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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Мультиварка с Wi-Fi 09.03.2014 В апреле 2014 г. компания Polaris представит на рынке мультиварку со встроенным модулем Wi-Fi. Этот кухонный гаджет - первый представитель мультиварок третьего поколения, в котором впервые реализована возможность дистанционного управления при помощи смартфона или планшета на iOS и Android. Wi-Fi-мультиварки Polaris могут "говорить" друг с другом, обмениваться рецептами через мобильные приложения и специальный сайт. Также впервые прибор объединит в себе функции скороварки и мультиварки. Он оснащен функцией "Мультиповар Plus", которая позволит задать до 9-ти этапов температурной обработки в одном цикле приготовления. Работа с Wi-Fi осуществляется при помощи мобильного приложения "Polaris: готовим в WiFi-мультиварке". Приложение будет доступно в Appstore и PlayMarket. В продажу Wi-Fi-мультиварка Polaris EVO поступит в апреле 2014 г.

Другие интересные новости:

▪ Планшетофон No.1 N3 Advanced с камерой 21 Мп

▪ Технология латексной печати на жестких носителях

▪ ДНК превратили в логические вентили

▪ Холодильник Sharp JH-DT55B

▪ Гигантские природные ускорители частиц

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Важнейшие научные открытия. Подборка статей

▪ статья Капица Петр Леонидович. Знаменитые афоризмы

▪ статья Где и когда появилась в Европе первая кофейня? Подробный ответ

▪ статья Санитарка дневного стационара. Должностная инструкция

▪ статья Квадратурный смеситель на встречных волнах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Красная или черная. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026