Większość uszkodzeń na skutek przepięć bierze się z przyczyn naturalnych. Wyładowania atmosferyczne i pochodzące od elektryczności statycznej uzupełniają zakłócenia od komutacji urządzeń indukcyjnych i dużych odbiorników energii elektrycznej. O ile większość urządzeń zawiera w obwodach zasilania układy ochronne i tematyka zabezpieczeń przed przepięciami nie jest dzisiaj żadną nowością w układach zasilających, to jednak zabezpieczanie pod tym kątem linii sygnałowych i magistrali transmisji danych nie jest jeszcze dostatecznie rozpowszechnione. Kable pomiarowe, sygnałowe czy transmisyjne są chronione za pomocą ekranowania, jednak nie każdy kabel daje się dobrze zekranować oraz nie jest to środek skutecznie zabezpieczający przed wyładowaniami o dużej energii.
Ponieważ skutki przepięć są zwykle równoznaczne z uszkodzeniem części lub nawet całości urządzenia, warto znać i w razie potrzeby stosować dodatkowe, zewnętrzne ochronniki, które potrafią istotnie zwiększyć niezawodność pracy rozproszonych instalacji przemysłowych.
UKŁADY ZABEZPIECZEŃ
W podstawowej formie układ zabezpieczający przed przepięciem ogranicza maksymalną wartość napięcia, jaka może pojawić się na zaciskach linii transmisyjnej lub innego obwodu do takiej wartości, przy której nie nastąpi uszkodzenie. Redukcja ta dokonywana jest za pomocą warystorów metalowo-tlenkowych, krzemowych diod lawinowych TVS (Transient Voltage Suppressors) i gazowych elementów wyładowczych GDT (Gas Discharge Tubes) i w praktyce dostępne na rynku rozwiązania bazują na połączeniu ich w jedną funkcjonalną całość.
W przypadku ochrony linii sygnałowych warystory spotyka się najrzadziej. Powodem jest nie tyle ich zdolność ochronna, ale dość duża zmiana właściwości związana ze starzeniem się tych komponentów oraz duża pojemność własna ograniczająca możliwość aplikacji na liniach o dużej szybkości transmisji.
Wszystkie elementy ochronne mają nieliniowy charakter i w momencie pojawienia się na ich zaciskach dużego napięcia przechodzą w stan niskiej impedancji, zwierając chwilowo chroniony obwód. Z jednej strony pozwala to na realizację ochrony przed zbyt wysokim napięciem, z drugiej przewodzący element zamyka drogę dla prądu do masy i dalej do uziemienia, zamiast przez urządzenie do dalej podłączonych odbiorników. Jest to ważne nie tylko z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy, ale i ochrony przeciwpożarowej.
Zapewnienie ochrony przed przepięciami pozornie polega tylko na dołączeniu do chronionych linii i obwodów elementów zabezpieczeń. Problemy wynikają z natury takich wyładowań, których czas trwania jest bardzo krótki. Z jednej strony wymaga to zwrócenia dużej uwagi na szybkość zadziałania elementów zabezpieczających, która nie jest natychmiastowa, z drugiej strony szybkie zmiany napięcia powodują szereg niekorzystnych zjawisk związanych z indukcyjnościami przewodów i doprowadzeń oraz pojemnościami własnymi złączy i innych elementów.
Dlatego ochrona przepięciowa jest złożonym zagadnieniem wymagającym od inżynierów sporej praktyki. Chodzi o to, aby właściwie wyważyć stopień ochrony – nie za słaby, gdyż to ogranicza skuteczność działania i nie za duży, gdyż to może spowodować naruszenie integralności przesyłanych sygnałów.
Rozumiemy przez to takie wpływanie układu ochronnego na sygnał, że po przejściu przez łącze transmisyjne ulega zakłóceniu informacja, którą on niesie. W praktyce i omawianych zagadnieniach brak integralności sprowadza się do nadmiernego ograniczenia pasma przenoszenia przez tor transmisyjny przez elementy ochronne o dużej zdolności absorpcji energii.
Z uwagi na to ostatnie kryterium dobór układu ochronnego powinien rozpocząć się analizą właściwości linii transmisyjnych. Interesujące są poziomy stosowanych napięć, charakter sygnałów (analogowe lub cyfrowe), użyta topologia okablowania (linia symetryczna, niesymetryczna), liczba linii transmisji danych (transmisja równoległa lub szeregowa), jak też należy zbadać, jaka jest maksymalna szybkość transmisji danych na wymienionych liniach oraz częstotliwość sygnału zegarowego (o ile istnieje). Na rysunkach obok pokazano trzy przykładowe realizacje układów ochronnych. Warto zauważyć, że w każdym przypadku są to konstrukcje dwustopniowe, hybrydowe, łączące dwa typy elementów ochronnych.
ZASADA DZIAŁANIA
Na wejściu układu ogranicznika stosuje się zwykle wyładowczy odgromnik gazowy. Jest to element o bardzo wysokiej wytrzymałości prądowej wykonany w postaci rurki wypełnionej gazem pod niskim ciśnieniem i wyposażonej w dwie lub trzy elektrody. Wersja trójelektrodowa funkcjonalnie odpowiada dwóm odgromnikom połączonym jedną z elektrod w trójnik. Wzrost napięcia na zaciskach elementu powyżej progowej wartości powoduje zjonizowanie gazu i praktyczne zwarcie przekazujące prąd do uziemienia.
W stanie normalnym odgromnik praktycznie nie wypływa na transmitowany sygnał i charakteryzuje się niską pojemnością własną, co jest ogromną zaletą tego elementu. Prosta konstrukcja pozwala również na pracę z impulsami prądowymi sięgającymi kiloamperów, przy wymiarach 5×10mm, co jest znakomitym wynikiem.
Jednak inicjacja jonizacji gazu zajmuje nieco czasu, co powoduje, że element ten nie jest w stanie skutecznie ograniczyć od pierwszego momentu szybko narastającego zbocza napięcia. Co więcej, krótki impuls o czasie trwania poniżej mikrosekundy, bez względu na napięcie i energię, może być przez odgromnik po prostu nie zauważony, co jest oczywiście nie do przyjęcia.
Inercja w zadziałaniu odgromnika wymaga uzupełnienia układu przez drugi stopień zabezpieczenia o mniejszej zdolności absorpcji energii, jednak o nieporównywalnie większej szybkości zadziałania. Takimi elementami są półprzewodnikowe diody TVS, które w porównaniu do odgromników działają natychmiast i są w stanie skutecznie ograniczyć napięcie na wyjściu układu ochronnego do wartości bezpiecznej.
Diody te produkowane są w szerokim zakresie nominalnych napięć ograniczania od 5 do 400V, co pozwala dobrać ten element do praktycznie każdej aplikacji. Zdolność absorpcji energii dla diod zależy od konkretnego typu i definiuje się ją maksymalną mocą sygnału udarowego, którą element jest w stanie przejąć przez 1ms. Dla najpopularniejszych elementów o wymiarach 5×8mm jest to 1,5kW.
WARIANTY WYKONANIA
Liczba elementów tłumiących, sposób połączenia z układem chronionym zależy od sposobu wykonania łącza transmisyjnego. Na przykład transmisja łączem symetrycznym wymaga od układu ochronnego połączenia tylko do linii sygnałowych, bez wpływania na pływający potencjał masy takiego sygnału.
Dla łączy niesymetrycznych koniecznie jest z kolei odniesienie się do masy. W każdym przypadku konstrukcja układu ochronnego powinna uwzględniać naturę szybkich sygnałów cyfrowych, które nie mogą na swojej drodze transmisji spotykać elementów o dużej pojemności własnej, co wprowadza niepotrzebne tłumienie. W takiej sytuacji stosuje się konstrukcje mostkowe, które minimalizują wpływ reaktancji pasożytniczych.
WarystoryWarystory to elementy, których działanie jest podobne do odgromników gazowych i diod ochronnych. Warystory wykonuje się ze spieków tlenków metali i elementy te charakteryzują się dużą rezystancją początkową wynoszącą kilkaset kiloomów. Gdy napięcie na zaciskach warystora przekroczy pewien charakterystyczny próg, rezystancja gwałtownie maleje, co pozwala wykorzystać te elementy do ochrony przed przepięciami. Do niedawna warystory były jednym z bardziej popularnych komponentów zabezpieczających, do czego przyczyniała się niska cena tych elementów oraz dość szeroka oferta pozwalająca dobrać element do większości urządzeń i systemów zasilania. Aktualnie warystory wypierane są z rynku przez diody Zenera dużej mocy TVS (Transient Voltage Suppressor), które pełnią podobną rolę. O zmianach decyduje coraz większa dostępność diod TVS na rynku oraz rosnący zakres mocy przepięć, do jakich pochłaniania zdolne są diody. Ważna jest również miniaturyzacja i możliwość montażu automatycznego techniką powierzchniową diod TVS, która sprzyja miniaturyzacji i automatyzacji produkcji. Mało znaną wadą warystorów jest ich stopniowa degradacja pod wpływem kolejnych przepięć. Tłumienie energii impulsów wysokonapięciowych odbywa się na skutek przebić w warstwie tlenków, które wypalają warstwę aktywną materiału i z czasem ograniczają skuteczność pracy warystora. Jest to niewątpliwie kłopotliwa cecha wymagająca okresowego serwisowania lub wymiany urządzeń ochronnych zawierających te elementy. |
Ważnym elementem wykonania układu tłumiącego jest jego obudowa. Z uwagi na możliwość pojawienia się wysokich napięć i prądów o bardzo dużej wartości konieczne jest zapewnienie odpowiedniej klasy bezpieczeństwa, jak też uzyskanie certyfikatów w zakresie niepalności w szerokim zakresie temperatur pracy i wilgotności powietrza.
JAK UZYSKAĆ NAJLEPSZĄ SKUTECZNOŚĆ?
Uzyskanie wysokiej skuteczności ochrony nierozerwalnie wiąże się z właściwym połączeniem układu ogranicznika przepięć do masy urządzenia i dalej do uziemienia. Zapewnienie niskiej impedancji tego połączenia jest kluczowym zagadnieniem dla ochrony przed wyładowaniami dużej mocy, np. od wyładowań atmosferycznych.
Wyładowania takie charakteryzują się ogromną szybkością narastania zboczy napięcia, która sięga nawet dziesiątek kiloamperów w czasie jednej mikrosekundy. O ile dla napięć zasilających o częstotliwości 50Hz sposób połączenia masy do układu i uziemienia nie ma większego znaczenia i jedynym wymogiem jest uzyskanie pewnego połączenia galwanicznego przy małej rezystancji, w przypadku szybko zmieniających się sygnałów zapewnienie jak najniższej indukcyjności doprowadzeń masy staje się kluczowe.
Obwody rezonansowe, jakie tworzą wszechobecne pojemności pasożytnicze tworzone przez połączenia, elementy i obudowy wraz z indukcyjnością przewodów i wyprowadzeń po pobudzeniu stromym sygnałem przepięcia stają się źródłem wysokoczęstotliwościowych zaburzeń elektromagnetycznych.
Źle zaprojektowany obwód ochronny może zatem paradoksalnie przynieść więcej problemów, niż mogłoby się to wydawać. Kluczowym zagadnieniem jest oczywiście minimalizacja długości połączenia masy, zapewnienie dobrego i pewnego kontaktu elektrycznego, jak też poprawne połączenie masy aplikacji i układu ochronnego z uziemieniem.
Dobra praktyka inżynierska nakazuje tutaj utworzenie jednego punktu uziemienia w taki sposób, że masy aplikacji, zasilacza i innych modułów wchodzących w skład urządzenia łączone są w jednym miejscu i punkt ten jest następnie uziemiany. Taki sposób połączenia charakteryzuje się najlepszymi parametrami ochronnymi i jest jednocześnie dobrym sposobem uniknięcia zapętlenia linii masy.
TRZY PRZYKŁADY KONSTRUKCJI OBWODU ZABEZPIECZAJĄCEGO PRZED PRZEPIĘCIEM
Na rysunkach pokazane zostały trzy przykłady konstrukcji obwodu zabezpieczającego przed przepięciami wykonane za pomocą trójkońcówkowego wyładowczego odgromnika gazowego (kolor niebieski) i diod TVS (kolor zielony). Każdy układ został poddany działaniu przepięcia trwającego od 8 do 20µs i natężeniu 8kA.
Układ generacji przepięcia był tym samym zgodny z modelem określanym przez normy IEC 60060-1 i IEEE C62.41 definiujące kształt i parametry napięciowo-prądowe takich impulsów w laboratoriach badawczych. Wszystkie układy połączone zostały z uziemieniem za pośrednictwem metrowej długości przewodu miedzianego o oporności około 6mΩ/m i indukcyjności około 1µH/m. Za każdym razem zaciski "wy" dołączane były do chronionego układu, zaciski "we" do generatora impulsów testowych, zacisk "masa" był połączony z masą układu, a zacisk "uziem" dołączony przewodem do ziemi.
|
Piotr Bem Menedżer produktu – Epcos JM elektronik
Wyróżnić można kilka typowych rodzajów przepięć. Jednym z nich są krótkotrwałe, nanosekundowe wyładowania elektrostatyczne. Ich cechą są też relatywnie niewielkie prądy, które nie przekraczają 50A. Z kolei przepływy prądów o większych wartościach – do 1kA i o czasach liczonych w milisekundach – powodować mogą indukcyjności. Największe pod względem wartości są wyładowania atmosferyczne.
Dla najmniejszych prądów, nieprzekraczających 30A, które związane są z wyładowaniami elektrostatycznymi powstającymi podczas użytkowania niewielkich urządzeń elektronicznych, oferujemy elementy ceramiczne typu CeraDiode. W odróżnieniu od większości elementów półprzewodnikowych, elementy te zapewniają taką samą charakterystykę w obu kierunkach przewodzenia, która jest zachowana aż do temperatury 85ºC. Bardzo małe wymiary struktury zapewniają niską indukcyjność, co znacznie poprawia czasy reakcji. Ten ostatni parametr jest kluczowy dla ochrony urządzeń i wynosi w przypadku omawianych elementów mniej niż 0,5ns. Dla porównania elementy oparte o półprzewodniki osiągają czasy na poziomie od 0,8 do 3ns.
W przypadku prądów o wartościach do 20kA stosowane mogą być warystory do montażu przewlekanego. Są to najpopularniejsze elementy zabezpieczające przed przepięciami z sieci energetycznej pojedyncze urządzenia elektroniczne czy systemy automatyki. Produktem szczególnym jest w tej grupie ThermoFuse – warystor o standardowych wymiarach i zwiększonym prądzie pracy. Ma on dodatkowe wyprowadzenie, które zostaje odłączone po przekroczeniu temperatury granicznej pracy elementu. Z kolei w przypadku prądów o najwyższych wartościach, czyli do 100kA, które związane są najczęściej z przepięciami wywołanymi przez wyładowania atmosferyczne, stosuje się warystory blokowe. W przypadku firmy Epcos są to podzespoły zalewane w obudowach z tworzyw niepalnych (norma UL94V-0) i służą one do zabezpieczania obiektów i całych systemów. Oczywiście w systemach zabezpieczeń przeciwprzepięciowych stosuje się też iskrowniki gazowe. Elementy te, podobnie jak warystory i diody, podlegają również miniaturyzacji – przykładowo w zeszłym roku Epcos wprowadził do oferty najmniejszy na świeci iskrownik o średnicy 2,8mm. Obecnie klientom oferujemy iskrowniki na napięcia od 75V do 5,5kV, natomiast, zgodnie z naszymi obserwacjami rynku, najpopularniejsza w Polsce jest seria EC o średnicy 5mm. |
Celem badania było określenie wartości napięcia, jakie pojawia się w czasie trwania przepięcia w odniesieniu do zerowego potencjału ziemi, na linach sygnałowych i masie urządzenia. Wartość tego napięcia w bezpośredni sposób przekłada się na bezpieczeństwo użytkowania, jak też jest warunkiem zapewnienia bezpieczeństwa działania chronionego układu. Pierwsze badanie dotyczy spadku napięcia na podłączonym uziemieniu, które dla 8kA prądu sięga 50V.
Do tego trzeba dodać napięcie, jakie pojawi się na układzie na skutek istnienia indukcyjności przewodu, dla 1µH/8kA i 8µs, przepięcie wyniesie około 900V, co oznacza, że na zacisku "masa" pojawia się napięcie zbliżone do 1kV. Jest to niewątpliwie duża wartość, wymagająca przedsięwzięcia odpowiednich kroków zapobiegawczych, gdyż zagraża bezpieczeństwu pracy.
Pojawiające się na zacisku masy wysokie napięcie jest szczególnie niebezpieczne w przypadku układu z rysunku 1, gdyż napięcie na zaciskach "wy" w czasie trwania przepięcia nie tylko jest nie tylko równe spadkowi napięcia na przewodzie uziemiającym, ale również jest powiększone o napięcie odkładające się na odgromniku i jego doprowadzeniach.
Warto zauważyć, że w pierwszej chwili, gdy gaz w odgromniku nie jest jeszcze zjonizowany, dioda TVS nie zadziała i wysokie napięcie pojawi się na zaciskach wyjściowych niczym nieograniczone! W układzie z rys. 1 dioda zapobiega jedynie niekontrolowanemu wzrostowi napięcia różnicowego między zaciskami wyjściowymi i tym samym pokazany na rysunku 1 układ nadaje się tylko do układów, w których wykorzystuje się transformator symetryzujący umieszczony na wejściu urządzenia tak jak jest to np. w transceiverach PHY w sieci Ethernet.
Problem opóźnienia zadziałania odgromnika rozwiązuje układ z rysunku 2, gdzie użyto dwóch diod niezależnie kontrolujących napięcia na każdej linii wyjściowej. Diody te ograniczają napięcie wyjściowe, gdy odgromnik jeszcze nie działa, a w warunkach silnego przeciążenia powodują spalenie bezpieczników i rozwarcie obwodu, co chroni przed udarem cieplnym. Wadą układu z rysunku 2 jest to, że nie ogranicza on wzrostu napięcia, które pojawi się między zaciskami wyjściowymi.
Zamiast dodawać trzecią diodę i kolejną pojemność pasożytniczą w układzie, lepiej skorzystać z układu z rysunku 3, gdzie wykorzystano jeden ogranicznik i kilka diod zwykłych sumujących napięcia przepięć z poszczególnych linii. Jak widać z podanych przykładów, nie każdy ogranicznik jest w stanie zapewnić ochronę w szczególnym rozwiązaniu aplikacyjnym, dlatego warto znać dostępne na rynku rozwiązania i stosować je po przeprowadzeniu analizy.
Robert Magdziak
