Защита РЭА от высоковольтных импульсов в сети. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Авторы знакомят с малоизвестной большинству читателей проблемой - защитой бытовой аппаратуры от одиночных высоковольтных (более 400 В) импульсов напряжения в питающей сети 220 В, рассказывают о вариантах ее реализации, сообщают о выпускаемых промышленностью компонентах защитных устройств.

Присутствие в питающей сети переменного тока 220 В х 50 Гц импульсов напряжения, достигающих 1000 В и более, для специалистов не новость. Для широкого же круга потребителей электроэнергии эти импульсы - открытие. В статье рассмотрены возможности защиты аппаратуры от возникающих в сети импульсов длительностью от десятых долей микросекунды до единиц миллисекунд. Более длительные выбросы напряжения - свыше полупериода синусоиды частотой 50 Гц - ликвидируются иными способами, которые здесь не освещены. Причины возникновения указанных импульсов различны и описаны в литературе, например в [1].

Энергия высоковольтных импульсов в питающей сети может достигать нескольких килоджоулей. Известные и широко распространенные методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC- и RC-фильтров, экранов между обмотками сетевых трансформаторов и другие методы часто не дают необходимого уменьшения энергии импульсов на выводах питания микросхем. Отмечено, что до микросхем реально доходят импульсы с энергией до миллиджоуля, вполне способные вывести аппаратуру из строя.

Другие известные методы ограничения уровня импульсов в различных цепях радиоэлектронной аппаратуры, в частности, на распределительных сетевых электрических щитах, связаны с использованием газоразрядных и полупроводниковых приборов. Газоразрядные приборы, в практике чаще называемые разрядниками, не всегда обеспечивают необходимый результат из-за сравнительно низкого быстродействия и довольно громоздки.

К полупроводниковым приборам, широко применяемым для уменьшения импульсных помех, относят металлооксидные варисторы, полупроводниковые приборы общего назначения и специальные полупроводниковые ограничители напряжения. Варисторы - это резисторы с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой, их сопротивление значительно уменьшается при увеличении приложенного напряжения. Под полупроводниковыми приборами общего назначения имеют в виду стабилитроны, диоды импульсные и с барьером Шотки, дефензоры.

У специальных полупроводниковых ограничителей напряжения, о которых далее и пойдет речь, вольт-амперная характеристика аналогична стабилитронной. Их основное отличие от стабилитронов и других полупроводниковых приборов общего назначения - способность рассеивать большую импульсную мощность. Современные варисторы, незначительно уступая рассматриваемым ограничителям по времени срабатывания, конкурируют с ними по технологичности и стоимости. Однако характеристики ва-ристоров ухудшаются на некоторое время после воздействия каждого импульса помехи. У полупроводниковых ограничителей это явление отсутствует. Учитывая, что для защиты РЭА необходимы приборы с максимальным быстродействием и стабильностью характеристик, именно им следует отдать предпочтение.

Фирма GSI (США) выпускала в начале 90-х годов свыше тысячи разновидностей полупроводниковых ограничителей напряжения с максимальной допустимой импульсной мощностью до 60 кВт и напряжением ограничения от 0,7 до 3000 В. В настоящее время в СНГ также производят подобные ограничители мощностью до 30 кВт на напряжение в пределах 3...1000 В.

Принцип действия ограничителя заключается в открывании его закрытого p-n перехода, если приложенное к нему обратное напряжение превысит пороговый уровень. Иначе говоря, ограничитель ведет себя аналогично стабилитронам, однако туннельно-лавииному процессу в нем характерно то, что заряды переносят лишь основные носители, поэтому не происходит нежелательного накопления неосновных носителей. Этому в основном и обязано высокое быстродействие ограничителя.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) ограничителя показана на рис. 1. Как и у стабилитрона, она несимметрична.

Для ограничения импульсов обоих знаков удобно два ограничителя включить встречно-последовательно. ВАХ такой пары симметрична (рис. 2).

Серийно выпускаемые полупроводниковые ограничители напряжения обычно оценивают по следующим характеристикам:

• Римп max - импульсная максимальная допустимая мощность рассеяния при заданных форме и коэффициенте заполнения (К3) импульсов и температуре окружающей среды Токр.ср.. Наиболее часто указывают значение этого параметра при длительности экспоненциального импульса 1 мс на уровне loгp. имп max, при длительности фронта 10 мкс и К3 меньше 0,01%, с обеспечением непревышения допустимой средней мощности рассеяния кристаллом или корпусом прибора;
• Iобр max - обратный максимальный ток, протекающий при максимальном обратном напряжении;
• Uобр max - обратное максимальное напряжение, которое не должно превышать рабочего значения (ограничения рабочего напряжения при этом не должно происходить); значение UобР max обычно принимают равным 0,8 от напряжения открывания прибора;
• Uоткр и Iоткр - напряжение и ток открывания прибора, соответствующие точке перегиба на рабочей ветви вольт-амперной характеристики;
• Uогр. имп - напряжение ограничения - импульсное обратное напряжение при максимальном значении импульсного тока ограничения, зависящем от максимальной допустимой импульсной мощности рассеяния;
• Iпр.имп.mах - прямой импульсный максимальный ток - допустимый прямой ток при заданных его форме, коэффициенте заполнения и температуре окружающей среды;
• Uпр.имп.mах - прямой импульсный максимальное падение напряжения на ограничителе при токе Iпр.имп.mах.;
• Когр - коэффициент ограничения, равный отношению Uогр. имп mах / Uоткр; Kогр изменяется примерно от 1,3 при максимальной импульсной мощности Римп mах до 1,2 при 0,5Римп mах;
• tвкл - время включения, в течение которого происходит открывание прибора в обратном направлении (для симметричных ограничителей tвкл < 10-9 с).

По значениям указанных характеристик потребитель может выбрать ограничитель напряжения, необходимый для защиты радиоэлектронной аппаратуры. Симметричный (двуплечий) ограничитель включают в сеть переменного тока параллельно полезной нагрузке. В нормальном режиме сети оба его плеча закрыты и через него протекает лишь очень малый обратный ток при обоих полу периодах. Иначе говоря, ограничитель ничем себя не обнаруживает, потребляя некоторую - очень малую - мощность (сотые доли ватта).

Как только в сети появится высоковольтный импульс напряжения, превышающий Uоткp ограничителя, откроются оба его плеча, одно - в прямом направлении, другое - в обратном. В результате импульс будет блокирован, а на нагрузке в этот момент напряжение не превысит Uогр.

Следует заметить, что значение Римп mах зависит от длительности хи гасимого импульса и в пределах τи = 0,1...10мc приблизительно пропорционально отношению 1/τи. При увеличении температуры окружающей среды Токр. ср от 40 до 100СС рассеиваемую мощность Римп max необходимо уменьшать прмерно пропорционально 0,024 Токр. ср.

Для снижения амплитуды высоковольтных импульсов на пути от сети 220 В до выводов питания микросхем наиболее целесообразно включать ограничители в состав блока питания [2].

Если в питающей сети появятся импульсы, энергия которых будет больше допустимой для примененного ограничителя, он, как и стабилитрон при слишком большом токе стабилизации, перегреется и выйдет из строя. С этого момента аппаратура, включенная в сеть, окажется незащищенной.

Поэтому существенным недостатком применения ограничителей считают отсутствие информации об их работоспособности или выходе из строя после воздействия мощных импульсов. Чтобы обеспечить индикацию исправного состояния симметричного ограничителя, его составляют из двух одиночных и подключают к нему цепь из трех с вето-диодов и двух токоограничивающих резисторов (рис. 3).

Особенность работы индикатора исправности - использование светодиодов в нестандартном режиме. При исправных ограничителях VD1 и VD2 и положительном полупериоде напряжения сети (плюс - на верхнем по схеме сетевом проводе) ток беспрепятственно протекает через ограничитель VD1, открытый в прямом направлении, и через светодиод HL1. Ограничитель VD2 в это время закрыт.

В результате почти все сетевое напряжение оказывается приложенным к цепи HL3R2, причем к с вето диоду - в обратном направлении. Поэтому све-тодиод HL3 открывается в обратном направлении*; ток через него ограничивает резистор R2. Таким образом, через всю цепь от плюсового провода до минусового протекает ток около 2 мА. Этого достаточно, чтобы обеспечить заметное свечение "зеленого" светодиода HL1. Светодиод HL2 не светит, так как к цепи HL2R1 приложено слишком малое напряжение (менее 3 В).

При смене полярности напряжения сети происходят те же процессы, только меняются местами VD1 и VD2, R2 и R1, HL3 и HL2. То есть исправность ограничителей подтверждает зеленый сигнал индикатора. В ряде случаев описанный индикатор может одновременно служить индикатором наличия сетевого напряжения.

Легко видеть, что при выходе из строя (обрыве) ограничителя VD1 гаснет "зеленый" светодиод HL1 и включается "красный" светодиод HL2, а при порче ограничителя VD2 - "красный" HL3.

Описанный модуль, получивший наименование ЗА-0, разработан в ОАО "Вычислительная техника и промышленная электроника" (г. Москва) совместно с НПК "Кварк" (г. Ташкент) и освоен в серийном производстве. Внешний вид модуля представлен на фото (рис. 4).

Основные характеристики модуля

• Импульсная максимальная допустимая мощность, кВт, не менее, при температуре окружающей среды 25°С......1,5
• Амплитуда переменного напряжения открывания ограничителей, В, при температуре окружающей среды 25°С (ток открывания 1 мА).....400±20
• Коэффициент ограничения,......1,2... 1,3
• Сила света светодиодов, мкд,не менее......0,5
• Мощность, потребляемая от сети при отсутствии высоковольтных импульсов, Вт, не более......0,5
• Габариты корпуса**, мм, не более......32x12x10
• Масса, г, не более......10

Корпус модуля изготовлен из пластмассы способом заливки в форму. Климатическое исполнение УХЛ категории размещения 4.2 по ГОСТ 15150. По защите от поражения электрическим током изделие относится к II классу по ГОСТ 2757.0.

Модуль ЗА-0, кроме установки в блоки питания РЭА, рекомендуется широкому кругу пользователей и радиолюбителей для применения в лабораториях, офисах и квартирах для защиты промышленных и бытовых электронных приборов, включенных в розетки питающей сети переменного тока напряжением 220 В. Для этой цели разработан вариант изделия, получивший наименование ЗА-01. Здесь корпус модуля снабжен стандартными штырями, позволяющими включать его в любую свободную розетку помещения.

Разработка защитного модуля ЗА-0 одобрена Научно-техническим фондом "Энергетическая электроника", который оказал содействие освоению изделий в серийном производстве.

Находятся в процессе освоения в производстве защитные модули на мощность 5 кВт (ЗА-1) и 30 кВт (ЗА-2), а также варианты этих изделий с вилками (ЗА-11 и ЗА-21). Эти модули следует применять в тех случаях, когда полутора-киловаттные не выдерживают сетевых высоковольтных импульсов. Разработаны также модули для защиты сетей постоянного тока, рассчитанные на импульсную мощность от 1,5 до 30 кВт и напряжение открывания от 6,8 до 450 В.

На первом этапе использования защитных модулей ЗА-0 и изделий на их основе поставщик обеспечит покупателям бесплатную замену вышедших из строя на новые. При повторном выходе модулей из строя потребителю будет рекомендовано приобрести более мощные приборы. При необходимости ОАО "Вычислительная техника и промышленная электроника" (тел. в Москве 330-06-38) проведет исследование сети потребителя и даст предложения по защите РЭА.

* Эту особенность светодиодов (и ряда других электронных компонентов) уже давно подметили, исследовали и широко применяют радиолюбители. См., например, статью И. Нечаева "Светодиод в роли стабилитрона" в "Радио", 1997, № 3, с. 51.

** Без учета длины выводов - 9... 12 мм и высоты выступающих корпусов светодиодов - 3...5 мм.

Литература

1. Черепанов В. П., Хрулев А. К., Блудов И. П. Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок. Справочник. - М.: Радио и связь, 1994 (с. 17-21).
2. Колосов В. А. Электропитание стационарной РЭА. Теория и практика проектирования. - М.: Радио и связь, 1992 (с. 111, 112).

Автор: В.Колосов, г. Москва, А. Муратов, г. Ташкент, Узбекистан

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Горячие напитки высвобождают миллионы частиц пластика 08.09.2026

Бумажные стаканчики давно стали привычной альтернативой пластиковым: их используют в кофейнях, офисах и заведениях быстрого питания для кофе, чая и других напитков. Однако название "бумажный" не означает, что такая посуда полностью состоит из бумаги. Чтобы стаканчик не размокал, его внутреннюю поверхность покрывают тонким слоем полимера. Исследователи из Университета Квинсленда решили выяснить, что происходит с этими покрытиями при контакте с горячей жидкостью, и обнаружили, что вместе с напитком из них могут высвобождаться чрезвычайно мелкие частицы пластика. В ходе лабораторных экспериментов специалисты изучили два типа одноразовых бумажных стаканчиков. В одном случае внутренняя поверхность была защищена традиционным полиэтиленовым покрытием, а в другом использовался полимер на основе полимолочной кислоты (PLA), который часто рассматривается в качестве более экологичной альтернативы обычному пластику. Полимолочная кислота способна биологически разлагаться при определенных условиях ...>>

Графен приближает идею космического лифта 08.09.2026

Вывод грузов за пределы Земли сегодня остается сложным и дорогостоящим процессом: каждый запуск требует огромного количества топлива, а значительная часть конструкции ракеты используется всего один раз. Поэтому идея космического лифта, возникшая еще много десятилетий назад, продолжает привлекать внимание инженеров и исследователей. Вместо множества отдельных ракетных стартов предлагается создать постоянную транспортную систему между Землей и космосом, по которой грузы перемещались бы с помощью электричества. Последние достижения в производстве поликристаллического графена вновь заставили специалистов обсуждать эту концепцию не только как фантастическую идею, но и как потенциальный инженерный проект. Основным элементом будущего сооружения должен стать сверхпрочный трос. Согласно концепции Международного консорциума космического лифта (ISEC), он должен начинаться у экватора и простираться примерно на 100 000 километров в космос, значительно дальше геостационарной орбиты. На внешнем ко ...>>

Робот Bean-Bot без моторов и программирования 07.09.2026

Робототехнику трудно представить без электродвигателей, аккумуляторов, датчиков и управляющего программного обеспечения. Однако исследователи Итальянского технологического института продемонстрировали, что для выполнения довольно сложных движений все эти компоненты иногда вовсе не обязательны. Созданный ими миниатюрный робот Bean-Bot способен самостоятельно прыгать, катиться, скользить, переворачиваться и преодолевать наклонные поверхности, используя энергию нагрева и особенности собственной конструкции. Идея разработки возникла благодаря необычному природному механизму. За основу специалисты взяли мексиканскую фасоль, которая способна неожиданно перемещаться из-за находящейся внутри семени личинки моли. В лаборатории биомиметической мягкой робототехники эту природную особенность переосмыслили с инженерной точки зрения. Получившийся Bean-Bot представляет собой легкую оболочку характерной формы, пружину из материала с памятью формы и несколько магнитов. Основным источником энергии ...>>

Случайная новость из Архива Apple Pencil 17.11.2015 Кому нужен стилус для планшета? Да никому не нужен! При Стиве Джобсе Apple строго придерживалась данного принципа. Но все же он появился - Apple Pencil. Стилус Apple Pencil, стоимостью $99, совместим только с новым iPad Pro с диагональю 12,9 дюйма, минимальная цена которого составляет $799. Одни эти цифры способны отпугнуть потенциального покупателя, хотя Apple не перестает удивлять тем, что даже при таких ценах их гаджеты раскупаются как горячие пирожки. Технически к Apple Pencil придраться сложно. Устройство представляет собой так называемый активный стилус. Это означает, что с помощью токопроводящего кончика стилус не только приводит в действие емкостной сенсорный дисплей, но и одновременно со скоростью 240 раз в секунду передает на iPad данные о своих позиции и положении. Благодаря этому становятся доступны некоторые функции. Например, если держать стилус под наклоном в режиме карандаша, его получится применять для штриховки, как если бы вы использовали настоящий карандаш. Это возможно за счет датчиков наклона, встроенных в стилус. Разумеется, для переноса данных гаджету требуется электроэнергия, поэтому на другом его конце установлен коннектор Lightning, который соединяет стилус с iPad. Полной зарядки встроенного аккумулятора должно хватить на двенадцать часов автономной работы, а 15-секундной подзарядки - на 30 минут. Для стилуса, который вряд ли будет использоваться постоянно, этого вполне достаточно. Однако насколько хорошо Apple удалось интегрировать технологию 3D Touch в свою операционную систему iOS 9, настолько же недоработанной пока выглядит поддержка Apple Pencil на программном уровне. Конечно, стилус работает в приложении для заметок, но этим его практическое применение фактически ограничивается, поэтому компания Apple пошла на сотрудничество с Adobe и Microsoft. Adobe интегрирует поддержку стилуса в приложения для iOS, такие как Photoshop Sketch для рисования. В нем пользователь может испытать все возможности стилуса. К ним, например, относится виртуальная линейка для начертания прямых линий. Даже пальцы при касании получится использовать в качестве линейки. Microsoft в свою очередь оснащает свои программы Office для iOS функцией рисования тушью, посредством которой можно дополнять цифровые документы заметками и рисунками, сделанными от руки. Звучит практично, но если открыть такой документ не на iPad Pro, то получится файл Word с большим объемом графики. Таким образом, Apple Pencil стоит рассматривать скорее как задел на будущее. Если больше приложений и будущие устройства на платформе iOS будут поддерживать этот аксессуар, то он определенно имеет право на существование. А сейчас остается только гадать, кто входит в целевую аудиторию стилуса за $99. Дизайнеры и люди прочих творческих профессий работают в основном с графическими планшетами без экрана, используя в качестве средства отображения монитор ПК. А любителям, которым нужно быстро сделать записи и рисунки, тратиться на такой дорогой аксессуар нет необходимости.

Другие интересные новости:

▪ Крошечный чип, управляющий несколькими лазерными лучами

▪ Механическая рука умеет чувствовать

▪ Акустический левитатор

▪ Электрон изучает наноструктуру

▪ Ценность черного шоколада пожилым людям с больными артериями

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цифровая техника. Подборка статей

▪ статья Франклин Делано Рузвельт. Знаменитые афоризмы

▪ статья Отчего возникает гусиная кожа? Подробный ответ

▪ статья Машинист (крановщик) электрических мостовых кранов. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Генератор для настройки ПЧ-тракта радиоприемника. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Чудо-вода. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026