Ochrona przed przepięciami - tajniki urządzeń ochronnych

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.

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.