Dobór i stosowanie urządzeń IsoMOV w minimalnej przestrzeni

Implementacja funkcji zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP)

Ponieważ układy typu crowbar i układy progujące są krytycznymi urządzeniami zabezpieczającymi, ważne jest, aby były proste, niezawodne oraz miały łatwe do zrozumienia i spójne parametry działania. Dzięki temu zachowują się one jak bezpiecznik topikowy - klasyczny element zabezpieczenia nadprądowego często używany jako dodatkowa warstwa ochrony.

Urządzenie typu crowbar: najpopularniejszym urządzeniem tego typu jest starannie skonstruowany i zwymiarowany iskiernik gazowy (GDT) w hermetycznej obudowie wypełnionej gazem obojętnym. Podczas normalnej pracy, przed zdarzeniem przepięcia chwilowego (TOV), jego rezystancja jest bliska nieskończoności (ilustracja 3). Jednakże, gdy wystąpi udar nadnapięciowy i przekroczenie napięcia projektowego iskiernika gazowego, dojdzie do jonizacji gazu, a w rurce zapala się iskra i następuje przejście z wysokiej impedancji na bardzo niską. Ta zmiana powoduje chwilowe zwarcie linii do czasu wyeliminowania usterki.

Ilustracja 3: Iskiernik gazowy jest zaawansowanym urządzeniem iskrowym, które przewodzi prąd tylko wtedy, gdy napięcie na jego zaciskach przekracza wartość projektową. Do tego czasu stanowi niemal idealny obwód otwarty. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)

Iskiernik gazowy jest powszechnie stosowany w obwodach prądu stałego, obwodach telekomunikacyjnych i obwodach sygnałowych, z których wszystkie mają dość niski prąd nie przekraczający 1A. Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do robiących wrażenie iskierników gazowych pokazywanych w filmach, iskierniki gazowe do małych przepięć są małymi, obudowanymi komponentami, w których iskra przeskoku nie jest widoczna i które można zamontować na płytce drukowanej. Mniejsze iskierniki gazowe są oferowane na napięcia znamionowe od 75 do 600V. Większe iskierniki są oferowane na napięcia znamionowe sięgające tysięcy woltów. Jednym z problemów związanych z iskiernikami gazowymi jest ich prąd następczy (zwany również prądem podtrzymania), który nadal płynie po wyeliminowaniu usterki.

Układy progujące: dwa z najczęściej stosowanych wariantów układów progujących to dioda tłumiąca napięcia przejściowe (PTVS) i warystor metalowo-tlenkowy (MOV). Oba są powszechnie stosowane do ochrony wysokoprądowej w obwodach prądu zmiennego i stałego, silnikach, liniach komunikacyjnych i obwodach pomiarowych (ilustracja 4). Warystory metalowo-tlenkowe są dostępne na napięcia od dziesiątek do ponad tysiąca woltów.

Ilustracja 4: Warystor metalowo-tlenkowy (i ogranicznik przepięciowy) zapewnia napięcia progujące obejmujące szeroki zakres projektowy. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)

Warystory metalowo-tlenkowe zazwyczaj przewodzą niewielki prąd upływu, nawet przy przyłożonym napięciu znacznie poniżej nominalnego napięcia progowego. Jeśli warystor metalowo tlenkowy (MOV) zostanie narażony na udar napięciowy przekraczający jego wartość znamionową, może nastąpić trwałe uszkodzenie, które spowoduje wzrost prądu upływowego. Chociaż prąd ten ma zwykle tylko kilka miliamperów, w pewnych okolicznościach może stwarzać ryzyko porażenia prądem.

Co więcej, wystarczająco wysoki prąd upływu warystora metalowo-tlenkowego (MOV) powoduje samoistne nagrzewanie wnętrza. Gdy warystor metalowo-tlenkowy jest stale podłączony do sieci prądu zmiennego, jego samonagrzewanie może powodować dodatnie sprzężenie zwrotne, w którym wyższy prąd upływu prowadzi do zwiększonego samonagrzewania, co z kolei prowadzi do jeszcze większego prądu upływu. Kolejne udary mogą jeszcze bardziej przyspieszyć ten cykl.

W pewnym momencie warystor MOV przejdzie w tryb niekontrolowanego wzrostu temperatury, powodując wytworzenie znacznych ilości ciepła i jego uszkodzenie. W niektórych sytuacjach ciepło wytwarzane przez warystor metalowo-tlenkowy może stać się potencjalnym źródłem zapłonu i spowodować zapalenie się znajdujących się w pobliżu materiałów. Efekt ten należy koniecznie wziąć pod uwagę i rozwiązać w celu spełnienia podstawowych norm bezpieczeństwa i norm związanych z bezpieczeństwem.

Lepsze zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP)

Aby zapewnić rozwiązanie zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), w którym praktycznie nie występuje prąd upływowy, a tym samym dłuższy okres użytkowania, projektanci często stosują układ dwukomponentowy. To hybrydowe podejście stanowi kombinację dwóch urządzeń dyskretnych połączonych szeregowo: iskiernika gazowego (GDT) i warystora metalowo-tlenkowego (MOV) (ilustracja 5) o łącznej krzywej napięcia w funkcji czasu (ilustracja 6).

Ilustracja 5: Hybrydowe podejście polegające na szeregowym łączeniu iskiernika gazowego (GDT) i warystora metalowo-tlenkowego (MOV) pozwala uzyskać skuteczniejsze zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP). (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)

Ilustracja 6: Odpowiedź hybrydowego układu iskiernika gazowego z warystorem metalowo-tlenkowym (GDT + MOV) w funkcji czasu demonstruje, w jaki sposób łączy on podstawowe atrybuty odpowiedzi poszczególnych urządzeń. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.).