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.
Jest to skuteczny sposób zrekompensowania wad jednego urządzenia przez drugie. Takie podejście wiąże się jednak z pewnymi kosztami:
- Wymaga więcej przestrzeni na płytce drukowanej
- Na wykazie materiałów BOM pojawia się kolejny komponent
Innym wyzwaniem jest to, że układ płytki drukowanej w obszarze warystora metalowo-tlenkowego (MOV) i iskiernika gazowego (GDT) jest skomplikowany ze względu na wymagania regulacyjne określające minimalne odległości upływu i odstępu izolacyjnego, gdzie:
- Odstęp izolacyjny to najmniejsza odległość w powietrzu między dwoma elementami przewodzącymi
- Droga upływu to najmniejsza odległość wzdłuż powierzchni stałego materiału izolacyjnego między dwiema częściami przewodzącymi
Problem polega na tym, że wraz z napięciem zwiększają się wymagane odstępy izolacyjne i drogi upływu. W rezultacie umieszczenie warystora metalowo-tlenkowego (MOV) i iskiernika gazowego (GDT) dodaje kolejny wymóg i ograniczenie do uwzględnienia w układzie płytki.
Ilustracja 7: Symbol schematyczny urządzenia IsoMOV (po prawej) pokazuje go jako połączenie pojedynczych standardowych symboli iskiernika gazowego (GDT) (środek, po lewej) i warystora metalowo-tlenkowego (MOV) (góra i dół, po lewej). (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)
Ilustracja 8: Budowa fizyczna urządzenia IsoMOV jest zupełnie nową realizacją funkcji hybrydowej, a nie tylko umieszczeniem dwóch istniejących pojedynczych urządzeń w jednej obudowie. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)
Ilustracja 9: Urządzenia IsoMOV w obudowie krążkowej z odprowadzeniami radialnymi wyglądają jak standardowe warystory metalowo-tlenkowe, z wyjątkiem tego, że mają mniejszą średnicę i wyższy prąd znamionowy niż odpowiadające im warystory metalowo-tlenkowe. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)
Aby pomóc projektantom w rozwiązaniu kwestii związanych z kosztami, przestrzenią i normami, firma Bourns Inc. opracowała serię hybrydowych komponentów zabezpieczających IsoMOV. Ta grupa produktów stanowi alternatywne rozwiązanie, które łączy w jednej obudowie zarówno warystor metalowo-tlenkowy(MOV), jak i iskiernik gazowy (GDT), oferując funkcjonalność równoważną wymienionych elementów dyskretnych w połączeniu szeregowym (ilustracja 7).
Wystarczy spojrzeć na konstrukcję IsoMOV, aby zrozumieć, że nie jest to tylko proste połączenie warystora metalowo-tlenkowego i iskiernika gazowego (MOV + GDT) we wspólnej obudowie (ilustracja 8).
Po zmontowaniu rdzenia mocowane są wyprowadzenia, a urządzenie pokrywane jest żywicą epoksydową. Rezultatem jest obudowa typowa dla warystorów metalowo-tlenkowych w postaci krążka z odprowadzeniami promieniowymi, która jest tylko nieco grubsza i ma mniejszą średnicę nie konwencjonalne urządzenia o podobnych parametrach znamionowych (ilustracja 9). Ponadto, dzięki oczekującej na przyznanie patentu technologii metalowo-tlenkowej, urządzenie IsoMOV ma również wyższy prąd znamionowy przy tych samych rozmiarach. Wyeliminowano także kompromis polegający na większej zajętości przestrzeni oraz problemy związane z odstępami izolacyjnymi i drogami upływu.
Urządzenia IsoMOV nie tylko łączą najważniejsze zalety obydwu komponentów, ale również pozwalają osiągnąć inne korzyści. Awarie warystorów metalowo-tlenkowych charakteryzują się na ogół tak zwanym „otworem udarowym” na krawędzi metalizowanego obszaru, który jest zwykle spowodowany podwyższoną temperaturą we wnętrzu komponentu podczas przepięcia. Unikalna technologia EdgMOV firmy Bourns została zaprojektowana w celu znacznego ograniczenia lub wyeliminowania tego typu awarii.
Przyjrzyjmy się przykładowemu modelowi urządzenia IsoMOV, aby lepiej je zrozumieć. Urządzenie ISOM3-275-B-L2 charakteryzuje się maksymalnym napięciem pracy ciągłej (MCOV) na poziomie 275Vrms/350V=, a prąd znamionowy wynosi 3kA/15 zadziałań, 6kA/1 zadziałanie (maksymalnie). Szczególnie interesująca jest niska pojemność urządzenia 30pF przy częstotliwości 20kHz, co czyni go dobrym wyborem do linii z szybkim transferem danych. Posiada ono również niski upływ prądu poniżej 10µA.
Rola norm
Inżynierowie projektanci zmuszeni są wdrażać różne formy ochrony przed przepięciami (i nie tylko) z wielu powodów - począwszy od rozważnej praktyki projektowej, a skończywszy na obowiązkach wynikających z różnych norm prawnych. Niektóre z tych norm są uniwersalne i mają zastosowanie do każdego sprzętu ogólnego użytku, takiego jak działanie linii prądu zmiennego, a inne są specyficzne dla określonej klasy zastosowań, takich jak urządzenia medyczne. Wśród organizacji ustanawiających normy znajdują się UL, IEEE i IEC. Wiele ich norm jest „zharmonizowanych”, a zatem identycznych lub prawie identycznych.
Wszystkie wspomniane normy są skomplikowane i nakładają wiele obowiązków. Zawierają one również wyjątki, które wiążą się z możliwością pominięcia pewnych kroków lub funkcji w określonych okolicznościach, a także koniecznością spełnienia dodatkowych wymagań w innych. Na przykład zarówno normy IEC 60950-1, „Sprzęt informatyczny - Bezpieczeństwo”, UL/IEC 62368-1, jak i „Norma dotycząca sprzętu audio/wideo, technologii informacyjnej i komunikacyjnej - Część 1: Wymagania bezpieczeństwa” (która zastąpiła normę IEC 60950-1 w 2020 r.), wymagają, aby napięcie znamionowe warystora metalowo-tlenkowego wynosiło co najmniej 125% napięcia znamionowego urządzenia. W konsekwencji dla obwodu sieciowego o napięciu skutecznym 240Vrms warystor metalowo-tlenkowy musi mieć skuteczne napięcie znamionowe co najmniej 300Vrms.
Rozważmy częsty przypadek wtyczki sieciowej prądu zmiennego, która występuje w wersji dwu- i trzybolcowej. Teoretycznie wersja trzyprzewodowa zapewnia bezpieczne uziemienie, ale w praktyce uziemienie to często jest niepodłączone lub niedostępne. Brak faktycznego połączenia uziemiającego może prowadzić do potencjalnie niebezpiecznych warunków, gdy dostępne są tylko przewody fazowe i neutralne. W takim przypadku konieczne jest dodanie elementów ochronnych do projektu, aby zapobiec ewentualnemu porażeniu prądem elektrycznym, jeśli użytkownicy dotkną części przewodzących, które powinny być uziemione, ale nie są. Jednak w takim przypadku niewielki prąd upływu warystora metalowo-tlenkowego (MOV) może stwarzać niebezpieczeństwo porażenia prądem elektrycznym.
Najczęstszym rozwiązaniem eliminującym niebezpieczeństwo wywołane przez prąd upływowy warystora metalowo-tlenkowego (MOV) jest umieszczenie co najmniej jednego iskiernika gazowego (GDT) szeregowo z warystorem (ilustracja 10). Korzystając z urządzenia IsoMOV, zapewniamy sobie w jednej, oszczędzającej miejsce obudowie funkcje zarówno warystora metalowo-tlenkowego (MOV), jak i iskiernika gazowego (GDT). Urządzenie IsoMOV pozwala również rozwiązać pewne problemy, ułatwiając spełnienie wymagań bezpieczeństwa określonych przez normę UL/IEC 62368-1.
Ilustracja 10: Aby wyeliminować ryzyko porażenia użytkownika prądem elektrycznym spowodowane nieuniknionym prądem upływowym w nieuziemionej instalacji, między przewodem fazowym i neutralnym prądu zmiennego można umieścić szeregowo dwa urządzenia - warystor metalowo-tlenkowy (MOV) oraz iskiernik gazowy (GDT). (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.)
Ilustracja 11: Alternatywą dla używania oddzielnego warystora metalowo-tlenkowego (MOV) i iskiernika gazowego (GDT) jest użycie jednego urządzenia IsoMOV, które zapewnia takie same lub lepsze parametry i znacznie mniejsze rozmiary ogólne. (Źródło ilustracji: Bourns, Inc.).
Podsumowanie
Decyzja o tym, które rozwiązanie będzie „najlepsze”, często należy do inżynierów. W większości przypadków istnieją kompromisy i nie ma jednej, prostej odpowiedzi. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli chodzi o implementację zabezpieczenia nadnapięciowego, układy typu crowbar są lepsze w przypadku zwarć długotrwałych, podczas gdy układy progujące lepiej nadają się do zdarzeń przejściowych. Użycie obu urządzeń wymaga jednak więcej miejsca na płytce i komplikuje jej układ.
Teraz jednak można już nie iść na kompromis. Urządzenia IsoMOV firmy Bourns mają znacznie dłuższe okresy użytkowania w porównaniu ze zwykłymi warystorami metalowo-tlenkowymi (MOV), a jednocześnie nie wstępują w nich problemy z prądami podtrzymania charakterystyczne dla iskierników gazowych (GDT). Urządzenia te zajmują niewiele miejsca i zapewniają ochronę przed udarami napięciowymi i nadnapięciami, która spełnia wszystkie stosowne normy. Ponadto niski prąd upływu minimalizuje późniejsze problemy, a bardzo niska pojemność sprawia, że nadają się do ochrony szybkozmiennych obwodów niskonapięciowych.
Autor: Bill Schweber
Kontakt w Polsce
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
0048 696 307 330
arkadiusz.rataj@digikey.com
poland.support@digikey.pl