000.
Ниже представлены типовые схемы защиты от импульсных перенапряжений. Как правило, это комбинация различных устройств защиты реализующих концепцию зонной защиты широко распространенную за рубежом.

Основные ее положения приведены в стандартах IEC-1024-1 (1990-03) «Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы» и IEC-1312-1 (1995-02) «Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Общие принципы».
Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий молниезащите (защите от перенапряжений), разбивается на три условных зоны. Предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений от зоны 0 к зоне 1 и далее к зоне 2, в которой устанавливается оборудование. Границей зоны 0 и зоны 1 служит внешний контур заземления и стены здания.
Для систем электропитания границей этих зон является ГРЩ здания. Границей зон 1 и 2, как правило, является токораспределительный щит.

Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы защитных устройств приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) «Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания».

В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи устройства защиты от перенапряжений делятся на следующие классы — A, B, C, и D.

Класс Назначение защитного устройства Место установки Основные требования, предъявляемые к устройству Импульсный ток, пропускаемый устройством при срабатывании
В Для защиты от прямых ударов молнии в здание, мачту, ЛЭП. (Категория перенапряжения IV) На вводе в здание (во вводном щите) или в главном распределительном щите. – Защита от импульсных перенапряжений с большой энергией (прямых ударов молний, мощных бросков напряжений в режимах короткого замыкания).
– Требуется защита от прямого прикосновения.
– Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.
В соответствии с требованиями
— E DIN VDE 0675-6/А1/ 03-96 (таблица 4)
(при импульсе10/350 мкС Iimp = 0,5 — 50 кА)
— IEC 1643 — 1 (37A/44/CDV:1996-03)
C Для защиты электросети от коммутационных помех, как вторая ступень защиты при ударе молнии. (Категория перенапряжения III) Распределительные щиты. – Защита от синфазных перенапряжений (между фазой и землей, нейтралью и землей).
– Требуется защита от прямого прикосновения.
– Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.
В соответствии с требованиями:
— E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 5 кА)
— IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03)
D Для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, фильтрация помех (Категория перенапряжения II) Розетки, оконечные защитные устройства (фильтры и т.п.) – Защита от дифференциальных перенапряжений (между фазой и нейтралью).
– Требуется защита от прямого прикосновения.
– Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.
В соответствии с требованиями:
— E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 1,5 кА)
— IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03)
Основой любой системы защиты являются системы заземления и выравнивания потенциалов внутри здания, поэтому любые мероприятия по защите должны начинаться с проверки этих систем.

Обязателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками.
Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для защиты от поражения электрическим током обслуживающего персонала и повышения противопожарной безопасности объекта (возможно применение устройств УЗО).

Типовая схема установки защитных элементов зонной защиты представлена на рисунке 2.

Защитные устройства класса В, газовые или воздушные разрядники с током разряда от 45 до 60 кА (10/350 мкс), устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, в ГРЩ или же в специальном боксе). Защитные устройства класса С в виде мощных варисторных модулей с токами разряда порядка 40 кА (8/20 мкс) – на других подраспределительных щитах. Защита класса D, варисторные модули с током разряда 6 – 8 кА или всевозможные фильтры со встроенной варисторной защитой, устанавливается непосредственно возле потребителя.

Защита класса В должна устанавливаться обязательно на объектах имеющих воздушный ввод и соответственно чья сеть может быть подвержена грозовому разряду.
В случае подземного кабельного ввода достаточна установка защит класса С и D.

Приведенные цифры по токам для защит по данной схеме существенно превышают требования норматива, однако разумное усиление всех рубежей защиты дает гарантию многолетней безаварийной работы элементов и обеспечивает существенно меньшие остаточные напряжения.

Установка разрядника в первой ступени защиты между нулевым рабочим (N) и нулевым защитным (PE) проводниками необязательна, так как защитные устройства расположены непосредственно возле точки разделения PEN проводника на N и PE проводники. Во второй ступени защиты между N и PE проводниками устанавливаться ограничитель перенапряжения, так как при удалении от точки разделения PE-N проводника и увеличении длины электрических кабелей индуктивность и, соответственно, индуктивное сопротивление жил кабелей току разряда молнии резко возрастает. В результате этого возможно возникновение разности потенциалов между элементами оборудования, подключенного к N и PE проводникам.

Так же при установке защитных устройств очень важно, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 7–10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования необходимо для правильной работы защитных устройств.
В момент возникновения в силовом кабеле импульсного перенапряжения, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля, обеспечивается необходимая временная задержка в росте импульса перенапряжения на следующей ступени защиты, что позволяет обеспечить поочерёдное срабатывание ограничителей перенапряжения от более мощных к менее мощным. В случае необходимости размещения защитных устройств на более близком расстоянии или рядом (в одном щите) необходимо использовать искусственную линию задержки в виде дросселя с номинальным током сети.

Подключение устройств защиты к РЕ рекомендуется делать отдельным проводником и сводить шине выравнивания потенциала (ШВП). Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала в результате срабатывания устройств защиты от импульсного перенапряжения.

В случае применения устройств УЗО, ограничители перенапряжений классов В и С необходимо размещать на линейной стороне УЗО, чтобы токи разряда и токи утечки, протекающие через них на РЕ проводник, не вызывали срабатывания УЗО. К тому же в случае установки ограничителей перенапряжения классов В и С на сторону нагрузки УЗО, последнее может быть выведено из строя током разряда молнии, что недопустимо с точки зрения обеспечения электробезопасности. Ограничители перенапряжений класса D можно устанавливать после УЗО на стороне нагрузки для защиты оборудования от дифференциальных перенапряжений между фазным проводником L и нейтралью N. В этом случае импульсные токи разряда будут протекать между L и N проводниками, не отводясь на защитный РЕ проводник.

При данной схеме средняя точка двух варисторов подключается к РЕ проводнику через разрядник, который не позволит токам утечки варисторов вызвать ложное срабатывание УЗО. В данной схеме необходимо применение УЗО типа S с временной задержкой срабатывания. Однако следует отметить, что вопрос применения УЗО на объектах, где необходимо обеспечение электропитания по первой категории, на данный момент времени остается не решенным. ПУЭ издание 7-е 1999 года предусматривает применение УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий. Документы, определяющие область применения УЗО в электрических сетях промышленных предприятий, в настоящее время отсутствуют.

Наличие предохранителей F2 – F4 и F5 – F7 является обязательным, в случае если номинал предохранителей F1 превышает значение, указанное в паспорте на данный тип защиты.
Например для разрядников FLT – PLUS CTRL 1.5 это 250 А., т.е. если линейный предохранитель F1 400 А, то F4 – F6 не более 250 А , а для варисторного модуля PIV 230 это значение составляет 160 А. Однако в случае аварии защитных устройств существует вероятность потери питания в сети.
Во многих случаях для обеспечения непрерывности питания устанавливаются защитные автоматы (F2 – F4 и F5 – F6) с номиналом тока меньше линейного автомата защиты. В этом случае возникает необходимость дополнительного контроля за состоянием устройств защиты и в первую очередь варисторных блоков.

При соблюдении всех правил установки зонной защиты срок службы защитных элементов составляет в среднем 15 – 17 лет.

Типовая схема защиты ЛВС
В данной схеме защиты потребители делятся на две группы.
Потребитель первой категории – сервера, бухгалтерия, связь и тд – те, для которых потеря питания приводит к серьезным экономическим последствиям.

Источник бесперебойного питания желательно типа on – line так, как при необходимости он обеспечит стабилизацию напряжения и имеет надежность существенно выше, чем ИБП типа оff – line.

Защита от перенапряжения на входе операционного усилителя

Метод защиты от перенапряжения Условия перенапряжения могут быть вызваны рядом различных ситуаций. Рассмотрим систему, в которой удаленный датчик расположен в поле — например, он измеряет поток жидкости на нефтеперерабатывающем заводе и отправляет свой сигнал по кабелю на электронику сбора данных, которая находится в другом физическом месте. Первым каскадом в сигнальном тракте электроники сбора данных часто может быть операционный усилитель, сконфигурированный как буфер или усилитель усиления.Вход этого операционного усилителя подвергается воздействию внешнего мира и, следовательно, может быть подвержен инцидентам перенапряжения, например, короткому замыканию из-за поврежденного кабеля или неправильному подключению кабеля к электронике сбора данных.

Точно так же ситуация, которая может вызвать состояние перенапряжения, — это когда входной сигнал, который обычно находится в пределах диапазона входного напряжения усилителя, внезапно получает внешний стимул, вызывающий переходный всплеск, который превышает напряжение питания операционного усилителя.

Третий сценарий, который может привести к состоянию перенапряжения на входе, связан с последовательностью включения операционного усилителя и других компонентов на пути прохождения сигнала. Например, если источник сигнала, такой как датчик, получает питание до того, как это сделает операционный усилитель, выход источника может начать выдавать напряжение, которое затем будет подаваться на вход операционного усилителя, даже если операционный усилитель контакты питания еще не имеют питания и по существу находятся на земле. Это создаст ситуацию перенапряжения и, вероятно, вызовет чрезмерный ток через вход операционного усилителя на землю (выводы питания без питания).

Зажим: классический метод защиты от перенапряжения

Очень популярный способ добавления OVP показан на рисунке 1. Когда амплитуда входного сигнала (V IN ) превышает одно из напряжений питания плюс прямое напряжение диода, диод (D OVPP или D OVPN ) будет направлять смещение и направлять ток на шины питания, а не на входы операционного усилителя, где избыточный ток может повредить операционный усилитель. В этом приложении мы используем ADA4077, операционный усилитель чрезвычайно высокой точности с максимальным диапазоном питания 30 В (или ± 15 В).

Ограничивающие диоды представляют собой диоды Шоттки 1N5177, поскольку они имеют прямое напряжение приблизительно 0,4 В, что меньше прямого напряжения входных диодов защиты от электростатического разряда (ESD) операционного усилителя; таким образом, ограничивающие диоды начнут проводить ток раньше, чем диоды ESD. Резистор защиты от перенапряжения R OVP ограничивает прямой ток через ограничивающие диоды, чтобы поддерживать их на уровне ниже максимального номинального тока, предотвращая их повреждение чрезмерным током.Резистор R FB в контуре обратной связи присутствует, потому что любой входной ток смещения на неинвертирующем входе может вызвать ошибку входного напряжения на R OVP — добавление R FB аннулирует ошибку, генерируя аналогичное напряжение на инвертирующий вход.

Рисунок 1. Классическая схема зажима для защиты от перенапряжения.

Компромисс схемы зажима диода — снижение точности

Хотя классическая схема на Рисунке 1 защищает входы операционного усилителя, она вносит значительную ошибку в тракт прохождения сигнала.Прецизионные усилители обычно имеют входное напряжение смещения (V OS ) в диапазоне микровольт. Например, максимальное напряжение V OS для ADA4077 составляет 35 мкВ во всем диапазоне рабочих температур от –40 ° C до + 125 ° C. Добавление внешних диодов и резистора перенапряжения приводит к ошибке смещения входа, которая может быть во много раз больше, чем низкое смещение, присущее прецизионному операционному усилителю.

Диоды с обратным смещением демонстрируют обратный ток утечки, который течет от катода через анод к источнику питания.Когда напряжение входного сигнала (V IN ) находится между шинами питания, диоды D OVPP и D OVPN имеют на себе обратное напряжение. При V IN на земле (середина диапазона входного напряжения) обратный ток через D OVPN примерно равен обратному току утечки через D OVPP . Однако, когда V CM движется над или под землей, через один диод протекает больший обратный ток, чем через другой. Например, когда V CM находится в верхней части диапазона входного напряжения операционного усилителя, который составляет 2 В от положительного источника питания или 13 В в этой цепи, диод D OVPN будет иметь обратное напряжение 28 В. .Согласно паспорту диода 1N5177, это может вызвать обратный ток утечки, близкий к 100 нА. Поскольку ток обратной утечки течет от входного сигнала (V IN ) через R OVP , он создает падение напряжения на R OVP , которое выглядит точно как увеличенное входное напряжение смещения на пути прохождения сигнала.

Дополнительную озабоченность вызывает то, что ток обратной утечки диода экспоненциально возрастает с повышением температуры, вызывая увеличение штрафа напряжения смещения цепи ограничения O VP .В качестве основы для сравнения точности операционного усилителя без внешней схемы защиты от перенапряжения на рисунке 2 показано измеренное напряжение смещения ADA4077 в диапазоне входного напряжения от -13 В до +13 В. Измерения проводились при трех температурах: 25 ° C. , 85 ° С и 125 ° С. Обратите внимание, что при 25 ° C V OS ADA4077, используемого в этом тесте, достигал только 6 мкВ; даже при 125 ° C напряжение V OS составляет всего около 20 мкВ. Когда мы добавляем внешнюю схему ограничения OVP к тому же устройству ADA4077 и подаем вход на V IN , мы видим результаты, показанные на рисунке 3.При комнатной температуре V OS подскакивает до 30 мкВ, что в пять раз превышает погрешность пути прохождения сигнала только от ADA4077. При 125 ° C напряжение V OS превышает 15 мВ, что в 750 раз больше, чем 20 мкВ ADA4077! Точность ушла.

Рисунок 2. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для ADA4077. Рисунок 3. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для схемы ограничения OVP, добавленной к ADA4077.

Резистор 5 кОм отлично защищает ограничивающие диоды, а также операционный усилитель в условиях перенапряжения, но он добавляет немалую погрешность смещения во время нормальной работы, когда диоды пропускают ток через него (не говоря уже о шумах Джонсона от резистор).Нам нужно динамическое входное сопротивление, которое имеет низкое сопротивление во время работы в указанном диапазоне входного напряжения, но высокое сопротивление в условиях перенапряжения.

Комплексное решение дает ответ

ADA4177 — это высокоточный операционный усилитель со встроенной защитой от перенапряжения. Встроенные диоды ESD действуют как фиксаторы перенапряжения для защиты детали. Полевые транзисторы режима обеднения включены последовательно на каждом входе перед диодами ESD. Они обеспечивают динамическое сопротивление, которое увеличивается, когда входное напряжение (V CM ) превышает напряжения питания.По мере увеличения входного напряжения сопротивление сток-исток (R DSON ) внутреннего полевого транзистора увеличивается, тем самым ограничивая протекание тока экспоненциально с увеличением напряжения (показано на рисунке 4). Поскольку в ADA4177 на входах используются полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения, а не последовательный защитный резистор, операционный усилитель не страдает от потери напряжения смещения на резисторе, как это происходит в схеме ограничения OVP.

Рис. 4. Входной ток смещения ADA4177 ограничивается по мере увеличения перенапряжения.

ADA4177 может выдерживать напряжения на своих входах до 32 В сверх напряжения питания.Он ограничивает ток перенапряжения в пределах от 10 мА до 12 мА, защищая операционный усилитель без использования каких-либо внешних компонентов. Как показано на Рисунке 5, даже при 125 ° C этот испытанный блок показывает напряжение смещения всего 40 мкВ. Это менее 3% погрешности, которую показала цепь зажима при этой температуре. Точность сохраняется!

Рис. 5. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для ADA4177 со встроенным OVP.

Что это значит для производительности системы

При анализе влияния изменения входного напряжения на точность пути прохождения сигнала разработчик системы должен учитывать коэффициент подавления синфазного сигнала усилителя (CMRR).Это мера того, какая часть входного синфазного напряжения отклоняется от отображения на выходе (или насколько мало проходит). Поскольку операционные усилители часто конфигурируются для обеспечения усиления между входом и выходом, мы нормализуем спецификацию CMRR, ссылаясь на изменение входного напряжения смещения, которое представляет собой изменение выходного сигнала, деленное на коэффициент усиления с обратной связью усилителя. Коэффициент подавления синфазного сигнала представляет собой положительное значение, выраженное в дБ, и рассчитывается по следующей формуле:

CMRR = 20 log (ΔV CM / ΔV OS )

Исходя из этого соотношения, мы видим, что желательно, чтобы VOS был как можно меньше.ADA4177 должен иметь гарантированный минимальный предел CMRR 125 дБ при полной рабочей температуре. Используя результаты испытаний устройств, измеренных в этом эксперименте, мы можем рассчитать и сравнить CMRR схемы ограничения и ADA4177. Таблица 1 показывает крайнюю потерю точности при использовании классической схемы ограничивающего диода и превосходного CMRR ADA4177 со встроенной защитой от перенапряжения на полевых транзисторах.

Таблица 1. Сравнение CMRR ADA4177 с дискретным OVP с фиксирующими диодами

Метод защиты от перенапряжения 25 ° С 85 ° С 125 ° С
ADA4177 143 дБ 145 дБ 142 дБ
ADA4077 и зажим OVP 113 дБ 78 дБ 58 дБ

Повышенное напряжение источника питания »Электроника Примечания

Защита от перенапряжения источника питания действительно полезна — некоторые отказы блока питания могут вызвать повреждение оборудования большим напряжением.Защита от перенапряжения предотвращает это как на линейных регуляторах, так и на импульсных источниках питания.


Пособие и руководство по схемам источника питания Включает:
Обзор электроники источника питания Линейный источник питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания


Хотя современные блоки питания сейчас очень надежны, всегда есть небольшая, но реальная вероятность того, что они могут выйти из строя.

Они могут выйти из строя по-разному, и одна особенно тревожная возможность заключается в том, что элемент последовательного прохода, то есть транзистор главного прохода или полевой транзистор, может выйти из строя таким образом, что произойдет короткое замыкание. Если это произойдет, в цепи, на которую подается питание, может появиться очень большое напряжение, часто называемое перенапряжением, что приведет к катастрофическому повреждению всего оборудования.

Добавив небольшую дополнительную схему защиты в виде защиты от перенапряжения, можно защититься от этой маловероятной, но катастрофической возможности.

Большинство источников питания, предназначенных для очень надежной работы дорогостоящего оборудования, включают в себя некоторую форму защиты от перенапряжения, чтобы гарантировать, что любой отказ источника питания не приведет к повреждению оборудования, на которое подается питание. Это относится как к линейным источникам питания, так и к импульсным источникам питания.

Некоторые источники питания могут не иметь защиты от перенапряжения, и они не должны использоваться для питания дорогостоящего оборудования — можно немного спроектировать электронную схему и разработать небольшую схему защиты от перенапряжения и добавить ее в качестве дополнительного элемента. .

Основы защиты от перенапряжения

Есть много причин, по которым блок питания может выйти из строя. Однако, чтобы понять немного больше о защите от перенапряжения и проблемах схемы, легко взять простой пример линейного регулятора напряжения, использующего очень простой стабилитрон и транзистор с последовательным проходом.

Базовый серийный стабилизатор с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя

Хотя более сложные блоки питания обеспечивают лучшую производительность, они также используют последовательный транзистор для передачи выходного тока.Основное отличие заключается в способе подачи напряжения регулятора на базу транзистора.

Обычно входное напряжение таково, что на элемент последовательного регулятора напряжения падает несколько вольт. Это позволяет последовательному транзистору адекватно регулировать выходное напряжение. Часто падение напряжения на последовательном транзисторе является относительно высоким — для источника питания 12 вольт входное напряжение может составлять 18 вольт и даже больше, чтобы обеспечить необходимое регулирование и подавление пульсаций и т. Д.

Это означает, что в элементе регулятора напряжения может быть значительное количество тепла, рассеиваемого в сочетании с любыми переходными выбросами, которые могут появиться на входе, это означает, что всегда существует вероятность отказа.

Устройство последовательного прохода транзисторов чаще всего выходит из строя в состоянии разомкнутой цепи, но при некоторых обстоятельствах в транзисторе может возникнуть короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Если это произойдет, то на выходе регулятора напряжения появится полное нерегулируемое входное напряжение.

Если на выходе появится полное напряжение, это может привести к повреждению многих микросхем в цепи питания. В этом случае ремонт схемы вполне может оказаться невозможным.

Принцип работы импульсных регуляторов сильно отличается, но бывают обстоятельства, при которых полный выходной сигнал может появиться на выходе источника питания.

Как для источников питания с линейным стабилизатором, так и для импульсных источников питания всегда рекомендуется какая-либо защита от перенапряжения.

Виды защиты от перенапряжения

Как и во многих электронных технологиях, существует несколько способов реализации той или иной возможности. Это верно для защиты от перенапряжения.

Можно использовать несколько различных методов, каждая со своими характеристиками. При определении того, какой метод использовать на этапе проектирования электронной схемы, необходимо взвесить производительность, стоимость, сложность и режим работы.

  • Лом SCR: Как следует из названия, цепь лома вызывает короткое замыкание на выходе источника питания, если возникает состояние перенапряжения.Обычно для этого используются тиристоры, то есть тиристоры, поскольку они могут переключать большие токи и оставаться включенными до тех пор, пока не рассеется какой-либо заряд. Тиристор может быть снова подключен к предохранителю, который перегорает и изолирует регулятор от дальнейшего воздействия на него напряжения.

    Схема защиты от перенапряжения тиристорного лома

    В этой схеме стабилитрон выбран так, чтобы его напряжение было выше нормального рабочего напряжения на выходе, но ниже напряжения, при котором может произойти повреждение. При такой проводимости через стабилитрон не протекает ток, потому что его напряжение пробоя не достигается, и ток не течет на затвор тиристора, и он остается выключенным.Блок питания будет работать нормально.

    Если последовательный транзистор в блоке питания выходит из строя, напряжение начинает расти — развязка в блоке гарантирует, что оно не поднимется мгновенно. Когда он поднимается, он поднимается выше точки, в которой стабилитрон начинает проводить, и ток течет в затвор тиристора, вызывая его срабатывание.

    Когда тиристор срабатывает, он замыкает выход источника питания на землю, предотвращая повреждение схемы, которую он питает.Это короткое замыкание также можно использовать для перегорания предохранителя или другого элемента, отключая питание регулятора напряжения и изолируя устройство от дальнейшего повреждения.

    Часто развязка в виде небольшого конденсатора помещается между затвором тиристора и землей, чтобы предотвратить резкие переходные процессы или высокочастотные помехи от источника питания, поступающие на соединение затвора и вызывающие ложный запуск. Однако его не следует делать слишком большим, так как это может замедлить срабатывание цепи в реальном случае отказа, а защита может сработать слишком медленно.

    Примечание по защите от перенапряжения тиристорного лома:

    Тиристор или тиристор, кремниевый выпрямитель можно использовать для защиты от перенапряжения в цепи источника питания. Обнаружив высокое напряжение, схема может активировать тиристор, чтобы поместить короткое замыкание или лом на шину напряжения, чтобы гарантировать, что оно не поднимется до высокого напряжения.

    Подробнее о Схема защиты тиристорного лома от перенапряжения.

  • Фиксация напряжения: Другой очень простой вид защиты от перенапряжения использует подход, называемый фиксацией напряжения. В простейшей форме это может быть обеспечено с помощью стабилитрона, установленного на выходе регулируемого источника питания. Если напряжение на стабилитроне выбрано немного выше максимального напряжения шины, в нормальных условиях он не будет проводить. Если напряжение поднимается слишком высоко, оно начинает проводить, ограничивая напряжение на значении, немного превышающем напряжение шины.

    Если для регулируемого источника питания требуется более высокий ток, можно использовать стабилитрон с транзисторным буфером. Это увеличит пропускную способность по току по сравнению с простой схемой на стабилитроне в коэффициент, равный коэффициенту усиления по току транзистора. Поскольку для этой схемы требуется силовой транзистор, вероятные уровни усиления по току будут низкими — возможно, 20-50.

    Фиксатор перенапряжения на стабилитроне
    (а) — простой стабилитрон, (б) — повышенный ток с транзисторным буфером
  • Ограничение напряжения: Когда для импульсных источников питания требуется защита от перенапряжения, методы SMPS с зажимом и ломом используются менее широко из-за требований к рассеиваемой мощности, а также из-за возможных размеров и стоимости компонентов.

    К счастью, большинство импульсных регуляторов выходят из строя из-за низкого напряжения. Однако часто бывает целесообразно использовать возможности ограничения напряжения в случае возникновения перенапряжения.

    Часто этого можно достичь, определив состояние повышенного напряжения и отключив преобразователь. Это особенно применимо в случае преобразователей постоянного тока в постоянный. При реализации этого необходимо включить измерительную петлю, которая находится за пределами основного регулятора IC — во многих импульсных регуляторах и преобразователях постоянного тока используется микросхема для создания большей части схемы.Очень важно использовать внешний контур считывания, потому что, если микросхема регулятора режима переключения повреждена, вызывая состояние перенапряжения, механизм считывания также может быть поврежден.

    Очевидно, что для этой формы защиты от перенапряжения требуются схемы, специфичные для конкретной схемы, и используемые микросхемы импульсного источника питания.

Используются все три метода, которые могут обеспечить эффективную защиту источника питания от перенапряжения. У каждого есть свои преимущества и недостатки, и выбор техники должен зависеть от конкретной ситуации.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

% PDF-1.3 % 1 0 obj > поток конечный поток endobj 2 0 obj > endobj 4 0 obj > поток h ޼ [rG) UBrlRk ٖ%> XsHMl ~ Pa! r ǯku9 +: t *> UaTUšҪ ۣ R] ͊, u ~ oG? E? 3WT || g «u, 7c ] n9 # g : y =? e’iL (^ mQMӨezq (^ 3PhTi \ _ ה sq | X ;.P. \ ISS] HV # Y ֡ / Ճ C yPZMQ; ej NiOȌw Ճ:>; 5 // OeK ծ ӥq [] eod, 59 [w7waTk ~ | rVWx: `WK8.oe

Устройство защиты от перенапряжения — Проект электроники

Устройство защиты от перенапряжения

Проблема колебания напряжения — обычное дело, которое через некоторое время проходит через высокое напряжение, которое может вывести из строя электроприбор. Чтобы решить эту проблему, команда разработчиков технологии Dreamlover разработала простую, но эффективную схему защиты от перенапряжения, защищающую электрические устройства от перенапряжения. Логика защиты от перенапряжения настолько проста.

Описание схемы устройства защиты от перенапряжения

Вся схема устройства защиты от перенапряжения построена и изготовлена ​​на основе операционного усилителя, используемого в качестве компаратора. Инвертирующий вход подается на контакт 2 микросхемы операционного усилителя (IC 1 ) с опорным напряжением 5,1 В от стабилитрона. Точно так же неинвертирующий вход подается на контакт № 3 микросхемы IC 1 , который используется в качестве датчика защиты от перенапряжения для определения колебаний напряжения в сети. Два транзистора T 1 и T 2 проводят поочередно (т.е.е. по одному) в зависимости от напряжения сети. Когда напряжение составляет около или ниже 240 В переменного тока, транзистор T 1 находится в выключенном состоянии, а T 2 находится под напряжением, реле RL 1 . Точно так же, когда напряжение становится выше 240 В (то есть выше 240 В), T 1 находится в фазе проводимости, а T 2 находится в отключенном состоянии, что обесточивает реле RL 1 и выключает прибор.

ПЕРЕЧЕНЬ ДЕТАЛЕЙ

Резисторы (все ¼-ватт, ± 5% углерода)

R 1 = 147 Ом / 2 Вт

R 2 = 100 Ом / 1 Вт

R 3 = 330 Ом

R 4 = 100 кОм

R 5 = 1.8 кОм

R 6 , R 7 = 1 кОм

VR 1 = 10 кОм

VR 2 = 22 кОм

Конденсаторы

C 1 , C 4 , C 5 = 0,01 мкФ

C 2 = 1000 мкФ / 25 В

C 3 = 100 мкФ / 25 В

Полупроводники

IC 1 = µA741 (операционный усилитель)

2 IC 2 7812

T 1 = BC547

T 2 = SL100

D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 = 1N4007

D 6 = 1N4148

ZD 1 = 5.Стабилитрон 1 В

Разное

X 1 = первичная обмотка 230 В переменного тока на 7,5 В -0-7,5 В, вторичный трансформатор 1 А

RL 1 = 12 В, 200 Ом 1 переключающее реле

Светодиод 1 = RED

Связанный проект

  1. Полнофункциональный программируемый источник питания с сенсорным управлением Источник переменного тока с полным сенсорным управлением.
  2. Блок питания для интегральных микросхем и источник питания микропроцессора, представленный в этом разделе, будет иметь ± 5 и ± 15 В.
  3. Защита от пульсаций от короткого замыкания Переменное выходное напряжение и ток Источник питания переменного тока и напряжения (0 В — 25 В и 60 мА — 1500 мА) с уникальными характеристиками
  4. Импульсный регулятор-1 5 В, 1 ампер Допустимый ток может быть увеличен до нескольких ампер через
  5. Преобразователь постоянного тока в постоянный преобразует 6 В постоянного тока в 12 В постоянного тока без использования трансформатора и прост в сборке

Что такое защита от перенапряжения? — Устройства защиты от перенапряжения

Когда напряжение в системе превышает номинальное, это называется перенапряжением.Это перенапряжение может быть кратковременным или постоянным. Основную причину возникновения перенапряжения в энергосистеме можно удобно разделить на две категории: внутреннюю и внешнюю. Внутреннее перенапряжение возникает внутри самой системы, тогда как внешнее перенапряжение возникает из-за молнии на линиях.

Это перенапряжение может вызвать повреждение изоляторов и оборудования подстанции. Следовательно, необходимо обеспечить средства защиты изоляторов и других устройств от вредного воздействия перенапряжения.Доступны некоторые устройства для уменьшения амплитуды и крутизны фронта выбросов. Следующее будет описано здесь

  1. Зазор стержня
  2. Перенапряжение
  3. Воздушный провод заземления

Воздушный заземляющий провод

Воздушный заземляющий провод или заземляющий провод — одно из наиболее распространенных устройств, используемых для защиты линий от молнии. Это провод, который проходит через опоры линии и проходит по фазным проводам. Заземляющий провод предназначен для блокирования прямых ударов молнии, которые в противном случае могут ударить по фазным проводам.Волны молний достигают соседних башен, которые безопасно спускают их на землю.

В случае, если сопротивление электрической опоры или заземления небольшое, освещение будет повышено до очень высокого напряжения, что вызовет мигание от опоры к одному или нескольким фазным проводам. Такое перекрытие известно как черная вспышка. Обратную вспышку на линии можно свести к минимуму, уменьшив сопротивление опоры опоры с помощью приводных штанг и противовеса, если удельное сопротивление грунта высокое.

Зазор стержня

Штанговый зазор — одна из самых распространенных рам защитных устройств.Это воздушный зазор между концами двух стержней. Настройка зазора должна быть такой, чтобы он разрывался при любых условиях до того, как будет повреждено защищаемое оборудование. Главные достоинства этого устройства — простота, надежность и дешевизна.

Зазор стержня имеет некоторые ограничения, например, они не могут предотвратить поток энергии, который течет в зазоре после пробоя. Применяется там, где бесперебойность электроснабжения не имеет большого значения. В таких случаях (когда важна непрерывность) используются автоматические выключатели с повторным включением.

Устройства защиты от перенапряжения

Ограничители перенапряжения или грозозащитный разрядник — это устройство, используемое для отвода аномально высокого напряжения на землю без нарушения непрерывности электроснабжения. Делители перенапряжения бывают трех типов

  1. Переключатель перенапряжения вытяжного типа
  2. Клапанный переключатель перенапряжения
  3. Металлооксидный переключатель перенапряжения

Название устройства защиты от перенапряжения кажется более правильным, чем грозозащитный разрядник.

Защита от перенапряжения

— Перевод на немецкий — примеры английский

Предложения: устройство защиты от перенапряжения

Эти примеры могут содержать грубые слова на основании вашего поиска.

Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.

В других случаях защита от перенапряжения отключена.

Защита от перенапряжения реализована с помощью проводки с использованием стабилитронов.

Силовое полупроводниковое устройство с защитой от перенапряжения Интегральная структура схемы и соответствующий производственный процесс.

Leistungshalbleiteranordnung mit einer integrierten Schaltungsstruktur zum Schutz gegen Überspannungen und dazugehoriges Herstellungsverfahren.

Полупроводниковый прибор с внутренним ограничением тока , защита от перенапряжения .

Биполярный транзистор с изолированным затвором и защитой от перенапряжения

Процесс и устройство для защиты от перенапряжения системы электрических проводов.

Как работает защита от перенапряжения с помощью лавинных диодов? | Rutronik Этот веб-сайт использует файлы cookie.

Wie funktioniert Überspannungsschutz mit Hilfe von Avalanche Dioden? | Rutronik Этот сайт использует файлы cookie.

Tridonic — Портфолио для наружной установки с высокой защитой от перенапряжения перейти к содержанию.

Новый медицинский адаптер имеет защиту от постоянного короткого замыкания и защиту от перенапряжения .

В недавно разработанных устройствах дополнительно оценивается срабатывание защиты от перенапряжения , после чего сигнал DC-OK не подается.

Bei neuentwickelten Geräten wird zusätzlich das Ansprechen des Überspannungsschutzes ausgewertet, es wird dann kein DC-OK signalisiert.

Мы считаем, что встроенные предохранители постоянного тока и защита от перенапряжения очень удобны, — объясняет Андраш Фенивеси из Solar-Pécs.

Die eingebauten DC Sicherungen und den Überspannungsschutz finden wir sehr praktisch, erklärt András Fenyvesi von Solar-Pécs.

Встроенная защита от перенапряжения также была принята.

Защита от перенапряжения также предусмотрена для защиты радиостанций от повреждений.

Сегодня LEUTRON продолжает свою роль важного стратегического партнера SIEMENS в области молниезащиты и защиты от перенапряжения .

Heute setzt LEUTRON seine Rolle als ein wichtiger Strategischer Partner von Siemens im BereichBlitzschutz und Überspannungsschutz fort.

Пики напряжения, возникающие при работе без батареи, отклоняются с помощью стабилитрона (25), таким образом обеспечивая постоянную защиту от перенапряжения .

Die beim batterielosen Betrieb auftretenden Spannungsspitzen werden über eine Zenerdiode (25) abgeführt, so dass ein Überspannungsschutz jederzeit gewährleistet ist.

Схема защиты для защиты от перенапряжения абонентской цепи.

Схема для ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения для импульсных устройств питания.

Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung und zum Überspannungsschutz bei getakteten Stromversorgungsgeräten.

Устройство защиты от перенапряжения сердечников трансформаторов тока

В техническом паспорте описаны физические принципы защиты от тока молнии и перенапряжения — вы также найдете здесь интересную информацию для экспертов.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *