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:

Спасение коралловых рифов пересадкой доноров 10.12.2024

Ученые из Университета Бар-Илана предложили пересаживать фрагменты экосистемы здорового коралла на поврежденный. В результате здоровая экосистема помогает кораллу восстановиться. В новом исследовании был применен метод "пересадки экосистемы кораллового рифа". Он заключается в том, что со здорового рифа берется разнообразное сообщество организмов, в том числе беспозвоночных и микробов, выращивается на терракотовой плитке, а потом вместе с плиткой переносится на поврежденный риф. Эксперименты показали заметное улучшение здоровья кораллов: повысилась эффективность фотосинтеза и увеличилась популяция симбиотических водорослей. Результаты показали, что пересадка здоровой экосистемы может значительно повысить жизнестойкость и физиологические функции кораллов. Важным элементом эксперимента являются сами терракотовые плитки. Они повторяют сложную 3D-структуру природных коралловых рифов и обеспечивают удобную среду для разнообразных организмов. Ученые подробно описали проведенный эк ...>>

Разработана долговечная алмазная батарея 10.12.2024

Британские ученые построили уникальную батарею, способную работать тысячелетиями. Это устройство, получившее название алмазной батареи, основано на использовании радиоактивного изотопа углерода-14 и может стать революцией в мире энергетики. Принцип работы алмазной батареи схож с работой солнечных панелей, но с одной важной разницей: вместо света она использует радиоактивный распад углерода-14. Углерод-14 - это радиоактивный изотоп, известный по методу радиоуглеродного датирования, который широко применяется в археологии и геологии для определения возраста органических материалов. При распаде углерода-14 высвобождаются электроны, которые алмазная структура улавливает и преобразует в электрический ток. Этот процесс обеспечивает стабильное и долговечное производство энергии, так как период полураспада углерода-14 составляет около 5700 лет. Алмазная батарея обладает рядом значительных преимуществ: 1. Долговечность: Благодаря стабильности радиоактивного изотопа устройство способ ...>>

Влияние просмотра телевизора на размер мозга 09.12.2024

Продолжительный просмотр телевизора может негативно сказаться на здоровье мозга, снижая объем серого вещества - области, где сосредоточены нейроны, ответственные за обработку информации. Эти данные были получены в рамках исследования, проведенного командой ученых из Школы общественного здравоохранения Блумберга при Университете Джонса Хопкинса. Возглавлял проект Райан Догерти. Ученые анализировали данные крупного долгосрочного исследования "Развитие риска коронарных артерий у молодых взрослых" (CARDIA), начатого в 1985 году при поддержке Национального института сердца, легких и крови США. В исследовании участвовали более 5000 человек из четырех городов Соединенных Штатов, и его цель заключалась в изучении факторов, влияющих на здоровье на протяжении жизни. Один из аспектов, изученных в рамках CARDIA, был связан с привычками участников, включая время, проводимое перед экраном телевизора. Выяснилось, что те, кто смотрел телевизор более 1,4 часа в день, к 50 годам теряли около 0,5% ...>>

Случайная новость из Архива Солнечные электростанции внутри теплиц 16.06.2024 В условиях растущей потребности в устойчивых источниках энергии и повышении эффективности сельского хозяйства, ученые из консорциума REGACE начали тестирование солнечных электростанций внутри теплиц. Этот проект объединил 12 научно-исследовательских институтов и коммерческих организаций из Германии, Австрии, Греции, Италии, Бельгии и Израиля, получив грант в размере 5,5 млн евро от Европейского Союза через программу финансирования исследований и инноваций Horizon Europe. Проект REGACE использует систему TriSolar, которая включает изготовленные по заказу монокристаллические двухсторонние фотоэлектрические панели. Эти панели имеют прозрачную заднюю панель и промежутки между ячейками, что позволяет равномерно распределять свет внутри теплицы. Интеллектуальный механизм управления регулирует углы панелей в зависимости от потребностей растений в освещении. Доктор Эстер Магадли, представитель проекта REGACE, объясняет: "Эта система позволяет обеспечить растениям идеальное количество света и тени в течение дня". Повышенное содержание CO2 внутри теплицы способствует росту растений с меньшим количеством света, что делает использование солнечных панелей еще более эффективным. В отличие от традиционных солнечных панелей, система TriSolar не требует дополнительных ветрозащитных конструкций и имеет низкие затраты на монтаж. Это делает возможным использование технологии двойного назначения: для выращивания сельскохозяйственных культур и производства электроэнергии. Система TriSolar может применяться как в овощных, так и в цветочных теплицах, адаптируясь под конкретные виды растений. Технология подходит для различных климатических условий, от северных регионов Германии до Израиля, что подтверждает ее универсальность и гибкость. На сегодняшний день консорциум REGACE установил шесть экспериментальных установок, включая университетские исследовательские центры и действующие фермы. Среди них: Bio-Gartnerei Watzkendorf GmbH, органическая ферма в Северной Германии. Берлинский университет имени Гумбольдта, Германия. Fattoria Solidale del Circeo, социальная ферма в Италии. Университет природных ресурсов и наук о жизни, Вена, Австрия. Фессалийский университет, Греция. AlZahrawy Society, Исследовательский центр, Израиль. Проект будет продолжаться еще 18 месяцев, в течение которых собранные данные будут анализироваться для формирования рекомендаций по внедрению технологии в разных странах. Если жизнеспособность проекта будет доказана, у REGACE есть потенциал предложить ценное агроэлектрическое решение для теплиц по всему миру. Проект REGACE по интеграции солнечных электростанций внутри теплиц представляет собой значительный шаг вперед в области агроэнергетики. Использование системы TriSolar не только обеспечивает эффективное использование солнечной энергии, но и способствует оптимальному росту растений. Это инновационное решение может существенно повысить устойчивость и продуктивность тепличных хозяйств, предлагая одновременно экологически чистую энергию и высококачественную продукцию. Успех этого проекта может открыть новые горизонты для сельского хозяйства и энергетики, способствуя глобальному переходу к устойчивым технологиям.

Другие интересные новости:

▪ Матричные коммутаторы Mindspeed со скоростями 12,5 Гбит/с

▪ Интернет-автомат

▪ Вольтметр для живой клетки

▪ Черный ящик для угольных шахт

▪ Кусочек нейрона для обработки образцов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Палиндромы. Подборка статей

▪ статья Будьте мудры, как змии, и просты, как голуби. Крылатое выражение

▪ статья Можно ли использовать океанский прилив? Подробный ответ

▪ статья Водитель лесовозного автопоезда. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Черная протрава для железа и стали. Простые рецепты и советы

▪ статья Простой терморегулятор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2024