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:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Моющий пылесос Dyson WashG1 16.05.2024 Современные технологии стремятся сделать процесс уборки дома более эффективным и удобным. Новинка от компании Dyson, моющий пылесос WashG1, представляет собой инновационный подход к уборке, отличающийся от традиционных моделей. Dyson, ведущий производитель бытовой техники, представил новую модель моющего пылесоса WashG1, которая внесла революционные изменения в сферу уборки дома. Отличительной особенностью этой модели является уникальная конструкция, отказавшаяся от традиционного механизма всасывания. Рабочая насадка WashG1 оснащена двумя валиками с покрытием из микрофибры, каждый из которых имеет 64800 нитей на 1 см2. Эти валики работают в противоположных направлениях, эффективно вовлекая все загрязнения с пола. Особенностью этой модели является возможность автоматической очистки валиков: грязные части валиков омываются чистой водой и расчесываются нейлоновой щеткой. Собранный мусор собирается в специальный контейнер, а грязная вода проходит через пластиковую сетку и попадает в отдельный резервуар. Это позволяет сохранить валики в чистоте и не требует ручной мойки после каждого использования. Более того, различные детали прибора могут быть помещены в посудомоечную машину для удобства очистки. Резервуар для чистой воды имеет объем 765 мл и способен омывать валики с разной интенсивностью, в зависимости от степени загрязнения. По заявлению производителя, на одной заправке Dyson WashG1 может убрать до 288 квадратных метров пола. Моющий пылесос Dyson WashG1 представляет собой значительный шаг вперед в сфере уборочной техники. Его инновационный подход к уборке, автоматизация процесса очистки и высокая производительность могут изменить представление о том, как должна проходить уборка дома. Несмотря на высокую цену, эта модель может стать популярным выбором для тех, кто ценит эффективность и удобство в уборке.

Другие интересные новости:

▪ Мобильный телефон, работающий без сотовых операторов

▪ Жизнь на природе изменяет режим работы организма

▪ Чем можно заразиться, поев суши

▪ Роботы доят коров

▪ Система идентификации личности по радужной оболочке глаза BM-ET500

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Детекторы напряженности поля. Подборка статей

▪ статья Деньги. Кредит. Банки. Конспект лекций

▪ статья Почему нам иногда кажется, что у едущего автомобиля колеса вращаются в обратную сторону? Подробный ответ

▪ статья Киномеханик. Должностная инструкция

▪ статья Сварочный аппарат с электронной регулировкой сварочного тока. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья LED индикатор понижения напряжения питания РТО. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025