Расчет и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжений

 

Необходимо выбрать элементы каскадной защиты от перенапряжений с учетом характеристик используемой аппаратуры . При разработке схемы защиты по электропитанию, необходимо учесть следующее условие: стойкость аппаратуры со стороны электропитания – 900 В. Данная схема представлена на рисунке 13.

 

Рисунок 13 – Схема защиты по электропитанию

 

По заданию, стойкость аппаратуры со стороны линейных вводов, составляет 10 В, необходимо учесть это условие при выборе элементов защиты для линии передачи данных . Схема защиты для передачи данных, изображена на рисунке 14.

 

Рисунок 14 – Схема защиты для передачи данных

Схема защиты волновода изображена на рисунке 15.

Рисунок 15 – Схема защиты волновода

Основные характеристики используемых элементов защиты приведены в таблице 4

Таблица 4 – характеристики элементов защиты

обозначение	наименование	Uном, В
P1	Разрядник типа РНК-900	750 – 950
P2	Разрядник типа 2026-хх-ХХ	75 – 600
VD1	Варистор типа TVR20270
VD2	Супрессор типа Р4КЕ	6,45 – 522,5
Р3	Разрядник типа Р-63	200 – 300

 

Предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении им номинального тока.

По принципу действия при разрыве тока в защищаемой цепи предохранители разделяются на четыре класса – плавкие, электромеханические, электронные и использующие нелинейные обратимые свойства по изменению сопротивления после воздействия экстратока у некоторых проводящих полупроводниковых материалов (самовосстанавливающиеся предохранители).

В плавких предохранителях при превышении тока свыше номинального происходит разрушение токопроводящего элемента предохранителя (расплавление, испарение), традиционно этот процесс называют «перегоранием» или «сгоранием» предохранителя.

Автоматический выключатель защиты сети снабжён датчиками протекающего тока (электромагнитными и/или тепловыми), при превышении тока сверх номинального, разрывают цепь размыканием контактов, обычно, движение контактов на размыкание производится посредством предварительно взведённой пружины.

В электронных предохранителях защищаемую цепь разрывают бесконтактные ключи.

В самовосстанавливающихся предохранителях, при превышении тока, на несколько порядков увеличивается удельное электрическое сопротивление полупроводникового материала токопроводящего элемента предохранителя, что снижает ток цепи, после снятии тока и их охлаждения восстанавливают своё сопротивление.

Под термином электрический предохранитель или, обычно, предохранитель, подразумевается наиболее часто используемый и дешёвый плавкий предохранитель. Предохранители изображены на рисунке 16.

Рисунок 16 – Предохранители

 

Разрядники – основными преимуществами газоразрядников по сравнению с другими средствами первичной защиты оборудования являются:

а) динамические напряжения срабатывания >1000 В;

б) токи в режиме виртуального короткого замыкания >10000 А;

в) импеданс >1 ГОм;

г) емкость < 1 пФ.

В простейшем варианте газоразрядник конструктивно представляет собой герметичную керамическую трубку, заполненную инертным газом, с обоих концов которой выведены металлические электроды. Функционирует как электронный ключ, который срабатывает, когда разность потенциалов между его электродами превысит некоторое заданное значение. При этом его электроды замыкаются накоротко, и ток перегрузки стекает на земляную шину. В обычных условиях разрядник практически невидим в цепи защищаемого устройства. С увеличением разности потенциалов между электродами возрастает кинетическая энергия свободных электронов, образуются новые электроны и ионы, и возрастает ток между электродами. На этом этапе процесс переходит в стадию «тлеющего разряда». При дальнейшем увеличении напряжения процесс может мгновенно перейти в фазу лавинного размножения электронов, вызывая самостоятельный газовый разряд. При стандартном срабатывании газоразрядника время существования тлеющего разряда от начала интенсивной ионизации до газового пробоя составляет несколько микросекунд. Длительность самого пробоя зависит от конструкции и, как правило, продолжается десятки наносекунд . При этом скачкообразно возрастает ток, и падает разность потенциалов между электродами. В течение разряда напряжение на элементе практически перестает зависеть от тока и находится в промежутке 10…80 В для разных типов разрядников. Следует обратить внимание на тот факт, что в процессе разряда в некоторых случаях на землю может закорачиваться не только импульс перенапряжения, но также и цепи электропитания. Газоразрядники представлены на рисунке 17.

 

Рисунок 17 – Разрядники

 

Варисторы – это полупроводниковые (металлооксидные или оксидноцинковые) резисторы (рисунок 18), обладающие свойством резко уменьшать свое сопротивление с 1000 МОм до десятков Ом при увеличении на них напряжения выше пороговой величины .

В этом случае сопротивление становится тем меньше, чем больше действует напряжение. Типичная вольт-амперная характеристика варистора имеет резко выраженную нелинейную симметричную форму, то есть он может работать и на переменном напряжении.

Варисторы подсоединяют параллельно нагрузке, и при броске входного напряжения основной ток помехи протекает через них, а не через аппаратуру.

Таким образом, варисторы рассеивают энергию помехи в виде тепла. Так же, как и газоразрядник, варистор является элементом многократного действия, но значительно быстрее восстанавливает свое высокое сопротивление после снятия напряжения .

Достоинством варисторов, по сравнению с газоразрядниками, являются:

а) большее быстродействие;

б) безынерционное отслеживание перепадов напряжений;

в) выпускаются на более широкий диапазон рабочих напряжений (от 12 до 1800 В);

г) длительный срок эксплуатации;

д) имеют более низкую стоимость.

Рисунок 18 – Варисторы

 

Супрессоры – TVS-диоды (рисунок 19) должны обладать следующими качествами:

а) работа при обратном напряжении должна быть устойчивой;

б) уровень обратных токов при отсутствии помех должен быть минимальным, чтобы не влиять на работу остальной части схемы;

в) скорость срабатывания для подавления быстрых помех должна быть минимальной;

г) уровень рассеиваемой мощности для подавления мощных помех должен быть максимальным.

Несложно заметить, что требования оказываются достаточно противоречивыми. Чтобы увеличить допустимую мощность, нужно улучшить качество теплоотвода. Для этого требуется увеличивать площадь p-n-перехода. Это, в свою очередь, приведет к возрастанию обратных токов. В общем случае, площадь p-n-перехода в TVS значительно больше, чем у обычных диодов, и обратные токи также велики.

Принцип работы защитного диода основан на применении обратимого пробоя. Если к TVS приложить напряжение амплитудой больше определенного уровня VBR (напряжение пробоя), начнется пробой с лавинообразным увеличением носителей. Ток, проходящий через диод, практически неограниченно возрастает, а напряжение почти не изменяется. В итоге происходит ограничение входного напряжения. Таким образом, TVS-диод может находится в двух состояниях: выключенном и в режиме ограничения.

Стоит отметить, что TVS не является идеальным защитным ограничителем. Во время пробоя, при увеличении тока, напряжение на диоде возрастает, хотя и незначительно. Это приводит к тому, что уровень ограничения зависит от мощности помехи: чем мощнее помеха, тем выше напряжение ограничения .

 

Рисунок 19 – Супрессоры

Выбранные элементы обеспечивают надежную защиту по электропитанию, линии передачи данных и волновода.