Ограничители тока для защиты электрических и электронных сетей от разрушительного воздействия напряжения

Обновлено: 18.04.2024

Причины возникновения импульсных помех высокого напряжения

Под перенапряжением будем понимать напряжение, прикладываемое к электрической цепи прибора, уровень которого превышает предельные значения, указанные в нормативном документе (стандарте, технических условиях и т. п.), в результате чего возможна полная или частичная потеря работоспособности прибора в течение определенного периода времени.

Основными причинами возникновения импульсных помех высокого напряжения являются:

• молнии, возникающие при грозе;

• переходные процессы при переключении;

Грозовые разряды (молнии) несут в себе токи порядка сотен тысяч ампер. При ударе молнии в атмосфере создается канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. Длительность импульса может достигать 1-500 мкс, а напряжение — порядка сотен кВ. Как правило, около 90% энергии отводится внешними громоотводами, а 10% попадает в электрические цепи здания, что может повлиять на электрические или электронные приборы, как прямым

Электронные компоненты компании ON Semiconductor

для защиты электрических цепей от импульсного перенапряжения

В реальных условиях эксплуатации электронной аппаратуры в ее цепях могут возникать различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перегрузки по напряжению. Они могут создаваться внешними электромагнитными импульсами как естественного происхождения (например, за счет мощных грозовых разрядов), так и искусственного (излучение высоковольтных линий электропередач, передающих устройств радиостанций, сетей электрифицированных железных дорог и т. п.), а также электромагнитными импульсами, возникающими за счет внутренних переходных процессов в аппаратуре и статического электричества. Для предотвращения воздействия указанных факторов на отдельные блоки и цепи аппаратуры необходимо принимать ряд специальных мер защиты.

В статье рассматриваются электронные компоненты, предлагаемые компанией ON Semiconductor, для защиты цепей электронной аппаратуры от импульсного перенапряжения.

воздействием тока, так и через наведенные потенциалы.

Переходные процессы при переключении встречаются в реальной жизни намного чаще, чем разряды молний. Например, в обычной сети электропитания переменного тока при переключении силовых приборов или короткого замыкания возникает очень быстрое изменение тока со временем нарастания фронта импульса менее единиц микросекунд. В системах с реактивной нагрузкой это вызывает переходные процессы, ведущие к возникновению перенапряжения в виде высокочастотных колебаний или высоковольтных пиков напряжения.

Электростатический разряд (ESD) возникает при освобождении заряда, накопленного при трении. Заряд может достигать десятков тысяч вольт. Такой импульс может вывести из строя, например, электронную микросхему при ее пайке, если монтажник не надел на руку заземляющий браслет.

Для защиты цепей оборудования от воздействия электрических перегрузок могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные и схемотехнические [1]. Схемотехнические методы подразумевают применение в проектируемом устройстве специальных электронных компонентов, защищающих устройство

(и его составные части) от импульсного перенапряжения.

Электронные компоненты, защищающие электрические цепи от перенапряжения Для защиты цепей от импульсного перенапряжения используются следующие основные типы электронных компонентов:

• газоразрядные ограничители напряжения или разрядники (англоязычные термины — Gas Discharge Tube или Gas Surge Arrester);

• металлооксидные варисторы (Metal Oxide Varistor);

• TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor — ограничитель переходного напряжения);

• TVS-тиристоры (компания ON Semiconductor использует термин TSPD — Thyristor Surge Protection Device).

TVS-диоды в отечественной литературе часто назывались полупроводниковыми ограничителями напряжения [2]. Но поскольку мы рассматриваем продукцию компании ON Semiconductor, то будем использовать термин «TVS-диоды», общепринятый для англоязычной литературы.

В таблице 1 приведены достоинства, недостатки и оптимальные сферы применения этих типов электронных компонентов.

Компания ON Semiconductor из приведенных типов электронных компонентов производит TVS-диоды и TVS-тиристоры.

Таблица 1. Сравнение электронных компонентов защиты электрических цепей от импульсного перенапряжения

Электронный компонент Преимущества Недостатки Применение

Разрядник Высокое значение допустимого тока. Низкая емкость. Высокое сопротивление изоляции Высокое напряжение возникновения разряда. Низкая долговечность и надежность. Значительное время срабатывания. Защищаемая цепь шунтируется после прохождения импульса Первая ступень комбинированной защиты (от разрядов молнии). Первичная защита силовых и телекоммуникационных цепей

Варистор Высокое значение допустимого тока. Низкая цена. Широкий диапазон рабочих токов и напряжений Ограниченный срок службы. Высокое напряжение ограничения. Высокая собственная емкость Первая и вторая (внешние импульсные помехи искусственного происхождения) ступени комбинированной защиты. Защита силовых и телекоммуникационных цепей. Защита электронных компонентов непосредственно на печатной плате

TVS-диод Низкие уровни напряжения ограничения. Высокая долговечность и надежность. Широкий диапазон рабочих напряжений. Высокое быстродействие. Низкая собственная емкость Низкое значение номинального импульсного тока. Относительно высокая стоимость. Вторая и третья (защита цепей конечных нагрузок) ступени комбинированной защиты. Защита электронных компонентов непосредственно на печатной плате

TVS-тиристор Не подвержен деградации. Высокое быстродействие. Высокий управляющий ток Ограниченный диапазон рабочих напряжений. Защищаемая цепь шунтируется после прохождения импульса Первая и вторая ступени комбинированной защиты

Полупроводниковые TVS-диоды — это полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинного пробоя диода.

В нормальном рабочем режиме (напряжение не превышает значения ио6р) ток через TVS-диод не протекает. Диод, фактически, эквивалентен разрыву цепи, то есть не влияет на работу защищаемой цепи до момента возникновения импульса перенапряжения. Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного значения, в то время как опасный ток протекает через диод на «землю», минуя защищаемую цепь. Принцип работы TVS-диода показан на рис. 1.

Вольт-амперные характеристики униполярного (несимметричного) и биполярного (симметричного) TVS-диодов приведены на рис. 2 и 3.

TVS-диод обладает высоким быстродействием, в отличие от газоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за значительного времени срабатывания (более 0,15 мкс) не решают проблемы защиты многих полупроводниковых приборов и микросхем, поскольку для них недопустимы начальные выбросы напряжения, пропускаемые разрядниками.

Импульс Р г \ имп перенапряжения 1 пере аниченный /льс напряжения

Ток,\ соответствующий \ / перенапряжению \ £ TVS-диод Защищаемая нагрузка

Рис. 1. Принцип работы TVS-диода

Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является также то, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда). Поэтому при их применении защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников.

Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов — менее 10-12 с, а у симметричных — менее 5х 10-9 с. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Основные электрические параметры TVS-диодов

В соответствии с обозначениями на рис. 2 и 3 определим основные электрические параметры TVS-диодов.

и„роб при (VBR), В — значение напряжения при пробое р-п-перехода на участке перегиба ВАХ. При напряжениях, превышающих данное, крутизна ВАХ резко возрастает.

Рис. 2. ВАХ несимметричного TVS-диода

Uo6p (VRWM), В — постоянное обратное напряжение (рабочее напряжение). Точка первого перегиба на вольт-амперной характеристике. Значение этого параметра гарантирует отсутствие проводимости (за исключением тока утечки 1о6р) при значениях напряжения менее данного. Как правило, оно составляет 80-85 % от значения Unpo6.

Значения этих двух параметров являются исходными для выбора TVS-диода. Как правило, одно из них непосредственно присутствует в наименовании компонента.

1обр (Ir), мкА — значение постоянного обратного тока, протекающего через прибор в обратном направлении при напряжении,

10гр. мак. (Ipp), А — пиковое значение амплитуды обратного тока при определенных длительности, скважности и форме импульса и определенной температуре окружающей среды.

Ump макс (Vc), В — пиковое значения амплитуды обратного напряжения при максимально допустимом импульсном обратном

Рогр. макс. (Ppк), Вт— максимально допустимая импульсная мощность, рассеиваемая прибором, при заданных форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды. Равно произведению

1огр. макс. на иогр. макс..'

Несимметричные TVS-диоды общего назначения компании ON Semiconductor

TVS-диоды (как симметричные, так и несимметричные) в значительной степени являются стандартной продукцией, то есть выпускаются многими производителями (отметим, к примеру, NXP, ST Microelectronics, Fairchild, Vishay, Bourns, Semtech и т. д.), имеют часто одни и те же наименования компонентов и, соответственно, близкие технические характеристики.

Под TVS-диодами общего назначения будем понимать одиночные диоды, которые по своим параметрам могут быть объединены в серии. Диоды, объединяемые в серию,

Номенклатура TVS-диодов, выпускаемых компанией ON Semiconductor, превышает 400 наименований (для несимметричных диодов) и 100 (для симметричных) изделий, поэтому привести их параметры в рамках статьи не представляется возможным. В таблице 2 приведены параметры основных серий несимметричных TVS-диодов компании ON Semiconductor.

Пояснения к таблице 2:

• Индекс «хх» означает, что в наименовании изделия вместо него подставляется номинальное значение напряжения пробоя Unpo6 (например, для 1.5KE8.2A Unpo6 = 8,2 В, а для 1.5KE200A — 200 В).

• Индекс «уу» означает, что в наименовании изделия вместо него подставляется номинальное значение постоянного обратного напряжения Uo6p, например, для 1SMA7.0A Uo6p = 7,0 В (при том, что в этом случае Unpo6 = 8,2 В).

• Запись “1N6276. 1N6303 (1.5KExxA)” означает, что общепринятое в отрасли обозначение элементов — “1N6276. 1N6303”, в то время как компания ON Semiconductor использует обозначение 1.5KExxA.

Как видим, компания ON Semiconductor предлагает достаточно широкую линейку несимметричных TMS-диодов, чтобы выбрать оптимальное по напряжению, мощности и типу корпуса изделие.

Симметричные TVS-диоды общего назначения

В таблице 3 приведены параметры основных серий симметричных TVS-диодов компании ON Semiconductor.

Помимо TVS-диодов общего назначения, компания ON Semiconductor предлагает ряд специализированных изделий, предназначенных для защиты различных каналов передачи данных (например, USB, CAN и др.).

Защита от электростатического разряда в USB-приложениях предполагает использование весьма сложных полупроводнико-

вых устройств, способных, с одной стороны, обеспечить надежную защиту линий связи и, с другой стороны, сохранить высокие скорости передачи данных, характерные для USB-интерфейса. Применение TVS-диодов общего назначения было бы устаревшим и неэффективным решением. Предлагаемые компанией ON Semiconductor устройства NUP2201 и NUP4201 представляют собой матрицу TVS-диодов с малой емкостью, которые обеспечивают защиту двух и четырех линий передачи данных и шины питания от перенапряжений, вызванных электростатическим разрядом или неблагоприятными переходными процессами. На рис. 4 представлена типовая схема применения NUP2201 и NUP4201 для защиты каналов USB.

Защита каналов передачи цифровых видеосигналов

Интерфейсы передачи видеосигналов, особенно предполагающие возможность «горячего» подключения к системе, восприимчивы к воздействию электростатических разрядов. Эти разряды могут повредить или полностью разрушить микросхему видеоинтерфейса, если не принять мер защиты.

Защита электроустановок и всех электротехнических или электронных устройств от разрушительного воздействия на них скачков напряжения.
Такие скачки напряжения могут возникнуть от индуцированных токов при ударе молнии, наводок от двигателей, частотных преобразователей, регуляторов освещенности и т.д., а также от переключения питающих цепей.

Применения

Ограничители перенапряжений Surgeguard защищают от перенапряжений домашние приборы (TV, Hi-Fi, видеомагнитофоны, стиральные машины, посудомоечные машины, и т.п.), офисное оборудование (компьютеры и информационные сети, пожарные сигнализации, контроль доступа в помещение и др. офисные системы), промышленное оборудование (PLC, станки, медицинскую аппаратуру, устройства слежения) и даже защищают буровые платформы.

Характеристики

• Линейка ограничителей перенапряжений включает в себя диапазон компактных защитных устройств для установки на DIN-рейку. Ограничители напряжения обеспечивают полную и эффективную защиту оборудования и других устройств, подключенных к низковольтной сети, от перенапряжений в ней.
• Устройства класса I/B c мощностью разряда от 15 до 100кА и формой волны 10/350мс, и класса II/C c различными мощностями разряда 15кА, 40кА и 100кА и формой волны 8/20мс. Устройства класса II постоянного тока предназначены для фотовольтаических применений, телевизионных линий и линий связи. Наиболее подходящее устройство выбирается в соответствии с типом установки, помещением и защищаемым оборудованием.
• Доступны несколько разновидностей однополюсных, однофазных, двухфазных и трехфазных устройств для всех типов электрических сетей: ТТ, TN S, TN C, IT.
• В предложение включены модели, предназначенные для кратковременного перенапряжения (TOV).

TOV - это импульс напряжения в сотни вольт в неопределенный момент времени, связанный с асимметрией сети (обычно, его причиной является замыкание нейтрали).

Система ограничителей перенапряжений класса I должна обеспечивать защиту в случае угроз, вызванных:

током молнии растекающимсяся в строительном объекте в случае прямого разряда в обект,
непосредственного удара молнии либо удара поблизости от воздушных линий или закопанных кабелей низкого напряжения,
перенапряжениями коммутационными, а также индуцированными атмосферным разрядом,

Среди объектов, в которых требуется или рекомендовано применение ограничителей класса I в системе электропитания, необходимо упомянуть:

строительные объекты, имеющие молниезащитные устройства,
объекты без молниезащиты, питающиеся непосредственно от воздушных линий, либо коротких кабельных подходов,
объекты без молниезащиты, соседствующие с мачтами, башнями, либо строительными объектами с системой молниезащиты (во всех случаях присутствует общий заземлитель).

Принимая во внимание распространенное в последнее время направление в сантехническом оборудовании - повсеместная замена металлических водно-канализационных труб на пластиковые трубы - следует учитывать это оборудование при анализе растекания потока молнии. При подборе ограничителей класса I для защиты объектов, оснащенных молниезащитной системой, в этом случае следует учесть возможность протекания через их проводящие пути половины потока молнии.

например, в системе TN-S это L1, L2, L3 N, а также PE - m = 5

*- система из 4 ограничителей перенапряжений,

**- система так наз. 3+1 из трех ограничителей перенапряжений и одного разрядника

Таким местом могут быть:

соединения кабелей, либо дополнительный шкаф поблизости от соединения,
главный распределительный щит низкого напряжения.

Проводники, используемые для присоединения ограничителей класса I, должны быть как можно более короткими. Рекомендовано применение для присоединения ограничителей класса I проводников, длина которых не превышает 0,5 м (рис.2.1).

Падение напряжения на индуктивностях проводников можно исключить, используя так называемое «соединение типа V» (рис. 2.1 b и рис. 2.2). Ограничители, используемые для такой системы, должны предусматривать возможность подключения двух проводников к каждому контакту (двойные зажимы).

Рис. 2.1. Подключение ограничителя класса I

Рис.2.2. Пример параллельного и последовательного подключения на примере защитного модуля
PowerPro B TNS 50/100kA (продукция LEUTRON)

Получите доступ ко всем материалам на сайте совершенно бесплатно!

Можно также использовать проводники сечением равным сечению проводников предохранителей, находящихся перед ограничителями. Уровень защиты по напряжению ограничителей класса 1 зависит от их назначения и чаще всего находится ниже 4000 В (серии: PowerPro BCD; IsoPro B), 2500 В (серии: PowerPro BC, IsoPro BC) или даже ниже 1000 В (напр. серия PowerPro BCD).

2.1. Ограничители перенапряжений класса I

Норма IEC 61643-1, содержащая технические требования и методы испытаний ограничителей пернапряжений, не навязывает конкретных значений уровня защиты по напряжению для ограничителей данного класса. Представляются только рекомендованные значения, которые в отношение электрического оборудования напряжением 230/400 В необходимо выбрать из следующего ряда значений: 600 В, 700 В, 800 В, 900 В, 1000 В, 1200 В, 1500 В, 1800 В, 2000 В, 2500 В, 3000 В, 4000 В, 5000 В и 6000 В.

В многоступенчатой системе ограничения перенапряжений, учитывая требования устройств при соединении оборудования (таблица 2.1.), ограничители класса I должны ограничить перенапряжения ниже уровня ударной стойкости категории IV - ниже 6000 В.

Фирма LEUTRON, например, предлагает для защиты устройств и оборудования ограничители класса I: PowerPro B 50kA (FM), IsoPro B 60kA (FM), IsoPro B 25kA (FM) с уровнями защиты по напряжению ниже 4000 В. Значения основных параметров этих ограничителей представлены в таблице 3.2.

В ограничителе типа PowerPro B 50kA (FM) (рис.2.3.) использован многоразрывной разрядник, помещенный в атмосфере нейтрального газа в керамическом корпусе, который обеспечивает:

более быстрое срабатывание ограничителя в сравнении с ограничителями, содержащими классические разрядники,
уровень защиты по напряжению ниже 4000 В,
возможность защиты от ударных токов до 50 кА 10/350 мкс,
незначительное искажение напряжения в электрическом оборудовании, которое возникает после действия ограничителя,
отсутствие выброса газа наружу ограничителя.

В ограничителях продукции фирмы LEUTRON существует возможность отслеживания состояния разрядника. В случае возрастания температуры разрядника, наступает открытие безпотенциального контакта, который может быть элементом цепи, отслеживающей систему ограничителей. Ограничители содержащие такие системы отслеживания включают в своем названии дополнительное обозначение FM.

Ограничители серии PowerPro можно также использовать в так называемом соединении V (см. рис.2.2).

a) внутренний состав соединений ограничителя без и с отслеживанием разрядника

b) общий вид ограничителя,

Рис.2.3. Ограничитель класса I: PowerPro B 50 кА

Для однофазной сети TN-S

Для трехфазной сети TN-C

PowerPro B TNS 50/100 кА - для трехфазной сети TN-S

Рис.2.4. Примеры модульных систем ограничителей серии PowerPro B

Рис.2.5. Ограничитель IsoPro: внутренняя схема соединений без и с отслеживанием состояния разрядника, а также общий вид ограничителей IsoPro B 60 кА и IsoPro B 25 кА

Интересное решение использовано также в ограничителях IsoPro B 60kA (FM) и IsoPro B 25kA (FM). В корпусе шириной в два типовых модуля размещена система параллельно соединенных разрядников с дополнительным варистором, включенным последовательно с разрядником в одной ветви (рис. 2.5).

В представленной системе соединений, если импульсные токи не превышают 4 кА - например при протекании 10/350 (наиболее частый случай возникновения импульсов в электрическом оборудовании), действует только последовательно соединенный разрядник с варистором. После превышения импульсным током значения 4 кА, что происходит только в случае прямых разрядов молнии в объект или очень близких разрядов, дополнительно задействуется главный разрядник.

Главный разрядник, используемый в ограничителе IsoPro B 60 кА способен защитить от воздействия ударных токов в форме 10/350, а также значений силы тока до 60 кА, а уровень защиты по напряжению не превышает значения 4000 В. В случае ограничителя IsoPro B 25kA максимальный ударный ток 10/350 может достигать значения 25 кА, уровень защиты по напряжению 4000 В.

Аналогично, как и в случае ограничителей PowerPro, доступны также созданные из ограничителей IsoPro, защитные модули для основных систем сети (рис. 2.6).

IsoPro B TN 25/50kA

IsoPro B TNC 25/75kA

IsoPro B TNS 25/100kA

Рис.2.6. Примеры модульных систем ограничителей IsoPro B

Moдульные системы ограничителей PowerPro и IsoPro можно соединять параллельно или последовательно. Примерные решения таких соединений для модуля PowerPro B TNS 50/100kA представлены на рис.3.2. Последовательное соединение может быть выполненоо, если значение тока срабатывания предохранителей в электрическом оборудовании не превышает 100 A.

Пример параллельного включения модуля PowerPro B TNS 50/100kA для защищаемой сети питания 230/400 В предствлен на рис. 2.7.

Читайте также: