Protezione delle apparecchiature elettroniche dagli impulsi ad alta tensione nella rete. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Gli autori introducono un problema poco noto alla maggior parte dei lettori: proteggere le apparecchiature domestiche da singoli impulsi di tensione ad alta tensione (più di 400 V) in una rete di alimentazione a 220 V, parlare delle opzioni per la sua implementazione e riferire sui componenti prodotti industrialmente dei dispositivi di protezione .

La presenza di impulsi di tensione che raggiungono 220 V o più nella rete di alimentazione CA di 50 V x 1000 Hz non è una novità per gli specialisti. Per una vasta gamma di consumatori di elettricità, questi impulsi sono una rivelazione. L'articolo discute le possibilità di proteggere le apparecchiature dagli impulsi che si verificano nella rete con una durata che va dai decimi di microsecondo a pochi millisecondi. I picchi di tensione più lunghi, superiori al semiciclo di una sinusoide da 50 Hz, vengono eliminati con altri metodi non trattati qui. Le ragioni per il verificarsi di questi impulsi sono diverse e sono descritte in letteratura, ad esempio in [1].

L'energia degli impulsi ad alta tensione nella rete di alimentazione può raggiungere diversi kilojoule. Metodi ben noti e diffusi per ridurre il rumore degli impulsi nei circuiti di potenza utilizzando filtri LC e RC, schermi tra gli avvolgimenti dei trasformatori di rete e altri metodi spesso non forniscono la necessaria riduzione dell'energia degli impulsi sui pin di alimentazione dei microcircuiti. È stato notato che impulsi con energia fino a un millijoule raggiungono effettivamente i microcircuiti, che sono perfettamente in grado di danneggiare l'apparecchiatura.

Altri metodi noti per limitare il livello degli impulsi in vari circuiti di apparecchiature elettroniche, in particolare nei quadri elettrici delle reti di distribuzione, prevedono l'utilizzo di dispositivi a scarica di gas e a semiconduttore. I dispositivi a scarica di gas, in pratica più spesso chiamati spinterometri, non sempre forniscono il risultato richiesto a causa della loro velocità relativamente bassa e sono piuttosto ingombranti.

I dispositivi a semiconduttore ampiamente utilizzati per ridurre il rumore impulsivo includono varistori a ossido di metallo, dispositivi a semiconduttore per uso generale e limitatori di tensione per semiconduttori speciali. I varistori sono resistori con una caratteristica corrente-tensione fortemente non lineare; la loro resistenza diminuisce significativamente con l'aumentare della tensione applicata. Per dispositivi a semiconduttore di uso generale intendiamo diodi Zener, diodi a barriera Schottky e pulsati e difensori.

Per speciali limitatori di tensione a semiconduttore, di cui parleremo più avanti, la caratteristica corrente-tensione è simile al diodo zener. La loro principale differenza rispetto ai diodi zener e ad altri dispositivi a semiconduttore per uso generale è la loro capacità di dissipare una grande potenza di impulso. I varistori moderni, sebbene leggermente inferiori ai limitatori considerati nel tempo di risposta, competono con loro in termini di producibilità e costi. Tuttavia, le caratteristiche dei varistori si deteriorano per un certo tempo dopo l'esposizione a ciascun impulso di interferenza. I limitatori a semiconduttore non presentano questo fenomeno. Considerando che per proteggere le apparecchiature elettroniche sono necessari dispositivi con la massima velocità e stabilità delle caratteristiche, è necessario dare la preferenza.

L'azienda GSI (USA) ha prodotto all'inizio degli anni '90 oltre un migliaio di varietà di limitatori di tensione a semiconduttori con una potenza di impulso massima consentita fino a 60 kW e una tensione limite da 0,7 a 3000 V. Attualmente, limitatori simili con una potenza fino a Nella CSI vengono prodotti anche 30 kW per tensioni comprese tra 3 e 1000 V.

Il principio di funzionamento del limitatore è quello di aprire la sua giunzione pn chiusa se la tensione inversa applicata ad esso supera il livello di soglia. In altre parole, il limitatore si comporta in modo simile ai diodi Zener, ma il processo tunnel-valanga in esso è caratterizzato dal fatto che solo i portatori maggioritari portano cariche, quindi non vi è alcun accumulo indesiderato di portatori minoritari. Ciò è principalmente responsabile delle elevate prestazioni del limitatore.

La caratteristica corrente-tensione (CVC) del limitatore è mostrata in Fig. 1. Come un diodo zener, è asimmetrico.

Per limitare gli impulsi di entrambi i segni, è conveniente collegare due limitatori in serie, uno contro l'altro. La caratteristica corrente-tensione di tale coppia è simmetrica (Fig. 2).

I limitatori di tensione a semiconduttore prodotti in commercio vengono generalmente valutati in base alle seguenti caratteristiche:

• Rimp max - dissipazione di potenza massima consentita per l'impulso per una data forma di impulso, ciclo di lavoro (K3) e temperatura ambiente Tam.avg. Il valore di questo parametro è spesso indicato per una durata dell'impulso esponenziale di 1 ms a livello di registro. impulso massimo, con tempo di salita di 10 μs e K3 inferiore a 0,01%, garantendo che la potenza media consentita dissipata dal cristallo o dal corpo del dispositivo non superi;
• Irev max - corrente massima inversa che circola alla massima tensione inversa;
• Urev max - tensione massima inversa, che non deve superare il valore operativo (in questo caso la tensione operativa non deve essere limitata); il valore di UobP max viene solitamente assunto pari a 0,8 della tensione di apertura del dispositivo;
• Uopen e Iopen - tensione e corrente di apertura del dispositivo, corrispondente al punto di flesso sul ramo di lavoro della caratteristica corrente-tensione;
• Limite. imp - tensione limite - tensione inversa dell'impulso al valore massimo della corrente di impulso limite, a seconda della potenza massima di dissipazione dell'impulso consentita;
• Ipr.imp.max - corrente massima a impulso diretto - corrente diretta consentita in una determinata forma, fattore di riempimento e temperatura ambiente;
• Upr.imp.max - caduta di tensione massima dell'impulso diretto attraverso il limitatore alla corrente Ipr.imp.max;
• Cogr - coefficiente di limitazione pari al rapporto Ulim. imp max/Uopen; Kogr varia da circa 1,3 alla massima potenza di impulso Rimp max a 1,2 a 0,5 Rimp max;
• ton - tempo di commutazione durante il quale il dispositivo si apre nella direzione opposta (per limitatori simmetrici ton < 10-9 s).

In base ai valori di queste caratteristiche, il consumatore può selezionare il limitatore di tensione necessario per proteggere le apparecchiature elettroniche. Un limitatore simmetrico (a due bracci) è collegato alla rete CA parallelamente al carico utile. Nella normale modalità di rete, entrambi i bracci sono chiusi e solo una piccolissima corrente inversa lo attraversa in entrambi i semiperiodi. In altre parole, il limitatore non si palesa in alcun modo, consumando una certa - piccolissima - potenza (centesimi di watt).

Non appena nella rete appare un impulso di tensione ad alta tensione, che supera Uopen del limitatore, entrambi i suoi bracci si apriranno, uno nella direzione avanti, l'altro nella direzione opposta. Di conseguenza, l'impulso verrà bloccato e la tensione di carico in questo momento non supererà Ulim.

È da notare che il valore di Rimp max dipende dalla durata dell'impulso spento e, nell'intervallo τi = 0,1...10 ms, è circa proporzionale al rapporto 1/τi. All'aumentare della temperatura ambiente Tamb. avg da 40 a 100 СС la potenza dissipata Rimp max deve essere ridotta approssimativamente in proporzione a 0,024 Tamb. Mercoledì

Per ridurre l'ampiezza degli impulsi ad alta tensione sul percorso dalla rete 220 V ai pin di alimentazione dei microcircuiti, è consigliabile includere dei limitatori nell'alimentazione [2].

Se nella rete di alimentazione compaiono impulsi, la cui energia è maggiore del limite consentito per il limitatore applicato, esso, come un diodo Zener con troppa corrente di stabilizzazione, si surriscalda e si guasta. Da questo momento in poi le apparecchiature connesse alla rete non saranno protette.

Pertanto, uno svantaggio significativo dell'utilizzo dei limitatori è la mancanza di informazioni sulla loro prestazione o sul guasto dopo l'esposizione a impulsi potenti. Per fornire un'indicazione dello stato di funzionamento del limitatore simmetrico, esso è costituito da due singoli e ad esso è collegato un circuito di tre diodi di veto e due resistori limitatori di corrente (Fig. 3).

Una caratteristica speciale dell'indicatore di salute è l'uso dei LED in modalità non standard. Se i limitatori VD1 e VD2 funzionano correttamente e il semiciclo della tensione di rete è positivo (più - sul filo di rete superiore nello schema), la corrente scorre liberamente attraverso il limitatore VD1, aperto in direzione avanti e attraverso il LED HL1. Il limitatore VD2 in questo momento è chiuso.

Di conseguenza, quasi tutta la tensione di rete viene applicata al circuito HL3R2 e al diodo di veto, nella direzione opposta. Pertanto il LED HL3 si apre nella direzione opposta*; la corrente che lo attraversa è limitata dal resistore R2. Pertanto, una corrente di circa 2 mA scorre attraverso l'intero circuito dal filo positivo al filo negativo. Questo è sufficiente per garantire una notevole luminosità del LED “verde” HL1. Il LED HL2 non si accende perché al circuito HL2R1 è applicata una tensione insufficiente (meno di 3 V).

Quando la polarità della tensione di rete cambia, si verificano gli stessi processi, solo VD1 e VD2, R2 e R1, HL3 e HL2 cambiano di posto. Cioè, la funzionalità dei limitatori è confermata dal segnale verde dell'indicatore. In alcuni casi l'indicatore descritto può fungere contemporaneamente da indicatore della presenza della tensione di rete.

È facile vedere che se il limitatore VD1 si guasta (si rompe), il LED “verde” HL1 si spegne e si accende il LED “rosso” HL2, e se il limitatore VD2 è danneggiato, si accende il LED “rosso” HL3.

Il modulo descritto, denominato ZA-0, è stato sviluppato presso JSC "Computer Technology and Industrial Electronics" (Mosca) insieme a NPK "Kvark" (Tashkent) e messo in produzione in serie. L'aspetto del modulo è mostrato nella foto (Fig. 4).

Principali caratteristiche del modulo

• Potenza massima consentita all'impulso, kW, non inferiore, ad una temperatura ambiente di 25°C......1,5
• Ampiezza della tensione alternata per limitatori di apertura, V, ad una temperatura ambiente di 25°C (corrente di apertura 1 mA)......400±20
• Coefficiente di restrizione,......1,2... 1,3
• Intensità luminosa dei LED, mcd, non inferiore a ...... 0,5
• Potenza consumata dalla rete in assenza di impulsi ad alta tensione, W, non di più......0,5
• Dimensioni custodia**, mm, non più di......32x12x10
• Peso, g, non più di ...... 10

Il corpo del modulo è realizzato in plastica mediante fusione in uno stampo. Modifica climatica Posizionamento UHL categoria 4.2 secondo GOST 15150. In termini di protezione contro le scosse elettriche, il prodotto appartiene alla classe II secondo GOST 2757.0.

Il modulo ZA-0, oltre all'installazione negli alimentatori REA, è consigliato ad un'ampia gamma di utenti e radioamatori per l'utilizzo in laboratori, uffici e appartamenti per la protezione di dispositivi elettronici industriali e domestici collegati a prese di alimentazione a 220 V AC. A questo scopo è stato sviluppato un prodotto opzionale, denominato ZA-01. In questo caso il corpo del modulo è dotato di pin standard che ne consentono l'inserimento in qualsiasi presa libera della stanza.

Lo sviluppo del modulo protettivo ZA-0 è stato approvato dalla Fondazione scientifica e tecnica "Energy Electronics", che ha contribuito allo sviluppo di prodotti nella produzione di massa.

I moduli di protezione con una potenza di 5 kW (ZA-1) e 30 kW (ZA-2), nonché le versioni di questi prodotti con spine (ZA-11 e ZA-21), stanno per essere messi in produzione . Questi moduli dovrebbero essere utilizzati nei casi in cui i moduli da un kilowatt e mezzo non possono resistere agli impulsi di rete ad alta tensione. Sono stati inoltre sviluppati moduli per la protezione di reti DC, progettati per potenze impulsive da 1,5 a 30 kW e tensioni di apertura da 6,8 a 450 V.

Nella prima fase di utilizzo dei moduli protettivi ZA-0 e dei prodotti basati su di essi, il fornitore fornirà ai clienti la sostituzione gratuita di quelli guasti con quelli nuovi. Se i moduli falliscono nuovamente, al consumatore verrà consigliato di acquistare dispositivi più potenti. Se necessario, JSC "Tecnologia informatica ed elettronica industriale" (tel. Mosca 330-06-38) condurrà uno studio della rete del consumatore e presenterà proposte per la protezione delle apparecchiature elettroniche.

* Questa caratteristica dei LED (e di numerosi altri componenti elettronici) è stata a lungo notata, studiata e ampiamente utilizzata dai radioamatori. Vedi ad esempio l'articolo di I. Nechaev “LED as a zener diode” in “Radio”, 1997, n. 3, p. 51.

** Senza tener conto della lunghezza dei cavi - 9... 12 mm e dell'altezza degli alloggiamenti LED sporgenti - 3... 5 mm.

Letteratura

1. Cherepanov V.P., Khrulev A.K., Bludov I.P. Dispositivi elettronici per la protezione delle apparecchiature elettroniche dai sovraccarichi elettrici. Direttorio. - M.: Radio e comunicazione, 1994 (pp. 17-21).
2. Kolosov V. A. Alimentazione di apparecchiature elettroniche fisse. Teoria e pratica del design. - M.: Radio e comunicazione, 1992 (p. 111, 112).

Autore: V. Kolosov, Mosca, A. Muratov, Tashkent, Uzbekistan

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