Hibrid váltóáramú túlfeszültség-védelmi eszközök alkalmazása túlfeszültség elleni jobb védelemhez

Elektronikus eszközökkel most már mindenhol találkozunk, és jellemző rájuk, hogy igen gyorsan fejlődnek. Áramköreik egyre érzékenyebbek, és nagymértékben ki vannak szolgáltatva annak, hogy az őket védő védelem mennyire működik jól, miközben olyan elektromos infrastruktúrákhoz kapcsolódnak, amelyek nem feltétlenül rendelkeznek a túlfeszültségek és a tranziensek elleni legmodernebb védelemmel. A tranzienseket villámcsapás, kapcsolás vagy túlfeszültséget és túláramot okozó más hasonló feszültséghullámok válthatják ki, amelyek károsíthatják vagy más módon rongálhatják az érzékeny elektronikus eszközöket.

A meglévő olcsó túlfeszültségvédelmi technológiák, mint például a gázkisüléses csövek (GDT-k) és a fémoxid-varisztorok (MOV-ok) eltérítik vagy korlátozzák a túlfeszültség energiáját, így akadályozzák meg azt, hogy az elérje a védett eszközt. Mindkét eszköznek megvannak a maga előnyei, de korlátaik is vannak, mert csak bizonyos számú tranzienst képesek elviselni, mielőtt meghibásodnának. További szempontok, hogy a GDT-k nem zárják le teljesen az áramutat, míg a MOV-ok több elviselt tranzienst követően hőmegfutás miatt meghibásodhatnak.

A GDT-k és a MOV-ok legjobb tulajdonságainak kihasználásához, valamint hiányosságaik enyhítéséhez hibrid technológiájú alkatrészek jelentek meg. Ezek egyetlen tokba integrált eszközök, melyek fizikai mérete viszonylag kisebb adott szintű túlfeszültség-védelem mellett. Bár az ilyen integrált alkatrészeknél az egymást kiegészítő jellemzőknek köszönhetően mindkettő működése javul és meghosszabbítja élettartamukat, ahhoz, hogy ez hatékony legyen, körültekintően kell eljárni a GDT és az MOV elemek összepárosításakor. Helyesen használva őket, ezek az IsoMOV™ hibrid túlfeszültség védelmi eszközök különösen hasznosak az információtechnológiai és audio-vizuális berendezésekre vonatkozó veszélyalapú IEC/UL62368-1 szabványnak való megfelelés biztosításához.

Ez a cikk a GDT és MOV túlfeszültség-levezetők működését tárgyalja röviden, majd megvizsgálja a Bourns által gyártott valós IsoMOV hibrid védőeszközök jellemzőit. Végül bemutatja, hogyan alkalmazható az IsoMOV technológia az IEC/UL62368-1 szabványnak megfelelően.

A túlfeszültség-védelmi eszközök működése

A túlfeszültség-védelmi alkatrészek kétféleképpen működnek: kapcsolóként a földbe vezetik a túlfeszültség energiáját (ezt néha túlfeszültség levezetésnek is nevezik), vagy pedig a tranziens energiájának elnyelésével a maximális feszültséget egy csökkentett, elviselhető szintre korlátozzák.

Túlfeszültség levezetésre példaként a gázkisüléses csövek (GDT-k) említhetők. Ezek az eszközök egy nem reaktív gázban, például argonban kialakított szikraközből állnak, és párhuzamosan kötik be őket a tápegységgel. Ha a feszültségszint a GDT átütési feszültsége alatt van, az eszköz alapvetően nagy impedanciájú „kikapcsolt” állapotban van. Ha egy tranziens a feszültségszintet a GDT átütési feszültsége fölé emeli, a GDT vezető – vagyis „bekapcsolt” – állapotba kerül (1. ábra).

1. ábra: Egy bekapcsolt GDT feszültség- és áram-hullámformái. Az átütési feszültség túllépése után a feszültség körülbelül 10 voltra csökken, és az áram jelentősen megnő (kép: Bourns)

Mivel a GDT párhuzamosan van bekötve a tápbemenettel, alapvetően az történik, hogy rövidre zárja a tápforrást. Ez beindít egy biztosítékot, megszakítót vagy más soros védőeszközt, ezáltal védve a GDT után következő áramköröket. Vegyük észre, hogy kikapcsolt állapotban a feszültség magas, az áram pedig alacsony. Bekapcsolt állapotban ennek ellenkezője az igaz, és a disszipált energia nagyon kicsi, kivéve az állapotok közötti átmenetekkor. A GDT állapotának visszaállításához a bemeneti feszültséget az átütési feszültség alá kell csökkenteni. Abban az esetben, ha a tápvezeték bemenetén a feszültség nem esik elég alacsonyra, a GDT esetleg nem áll vissza alapállapotba, és továbbra is „utánfolyó” áramot vezet, bekapcsolt állapotban tartva magát. Mivel fennáll ez a lehetőség, hogy a GDT bekapcsolva marad, ez jelentősen korlátozza az ilyen típusú túlfeszültségvédelmi technológia alkalmazhatóságát.

A MOV egy korlátozó eszköz. A GDT-hez hasonlóan ezt is párhuzamosan kapcsolják a tápegységgel. Normál üzemmódban a MOV magas impedanciájú állapotban van, és csak kis szivárgási áramot vesz fel (2. ábra).

2. ábra: A MOV áram-feszültség jellegörbéjén látható a bipoláris korlátozó hatás (kép: Bourns)

Túlfeszültség esetén a MOV impedanciája csökken, az áramfelvétele megnő, disszipálva ezzel az energiát; ez lecsökkenti és korlátozza a tranziens feszültségét. A tranziens lefutása után a MOV impedanciája megnő, és az eszköz visszaáll normál állapotba. A MOV-okat az alapján specifikálják, hogy hány ilyen tranzienst képesek elviselni. Bizonyos számú tranziens elviselését követően a MOV szivárgási árama megnőhet, ami növeli az eszköz által leadott energiát, és emiatt az alkatrész felmelegszik. A melegedés következtében megnő a szivárgási áram, hőmegfutás következhet be és a MOV katasztrofálisan és végérvényesen meghibásodhat.

A fenti kettő túlfeszültség-védelmi technológia közül önmagában egyik sem ideális. Ha azonban egy sorba kapcsolt GDT-MOV párost kapcsolunk rá párhuzamosan a tápegységre, akkor egymást kiegészítő viselkedésük azonnal nyilvánvalóvá válik. Normál üzemmódban a GDT kikapcsolt állapotban van, és a MOV-ban nincs szivárgási áram. Egy tranziens feszültségimpulzus érkezésekor a GDT nyit és bekapcsol, aktiválja a MOV-ot az áramkörben, amely ezután lecsökkenti a lökőfeszültséget. A tranziens lefutása után a MOV kikapcsol, csökkentve a GDT-n átfolyó áramot, így az is kikapcsolhat.

Egy GDT és egy MOV sorba kapcsolásához a jellemzőik megvizsgálásával gondosan össze kell párosítani őket, hogy a két eszköz pontosan kiegészítse egymást. Az ilyen diszkrét komponensek esetén működési jellemzőik számos változótól függnek, a kialakításuktól kezdve a gyártáson és tesztelésen át a tokozásukig, és emiatt nem egyszerű a tervezők számára, hogy jó párosításokat találjanak. Ezen problémát oldják meg a Bourns IsoMOV hibrid védőeszközei, melyek egy GDT-elemből és azzal gondosan összepárosított MOV-okból állnak, és amelyek egyetlen, a különálló komponenseknél jóval kisebb tokozásban találhatók (3. ábra).

3. ábra: Az IsoMOV túlfeszültség-védelmi eszközök két MOV közé ékelt GDT-ből állnak (a). A kapcsolási rajzokon használt összetett szimbólum jobbról látható (b) (kép: Bourns)

A 4. ábrán az IsoMOV hibrid védőeszközök összetett feszültséggörbéjéből látható, hogyan működik együtt a két elem.

4. ábra: Az IsoMOV hibrid védőeszköz feszültséggörbéjéből látható, hogy miután a GDT komponens bekapcsolódik, a MOV komponensek is aktiválódnak védve az utánuk lévő áramköröket (kép: Bourns)

Az IsoMOV hibrid védőeszköz mindkét elemét úgy tervezték, hogy egymástól függetlenül képesek legyenek ellenállni a maximális folyamatos üzemi feszültségnek (MCOV). Mint említettük, a GDT blokkolja a MOV-ok szivárgási áramait, amikor nincs tranziens, és a GDT még sok tranziens után is levágja a MOV-ok növekvő szivárgási áramait. A MOV pedig megakadályozza a tranziens túlfeszültség utáni áramfolyást (utánfolyást) védve ezáltal a GDT-t. Geometriájának köszönhetően az IsoMOV egységnyi területre jutó túlfeszültség-védelmi képessége nagyobb, egyetlen MOV-éhoz képest.

Tervezőmérnöki szempontból a legfontosabb tényező az, hogy IsoMOV-eszközöknek köszönhetően egy jobb védelmi alkatrésszel dolgozhatnak kisméretű integrált tokozásban, ami minimalizálja az alkatrészek számát és a helyigényt a panelen. Ilyen IsoMOV hibrid védőeszköz például az ISOM3-175-B-L2, amelynek MCOV értéke 175 V_RMS, és amely névlegesen legalább tizenöt 3 kA-es túlfeszültség-impulzus elviselésére képes, 470 voltos maximális levágási feszültséggel (5. ábra). Átmérője 13,2 mm, vastagsága 6,1 mm. Az átmérő a maximális névleges áramerősséggel változik, a vastagság pedig az MCOV növekedésével nő.

5. ábra: Az ISOM3-175-B-L2 jól szemlélteti az IsoMOV hibrid védőeszközök kompakt méreteit. Annak ellenére, hogy tartalmaz két MOV-ot és egy GDT-t, átmérője mindössze 13,2 mm, vastagsága pedig 6,1 mm (kép: Bourns)

A Bourns IsoMOV sorozat három különböző névleges áramerősségű változatban kapható: 3 kA, 5 kA és 8 kA, 175 és 555 V_RMS közötti MCOV-értékekkel. A középkategóriás eszközök közé tartozik az ISOM5-300-B-L2, amely egy 300 V_RMS-os, 5 kA-es, 17 mm átmérőjű és 7,1 mm vastagságú eszköz. A spektrum nagy áramerősségű végén az ISOM8-555-B-L2 található, amely egy 8 kA-es eszköz, 555 V_RMS MCOV-val. Átmérője 23 mm, vastagsága 9,4 mm. Mindegyik eszköz üzemi hőmérséklettartománya -40 °C és +125 °C között van.

A Bourns IsoMOV hibrid védőeszközei ezen legkorszerűbb túlfeszültség-védelmi tulajdonságaikat a különálló MOV-okhoz és GDT-khez képest helytakarékos formában kínálják. Szivárgási áramuk rendkívül alacsony, és a soros GDT meghosszabbítja a MOV élettartamát. Ezenkívül az összes IsoMOV SPD az UL1449 szabvány szerinti 4-es típusú alkatrészként szerepel, ami megkönnyíti a túlfeszültségvédelmi eszközökbe való beépítésüket.

Az IEC/UL62368-1 szabványnak megfelelő védelmi szintek megvalósítása

Az IsoMOV alkatrészek igen hasznosak, amikor az IEC/UL62368-1 szabványnak való megfelelés a cél. Az audio/vizuális és információs kommunikációs technológiai berendezésekre vonatkozó új IEC/UL 62368-1 biztonsági szabvány a berendezések felhasználóinak fizikai biztonsága és a biztonsági intézkedések megvalósítása érdekében kifejlesztett HBSE (Hazard Based Safety Engineering) elveken alapul. Azonosítja a potenciálisan veszélyes energiaforrásokat és azokat a folyamatokat, amelyek révén az energia a felhasználóba juthat, mind normál működés, mind hibás körülmények között.

A 6. ábrán lévő kapcsolási rajzon a hálózati bemenet védelemének ajánlott kialakítása látható, amely védőeszközöket tartalmaz a vezeték és a nullavezeték, a vezeték és a védőföld, valamint a nullavezeték és a védőföld között.

6. ábra: Az IEC/UL62368-1 szabványnak megfelelő, ajánlott hálózati bemeneti védőáramkörben védőeszközök találhatók a vezeték és a nullavezeték, a vezeték és a védőföld, valamint a nullavezeték és a védőföld között (kép: Bourns)

A vezeték és a föld, illetve a nulla és a föld közötti sorba kapcsolt MOV-GDT párosokra illetve az IsoMOV-okokra azért van szükség, hogy védjenek az áramütéstől, amely akkor következhet be, ha védelemre csak egy MOV-ot használnánk. Ha a védőföldelés nem lenne csatlakoztatva, a MOV szivárgási árama önmagában is elég nagy tud lenni ahhoz, hogy sérülést okozzon, ha a felhasználó megérinti az elszigetelt földelési utat. Egy GDT sorba kapcsolásával ez a szivárgási áram megszűnik.

A MOV-okkal és a MOV-okat tartalmazó eszközökkel kapcsolatos veszélyek közé tartozik a megnövekedett szivárgási áram miatti áramütés és a tűz veszélye. Meghibásodási módjuk miatt a MOV-ok potenciális gyújtóforrásnak minősülnek, ezért a kialakításnak olyan elemeket kell tartalmaznia, amelyek csökkentik a gyulladás lehetőségét és megakadályozzák a tűz terjedését.

Túlfeszültség-védelmi eszközökkel a termékek megbízhatósága növelhető, mert meg kell felelniük a szabvány által előírt speciális teszteknek. Például egy berendezésben használt MOV MCOV-jának a berendezés feszültségtartományának felső határértékének legalább 1,25-szörösének kell lennie. Ez azt jelenti, hogy egy 85 – 250 volt közötti váltakozó feszültségű bemeneti feszültségtartományú berendezés esetén a védelmi eszközként használt MOV MCOV-jának legalább 313 voltnak kell lennie. A tápegységgel párhuzamosan kapcsolt MOV-ot tartalmazó hálózatvédelmi áramköröknek a névleges feszültség kétszeresének megfelelő feszültségen való tesztelési eljárásoknak kell megfelelniük. A bemeneti áramot ellenállások segítségével 0,125, 0,25, 0,5, 1 és 2 A értékre korlátozzák. Mivel a MOV potenciális tűzforrás, a tesztelés addig folytatódik, amíg a MOV meg nem hibásodik. Ez a vizsgálat nem szükséges a maximális névleges hálózati feszültség kétszeresénél nagyobb MCOV-val rendelkező MOV-ok esetében, mivel a MOV meghibásodásának lehetősége ilyen körülmények között nagyon kicsi.

Összegzés

Az IsoMOV hibrid védőeszközök az eddig használt eszközökhöz képest jobb és kompaktabb védelmet nyújtanak az egyre gyorsuló ütemben fejlődő, méreteikben zsugorodó és egyre elterjedtebbé váló elektronikus rendszerek számára, melyek elöregedő vagy rossz védelemmel rendelkező hálózati infrastruktúrákhoz kapcslódnak, folyamatosan fejlődő felhasználói védelmi szabványok mellett. A kivételesen jó működésük és a helytakarékosság mellett ezen eszközök kibővített hőmérsékleti tartománnyal rendelkeznek, alacsony szivárgási árammal és magas energiaelnyelő képességgel. Bár használatuk különösen előnyös a nagy túlfeszültségeknek kitett ipari esetekben, egyszerűen felhasználhatók az audio/vizuális és az információs kommunikációs technológiai berendezésekben is a veszélyalapú biztonságtechnika (HBSE) alapján készült IEC/UL62368-1 szabványnak való megfeleléshez.