Hogyan válasszuk ki és használjuk az IsoMOV-okat a minimális helyigény melletti maximális feszültségimpulzus-elnyomás érdekében?

Az elektronikus eszközök terjedésével és a használók biztonságára vonatkozó előírások fejlődésével a tervezők olyan lehetőségeket keresnek, amelyekkel növelhetik a készülékek védelmét, miközben minimálisra csökkentik a költségeket és az áramköri lapok méretét. A gond az, hogy az áramkörvédelem olyan, mint a biztosítás: felesleges kiadásnak tűnhet, amíg nincs rá szükség. Ez a védelem számos belső és külső rendellenesség és hiba esetén nélkülözhetelen, beleértve a belső és külső rövidzárat, a túláramot és a feszültséglökéseket. Ezek a jelenségek átmenetileg vagy véglegesen működésképtelenné tehetik a rendszert, illetve károsíthatják a rendszert, annak belső alkatrészeit, részegységeit vagy a terhelést, és akár a használó sérülését is okozhatják.

Sajnos, nem létezik olyan egyetlen védelmi megoldás, amely minden hibára és helyzetre megfelelne. Például a túlfeszültség-védelem megvalósításakor az olyan levezető (crowbar) elemek, mint a gázkisüléses csövek (GDT-k), általában jobban viselik a hosszabb ideig fennálló hibákat, míg az olyan feszültségkorlátozó (clamping) elemek, mint a fém-oxid varisztorok (MOV-ok), jobban megfelelnek a rövid ideig tartó átmeneti (tranziens) eseményekhez. A gázkisüléses csövek esetében azonban fellép az utánfolyó áram, a MOV-ok pedig tartósan meghibásodhatnak a hőmegfutás miatt, és veszélyesen magas hőmérsékletet érhetnek el. Egy hibrid módszert használva a fenti két alkatrész sorba kapcsolásával kompenzálhatóak a lehetséges problémák, de ez a megoldás bonyolítja az áramköri lap elrendezését, és növeli a költségeket. Ennek a kompromisszumnak a megszüntetéséhez a tervezés terén kell előbbre lépni.

Ez a cikk az túlfeszültség-védelem fontosságát és az annak eléréséhez használható különböző módszereket ismerteti. Ezután bemutatja az IsoMOV technikát, amely egyetlen eszközben egyesíti a gázkisüléses csövek és a MOV-ok előnyeit, hosszabb élettartammal és utánfolyó áram nélkül. Ezt követően bemutatja a Bourns Inc. néhány mintaeszközét, ismerteti azok legfontosabb jellemzőit, és bemutatja, hogyan lehet kiválasztani és használni őket a hatékony, eredményes és alacsony költségű védelemhez.

A védelemnek több szempontja is van

Az áramkörök és rendszerek védelmére nincs egyetlen mindenre alkalmazható megoldás. Ennek két oka van: először is sokféle olyan hiba és esemény bekövetkezhet, amelyek ellen védelemre van szükség, másodszor pedig a hibaállapot nagysága és időtartama határozza meg a szükséges védelem típusát és erősségét.

A számos általános hiba közé tartoznak a következők:

• Túláram, amikor a terhelés túl nagy áramot vesz fel külső hiba, rövidzár vagy belső alkatrészhiba miatt (beleértve a szigetelési hibát is)
• Túlfeszültség, amikor a rendszer egy részét a hibás csatlakoztatás miatt túlzott feszültség terheli
• Hőterhelés, amikor egy alkatrész túlmelegszik a rossz tervezés, a nem megfelelő hőelvezetés vagy a túl magas környezeti hőmérséklet miatt
• Alkatrészhiba, amikor egy belső alkatrész meghibásodik, ami túláram/túlfeszültség kialakulásához vezet, amely kárt tehet a többi alkatrészben vagy a terhelésben

A meghibásodásoknak gyakran a rendszer működésének befolyásolásán vagy akár károsításán túlmutató következményei is vannak, mivel áramütésveszélyt jelenthetnek a használók számára.

Túlfeszültség elleni védelemre szolgáló levezető, illetve feszültségkorlátozó eszközök

Mind az egyen-, mind a váltakozó áramú áramkörökben a legnagyobb kihívást jelentő hibaállapotok közé tartoznak a feszültséglökések vagy más néven átmeneti túlfeszültségek. Ez a rövid impulzus vagy tüskefeszültség gyakran közeli villámcsapás vagy villamos kapcsolás miatt következik be, amely káros tranzienseket juttat az villamos berendezésekbe és azok érzékeny elektronikájába.

A túlfeszültség és a feszültséglökések elleni védelemre a túlfeszültségvédő eszközök két nagy osztályát használják: a levezető (angolul crowbar = feszítővas), valamint a feszültségkorlátozó (angolul clamp = szorítókapocs) jellegű eszközöket. (Megjegyzendő, hogy ezeket a kifejezéseket a hétköznapi beszélgetések során néha egymás szinonimájaként használják, de nem ugyanazt jelentik.)

Röviden szóval a levezető eszköz rövidzárat képez a védett vonalon, így a túlfeszültséget és annak áramát a földre vagy testre vezeti, megakadályozva, hogy elérje az áramköröket (1. ábra). A levezető eszköz a túlfeszültség jelentkezésekor alacsony impedanciájú üzemmódba lép.

Érdekesség: a levezető eszközök „feszítővas” jelentésű angol neve, a crowbar állítólag az ipari munkásoknak a villamos energia használatának korai időszakában végzett azon gyakorlatából származik, hogy túlfeszültség esetén egy valódi fém feszítővasat dobtak az áram- és földsínre, hogy rövidre zárják azokat.

1. ábra: Amikor a levezető jellegű védelmi funkció működésbe lép, alacsony impedanciájú áramutat képez az általa védett vonal és a föld között, így a feszültséglökést a földre vezeti (kép: Bourns, Inc.)

A levezető jellegű védelem addig marad alacsony impedanciájú üzemmódban, amíg az áramerősség a „tartóáram” értéke alá nem csökken, ekkor visszatér a magas impedanciájú, normál üzemmódú állapotba. A levezető jellegű védelemnek képesnek kell lennie a rajta átfolyó áram kezelésére, amíg a tápfeszültség túl magas (túlfeszültség).

Ezzel szemben a feszültségkorlátozó eszköz megakadályozza, hogy a feszültség meghaladjon egy előre beállított szintet (2. ábra). Amikor a tranziens feszültség eléri azt a határértéket, amelyre a feszültségkorlátozó eszköz méretezve van, az eszköz a hiba megszűnéséig korlátozza a feszültséget, majd a vonal visszatér a normál üzemmódba. Fontos, hogy a névleges korlátozott feszültség magasabb legyen, mint a normál üzemi feszültség.

2. ábra: A levezető eszközzel ellentétben a feszültségkorlátozó eszköz a feszültséglökés-impulzust egy előre meghatározott értékre korlátozza (kép: Bourns, Inc.)

A feszültségkorlátozó csak éppen ahhoz elegendő áramot vezet, hogy a rajta lévő feszültséget biztonságos, kívánt értéken tartsa, amíg a tranziens feszültség értéke magasabb a feszültségkorlátozó vezetési feszültségénél. Ez az áram, bár csekély mértékű, felvet néhány olyan biztonsággal kapcsolatos kérdést, amelyekkel foglalkozni kell, és amelyek további védelmet igényelhetnek. Ezt a kérdést alább tárgyaljuk. A készüléket arra a teljesítményre kell méretezni, amelyet adott idő alatt fel kell emésztenie. Ez általában viszonylag rövid idejű átmeneti, tranziensjellegű esemény.

A túlfeszültségvédő funkciók megvalósítása

Mivel a levezető eszközök és a feszültségkorlátozók kritikus fontosságú védőeszközök, alapvető fontosságú, hogy egyszerűek és megbízhatóak legyenek, valamint jól ismert és következetes teljesítményjellemzőkkel rendelkezzenek. Ebben az értelemben olyanok, mint az olvadóbiztosíték, a klasszikus túláramvédő elem, amelyet gyakran használnak kiegészítő védelmi rétegként.

Levezető eszköz: A legközönségesebb levezető eszköz a gázkisüléses cső (GDT), amely egy gondosan kialakított és méretezett szikraköz egy nemesgázzal töltött hermetikus házban. Normál üzemmódban, a feszültséglökés bekövetkezése előtt a cső úgy működik, mintha közel végtelen ellenállás lenne (3. ábra). Amikor azonban a feszültséglökés bekövetkezik, és az értéke meghaladja a gázkisüléses cső tervezési feszültségét, a gáz ionizálódik, és a cső „áthúz”, mint egy szikraköz, és magas impedanciájúból nagyon alacsony impedanciájúvá válik. Ez a változás átmenetileg rövidre zárja a vonalat, amíg a hiba meg nem szűnik.

3. ábra: A gázkisüléses cső egy kifinomult szikraközként működő eszköz, amely csak akkor vezet, ha a kapcsain lévő feszültség meghaladja a tervezési értéket, addig úgy működik mint egy majdnem tökéletes szakadás (kép: Bourns, Inc.)

A gázkisüléses csöveket általában egyenáramú áramkörökben, távközlési és jelzőáramkörökben használják, amelyek mindegyike általában meglehetősen alacsony, legfeljebb 1 A áramerősségű. Érdemes megjegyezni, hogy a filmekben látott drámai gázkisüléses csövekkel ellentétben az alacsony szintű feszültséglökésekhez használt gázkisüléses csövek kisméretű, házba épített, nyomtatott áramköri lapra szerelhető alkatrészek, és az áthúzási ív (szikra) nem látható. A kisebb gázkisüléses csöveket 75 V és 600 V közötti, míg a nagyobbakat akár több ezer volt feszültségre méretezve kínálják. A gázkisüléses csövek egyik problémája az utánfolyó áram (vagy más néven maradékáram), amely a hiba megszűnése után is tovább folyik.

Feszültségkorlátozó: A feszültségkorlátozás két legelterjedtebb megvalósítási módja nagy teljesítményű feszültséglökés-elnyomó (PTVS) diódákkal, illetve fém-oxid varisztorokkal (MOV) történik. Mindkettőt elterjedten használják egyen- és váltakozó áramú áramkörök, villanymotorok, kommunikációs vonalak és érzékelő áramkörök nagyáramú védelmére (4. ábra). A MOV-ok néhányszor tíztől ezer voltot meghaladó feszültségértékig kaphatók.

4. ábra: A fém-oxid varisztor (és a nagy teljesítményű feszültséglökés-elnyomó dióda) széles tervezési tartományt lefedő feszültségkorlátozást kínál (kép: Bourns, Inc.)

A MOV-ok jellemzően vezetnek némi átvezetési áramot, még akkor is, ha jóval a névleges küszöbfeszültségük alatti feszültség van rájuk adva. Ha a MOV a névleges értékét meghaladó feszültséglökéseknek van kitéve, maradandó károsodást szenvedhet, ami az átvezetési áram növekedését okozza. Bár ez az áram általában csak néhány milliamper, bizonyos körülmények között áramütésveszélyt jelenthet.

Ezenkívül ha ez az átvezetési áram elég nagy lesz, a MOV belsejében önmelegedés lép fel. Ha a MOV folyamatosan a váltakozó áramú hálózatra van csatlakoztatva, ez az önmelegedés pozitív visszacsatolást hozhat létre, ahol a nagyobb átvezetési áram nagyobb önmelegedést okoz, ami viszont még nagyobb átvezetési áramot eredményez. Az ezt követő feszültséglökések tovább gyorsíthatják ezt a ciklust.

Egy bizonyos ponton a MOV hőmegfutásos üzemmódba kerül, amely jelentős hőt termel, és tönkreteszi a MOV-ot. Bizonyos helyzetekben a MOV által termelt hő potenciális gyújtóforrássá válhat, és a közeli anyagok meggyulladását okozhatja. Ezt a hatást figyelembe kell venni, és foglalkozni kell az alapvető biztonsági és a biztonsággal kapcsolatos előírásokkal.

Egy jobb túlfeszültségvédő megoldás

Annak érdekében, hogy olyan túlfeszültségvédő megoldást hozzanak létre, amelynek gyakorlatilag nincs átvezetési árama, és emiatt hosszabb az élettartama, a tervezők gyakran két összetevős kialakítást alkalmaznak. Ez a hibrid módszer két diszkrét eszközt kombinál: egy gázkisüléses csövet és egy MOV-ot sorba kapcsolva (5. ábra), azok kombinált feszültség-idő görbéjével (6. ábra).

5. ábra: A gázkisüléses cső és a MOV sorba kapcsolásával megvalósított hibrid elrendezés hatékonyabb túlfeszültségvédő megoldást kínál (kép: Bourns, Inc.)

6. ábra: A gázkisüléses cső + MOV hibrid elrendezés válaszreakcióját az idő függvényében ábrázoló grafikonon az látható, hogy hogyan egyesíti ez a megoldás az egyes eszközök alapvető reagálási jellemzőit (kép: Bourns, Inc.)

Ez hatékony módja annak, hogy az egyik eszköz kompenzálja a másik esetleges hiányosságait. Ez a megközelítés azonban pluszköltségekkel jár:

• nagyobb területet igényel az áramköri lapon
• az alkatrészjegyzék egy újabb alkatrésszel bővül

További kihívást jelent, hogy az áramköri lapok elrendezését bonyolítják a MOV és a gázkisüléses cső területén a minimális kúszóáramutakat és légrésméreteket meghatározó, a szabályozásokból eredő követelmények, ahol:

• légrés: két vezető alkatrész közötti legrövidebb távolság a levegőben
• kúszóáramút: két vezető alkatrész közötti legrövidebb távolság valamilyen szilárd szigetelőanyag felülete mentén

A gond az, hogy a légrések és a kúszóáramutak a feszültséggel nőnek. Ennek eredményeképpen a MOV-ok és gázkisüléses csövek elhelyezése újabb kötöttséget és korlátozást jelent, amelyet az áramköri lap kialakításánál figyelembe kell venni.

A Bourns, Inc. azért fejlesztette ki az IsoMOV sorozatú hibrid védelmi alkatrészeket, hogy segítsen a tervezőknek ezeknek a költség-, hely- és jogszabályi problémáknak a megoldásában. A termékcsalád olyan alternatív megoldást kínál, amely egy MOV-ot és egy gázkisüléses csövet egyesít egy tokban, amely így a diszkrét MOV és a vele sorba kapcsolt gázkisüléses cső funkcióját nyújtja (7. ábra).

7. ábra: Az IsoMOV rajzjele (jobbra) a gázkisüléses cső (GDT) (balra középen) és a MOV (balra fent és lent) szabványos rajzjelének összevonásaként értelmezhető (kép: Bourns, Inc.)

Az IsoMOV felépítését megvizsgálva látható, hogy ez nem egészen az, amire az ember a végletekig leegyszerűsítve gondolna, azaz nem pusztán egy MOV és egy gázkisüléses cső közös tokban való elhelyezése (8. ábra).

8. ábra: Az IsoMOV fizikai felépítése a hibrid funkció teljesen más módon történő megvalósítása, nem pusztán a két meglévő külön diszkrét eszköz közös tokban való elhelyezése (kép: Bourns, Inc.)

A mag összeszerelése után rögzítik a vezetékeket, majd az egységet epoxibevonattal látják el. Az eredmény az ismerős sugárirányú vezetékes tárcsa formájú MOV-tok, amely csak valamivel vastagabb, mint a hasonló névleges értékű hagyományos eszközök, és némileg kisebb átmérőjű azoknál (9. ábra). Emellett a fém-oxid technika ezen szabadalmaztatás alatt álló kialakítása miatt az IsoMOV alkatrész azonos méret mellett nagyobb névleges áramerősséget visel el. Ezzel megszűnik mind a nagyobb helyigény, mind a kúszóáramutak és légrések okozta probléma.

9. ábra: Az IsoMOV sugárirányú vezetékes tárcsatokja úgy néz ki, mint egy szokványos MOV, kivéve, hogy kisebb átmérőjű és nagyobb névleges áramerősségű, mint egy vele egyenértékű MOV önmagában (kép: Bourns, Inc.)

Az IsoMOV több, mint a „mindkét világ legjobbja”, mivel a kialakításának más előnyei is vannak. A MOV meghibásodását általában a fémezett terület szélén megjelenő úgynevezett „túlfeszültségi lyuk” mutatja, amelyet jellemzően a MOV belsejében a túlfeszültség során fellépő megemelkedett hőmérséklet okoz. A Bourns egyedülálló EdgMOV technikáját úgy tervezték, hogy jelentősen csökkentse vagy teljesen ki is küszöbölje ezt a meghibásodási módot.

Ha közelebbről megvizsgálunk egy IsoMOV-modellt, részletesebb betekintést nyerhetünk mindebbe. Az ISOM3-275-B-L2 legnagyobb folyamatos üzemi feszültsége (MCOV) 275 V effektív feszültség (Vrms)/350 V egyenfeszültség, a névleges áramerősség 3 kA/15 áramlökés, 6 kA/1 áramlökés (maximum). Külön érdekesség még a kis, 30 pF-os kapacitás 20 kHz frekvencián, ami alkalmassá teszi a nagy sebességű adatátviteli vonalakhoz, valamint az, hogy kis, 10 µA alatti átvezetési árama van.

A szabványok szerepe

A tervezőmérnököknek számos okból – a megfontolt tervezési eljárástól kezdve a különböző szabályozási szabványok által kötelezően előírtakig – különböző túlfeszültség- (és egyéb) védelmi megoldásokat kell alkalmazniuk. Ezeknek a szabványoknak némelyike egyetemes, és minden olyan berendezésre vonatkozik, amely egy általános működési kategóriába tartozik, amilyen például a váltakozó áramú hálózatok üzemeltetése, míg mások a felhasználási területek egy bizonyos osztályára, például az orvostechnikai eszközökre vonatkoznak. A szabványalkotó szervezetek közé tartozik többek között az UL, az IEEE és az IEC. Ezeknek számos szabványa „harmonizálva” van, tehát azonos vagy közel azonos.

Ezek a szabványok mind összetettek, és számos rendelkezést tartalmaznak, valamint olyan kivételeket is, amelyek bizonyos körülmények között elhagyható lépéseket vagy jellemzőket neveznek meg, illetve olyan további követelményeket, amelyeket más esetekben pluszban be kell tartani. Például mind az IEC 60950-1 Informatikai berendezések – biztonság, mind az UL/IEC 62368-1, illetve A hang- és videotechnikai, informatikai és kommunikációs berendezésekre vonatkozó szabvány – 1. rész: Biztonsági követelmények (amely 2020-ban lépett az IEC 60950-1 helyébe) előírja, hogy a MOV névleges feszültségének legalább a készülék névleges feszültsége 125%-ának kell lennie. Ennek következtében a MOV névleges feszültségének egy 240 V-os effektív hálózati feszültségű áramkörben legalább 300 V effektív feszültségnek kell lennie.

Vegyük például a közönséges váltakozó áramú hálózati csatlakozót (villásdugót), amely két- és háromvillás változatban kapható. Elméletileg a háromvezetékes változat védőföldelést is biztosít, de a gyakorlatban ez a védőföldelés gyakran nincs bekötve, vagy nem áll rendelkezésre. A valódi védőföldelés hiánya potenciálisan veszélyes állapothoz vezethet, ha csak a fázis- és a nullavezeték áll rendelkezésre. Ebben az esetben védelmi célú alkatrészekkel kell kiegészíteni a berendezést, hogy megakadályozzák az esetleges áramütést abban az esetben, ha a használók olyan vezető részeket érintenek meg, amelyeknek földelteknek kellene lenniük, de nem azok. Ebben az esetben azonban a MOV kis átvezetési árama áramütésveszélyt idézhet elő.

A leggyakoribb megoldás annak megakadályozására, hogy a MOV átvezetési árama veszélyessé váljon, az, hogy legalább egy gázkisüléses csövet sorba kapcsolnak a MOV-val (10. ábra). Az IsoMOV eszköz esetében a MOV és a gázkisüléses cső funkciói egyaránt megtalálhatóak egy kis helyigényű tokban. Ennélfogva az IsoMOV egyben problémamegoldó alkatrész is, amely megkönnyíti az UL/IEC 62368-1 által előírt biztonsági követelmények teljesítését.

10. ábra: A földelés nélküli alkalmazásban az elkerülhetetlen átvezetési áram okozta áramütésveszély kiküszöbölése érdekében a váltakozó áramú hálózat fázis- és nullavezetéke közé be lehet kötni két eszközt – egy MOV-ot és egy gázkisüléses csövet – egymással sorba kapcsolva (kép: Bourns, Inc.)

11. ábra: A külön MOV és külön gázkisüléses cső kiváltására remek alternatíva a kettőt egy tokban tartalmazó IsoMOV használata, amely ugyanolyan vagy jobb teljesítményt eredményez, és sokkal kisebb a helyigénye (kép: Bourns, Inc.)

Összegzés

A mérnököknek gyakran az a feladatuk, hogy eldöntsék, melyik megoldás a „legjobb”. A legtöbb esetben kompromisszumokat kell kötni, mert nincs egyetlen egyszerű válasz. Általánosságban elmondható, hogy a túlfeszültség-védelem megvalósításakor a levezető eszközök jobban megfelelnek a hosszabb ideig tartó hibákhoz, míg a feszültségkorlátozók jobb megoldást jelentenek az átmeneti (tranziens) eseményekhez. Ha viszont mindkét eszközt használjuk, az növeli a helyigényt, és bonyolultabbá teszi az áramköri lap kialakítását.

Mostantól azonban nincs szükség kompromisszumokra. A Bourns IsoMOV-ok sokkal hosszabb élettartamot biztosítanak, mint a MOV önmagában, mégpedig a gázkisüléses csövekre jellemző utánfolyó áram okozta problémák nélkül. Ezek az eszközök kis helyigény mellett kínálnak minden vonatkozó szabványnak megfelelő túlfeszültség és feszültséglökés elleni védelmet. Ezen túlmenően alacsony átvezetési áramuk minimálisra csökkenti az utánfolyó áram okozta problémákat, nagyon kis kapacitásuk pedig alkalmassá teszi őket a kisfeszültségű, nagy sebességű áramkörök védelmére.