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.

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