Dobór i stosowanie urządzeń IsoMOV w minimalnej przestrzeni

W miarę rozpowszechniania się urządzeń elektronicznych i ewolucji przepisów regulujących bezpieczeństwo użytkowników, projektanci poszukują możliwości zwiększenia ochrony urządzeń przy jednoczesnej minimalizacji kosztów i miejsca na płytce. Problem polega na tym, że ochrona obwodów jest bardzo podobna do ubezpieczenia: może wydawać się niepotrzebnym wydatkiem, dopóki nie będzie potrzebna. Potrzebna jest ochrona przed różnymi wewnętrznymi i zewnętrznymi anomaliami i błędami, w tym wewnętrznymi i zewnętrznymi zwarciami, przetężeniami i przepięciami. Zdarzenia te mogą tymczasowo lub na stałe wyłączyć system, uszkodzić układ, jego elementy wewnętrzne lub odbiornik, a nawet spowodować obrażenia ciała użytkownika.

Nie istnieje pojedyncze rozwiązanie zabezpieczające które chroniłoby przed wszystkimi usterkami i sytuacjami. Na przykład, jeśli chodzi o wdrożenie zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), układy typu crowbar, takie jak iskierniki gazowe (GDT) są generalnie lepsze w przypadku długotrwałych usterek, podczas gdy układy progujące, takie jak warystory metalowo tlenkowe (MOV), lepiej nadają się do zdarzeń przejściowych. Jednak wadą iskierników gazowych (GDT) jest to, że występuje w nich zjawisko prądu podtrzymania a warystorów metalowo-tlenkowych to, że mogą ulec trwałej awarii i mogą osiągnąć niebezpiecznie wysokie temperatury z powodu niestabilności termicznej. Używanie obu komponentów połączonych szeregowo w podejściu hybrydowym rekompensuje wszelkie potencjalne problemy, jednak takie podejście komplikuje układ płytki i zwiększa koszty. Aby wyeliminować konieczność kompromisu, potrzebna jest rewolucja w projektowaniu.

W niniejszym artykule opisano znaczenie zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP) i różne podejścia do jego realizacji. Następnie przedstawiono technologię IsoMOV, która łączy zalety iskierników gazowych GDT i warystorów metalowo-tlenkowych (MOV) w jednym urządzeniu, zapewniając jednocześnie dłuższy okres eksploatacji i brak prądu podtrzymania. W dalszej części zaprezentowano przykładowe urządzenia firmy Bourns Inc., opisano ich najistotniejsze cechy oraz sposób ich doboru i stosowania zapewniający skuteczną, wydajną i ekonomiczną ochronę.

Temat ochrony jest wieloaspektowy

Nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania do ochrony obwodów i układów. Jest tak z dwóch względów: po pierwsze, istnieje wiele rodzajów usterek i zdarzeń, przed którymi potrzebna jest ochrona, a po drugie, rodzaj i stopień wymaganej ochrony zależy od wielkości i czasu trwania stanu usterki.

Oto niektóre spośród wielu ogólnych rodzajów usterek:

• Przetężenie - odbiornik pobiera zbyt dużo prądu z powodu usterki zewnętrznej, zwarcia lub awarii elementów wewnętrznych (w tym uszkodzenia izolacji)
• Nadnapięcie - w części układu występuje nadmierne napięcie z powodu błędnych połączeń
• Termiczna - komponent przegrzewa się z powodu złej konstrukcji, nieodpowiedniego odprowadzania ciepła lub nadmiernej temperatury otoczenia
• Awaria komponentu - komponent wewnętrzny ulega awarii, która prowadzi do stanu przetężenia/nadnapięcia i uszkadza inne komponenty lub odbiornik

Usterki często mają również konsekwencje nie tylko wpływające na układ czy uszkadzające go, ale mogą również skutkować niebezpieczeństwem porażenia użytkowników prądem elektrycznym.

Układ typu crowbar i układy progujące do ochrony przeciwprzepięciowej

Jednym z najtrudniejszych stanów usterki w obwodach prądu zmiennego i stałego jest udar przepięciowy, zwany zdarzeniem przepięcia chwilowego (TOV). Ten krótki impuls lub skok jest często spowodowany uderzeniem pioruna w pobliżu lub przełączaniem elektrycznym, które wprowadza szkodliwe stany nieustalone do sprzętu elektrycznego i jego wrażliwej elektroniki.

Sposobem na poradzenie sobie ze zdarzeniami przepięcia i chwilowymi TOV jest zastosowanie dwóch obszernych klas urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej (SPD): układów typu crowbar i układów progujących. (Należy zwrócić uwagę, że potocznie te terminy są czasami używane zamiennie, choć nie są równoznaczne.)

W skrócie, układ typu crowbar generuje zwarcie na zabezpieczanej linii, kierując w ten sposób przepięcie i jego prąd do uziemienia, chroniąc przed nim obwody (ilustracja 1). W sytuacji nadnapięcia w układzie typu crowbar aktywowany jest tryb niskiej impedancji.

Interesująca uwaga na marginesie: termin „crowbar” (z angielskiego „łom”) podobno pochodzi od działań robotników przemysłowych we wczesnych latach rozwoju elektryczności, którzy, gdy wystąpiło nadnapięcie, faktycznie rzucali metalowe łomy na szyny zasilające i uziemiające.

Ilustracja 1: Po aktywacji funkcji ochronnej w postaci układu typu crowbar układ taki staje się drogą przepływu o niskiej impedancji między chronioną linią a uziemieniem, odprowadzając w ten sposób nadnapięcie. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)

Układ typu crowbar pozostaje w trybie niskiej impedancji, dopóki prąd nie spadnie poniżej prądu podtrzymania, po czym powraca do stanu normalnego o wysokiej impedancji. Musi on wytrzymywać przepływające przez niego prądy przez czas, w którym źródło zasilania jest w stanie nadnapięcia.

W przeciwieństwie do tego, układ progujący zapobiega przekroczeniu zadanego poziomu napięcia (ilustracja 2). Gdy napięcie stanu nieustalonego osiągnie poziom graniczny, stanowiący znamionowe napięcie urządzenia progującego, ograniczy ono napięcie do momentu ustania usterki, po czym linia powróci do normalnego trybu pracy. Ważne jest, aby znamionowe napięcie progowe było wyższe niż normalne napięcie robocze.

Ilustracja 2: W przeciwieństwie do układu typu crowbar, układ progujący ogranicza udar nadnapięciowy do określonej wartości. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)

Układ progujący przewodzi tylko tyle prądu, aby utrzymać napięcie na nim na bezpiecznym, pożądanym poziomie, podczas gdy stan nieustalony jest powyżej napięcia przewodzenia układu progującego. Ten prąd, choć niewielki, może prowadzić do pewnych problemów związanych z bezpieczeństwem, które należy rozwiązać i które mogą wymagać dodatkowej ochrony, co omówiono poniżej. Jego parametry znamionowe muszą być adekwatne do mocy, którą będzie musiał rozproszyć w określonym czasie, zazwyczaj stosunkowo krótkim dla stanu nieustalonego.