컴포넌트 및 보호 회로

서지 전압이 발생한 경우 영향을 받은 장치 및 케이블을 등전위 본딩을 사용해 매우 짧은 시간 내에 단락시켜야 합니다. 이를 위한 적절한 특성을 가진 다양한 컴포넌트를 사용할 수 있습니다. 기본적으로 이러한 컴포넌트는 반응 방식 및 방전 용량에서 차이가 있습니다.

서프레서 다이오드

서프레서 다이오드의 그래픽 기호 및 U/I 특성 곡선  

서프레서 다이오드의 그래픽 기호 및 U/I 특성 곡선

특성:

  • 일반적으로 정밀 보호라고 부름.
  • 응답이 매우 빠름.
  • 저전압 제한.
  • 낮은 전류 전송 용량 및 높은 커패시턴스의 표준 버전.
    • 5 V의 정격 전압에서 약 750 A의 최대 방전 용량.
    • 더 높은 정격 전압에서 방전 용량이 대폭 감소.

특징:

더 높은 정격 전압 및 방전 용량의 다이오드도 있습니다. 하지만 이러한 버전은 상당히 크기 때문에 결합된 보호 회로에서 거의 사용되지 않습니다.

핵심 사항:

UR = 역전압
UB = 방전 전압
UC = 클림핑 전압
IPP = 피크 펄스 전류
IR = 역전류

배리스터

금속 산화 배리스터의 그래픽 기호 및 U/I 특성 곡선  

금속 산화 배리스터의 그래픽 기호 및 U/I 특성 곡선

특성:

  • 일반적으로 중간 보호라고 부름.
  • 낮은 나노초 범위의 반응 시간.
  • 가스 봉입(Gas-filled) 서지 어레스터보다 빠른 반응.
  • 라인 속류가 발생하지 않음.

특징:

최대 2.5 kA 정격 방전 서지 전류의 배리스터는 MCR 기술에서 중간 보호 단계로 사용됩니다. 전원 공급 분야의 경우 최대 3 kA 정격 방전 전류의 배리스터는 장치 보호를 위한 타입 3 어레스터의 보호 회로에서 핵심 컴포넌트로 사용됩니다. 타입 2 어레스터에 사용되는 배리스터는 훨씬 더 강력합니다. 이러한 적용 분야에서 표준 버전은 최대 20 kA의 정격 방전 전류를 견딜 수 있습니다. 특수한 애플리케이션의 경우 최대 80 kA의 타입 2 어레스터를 사용할 수도 있습니다.

핵심 사항:

A = 고저항 작동 영역
B = 저정항 작동 영역/제한 영역

가스 봉입(Gas-filled) 서지 보호 장치

가스 봉입(Gas-filled) 서지 보호 장치의 그래픽 기호 및 특성 점화 곡선  

가스 봉입(Gas-filled) 서지 보호 장치의 그래픽 기호 및 특성 점화 곡선

특성:

  • 일반적으로 중간 보호라고 부름.
  • 중간 나노초 범위의 반응 시간.
  • 최대 20 kA의 표준 버전 방전 전류.
  • 높은 방전 용량에도 불구하고 매우 컴팩트한 크기의 컴포넌트.

특징:

이 컴포넌트를 사용하면 스트레스에 따른 점화 동작으로 인해 수백 V에 달하는 잔류 전압이 유도됩니다.

핵심 사항:

1) 정적 응답 동작
2) 동적 응답 동작

스파크 갭

스파크 갭의 그래픽 기호 및 특성 점화 곡선  

스파크 갭의 그래픽 기호 및 특성 점화 곡선

특성:

  • 낙뢰 전류 어레스터의 핵심 컴포넌트.
  • 라인 속류에 대한 높은 소실 용량.
  • 상대적으로 높은 반응 속도.
  • 스트레스에 따른 점화 거동.

특징:

대부분의 경우 강력한 낙뢰 전류 어레스터의 핵심 컴포넌트는 스파크 갭입니다. 이 컴포넌트는 서로 마주 보고 가까이 배치되는 두 개의 아크 혼을 포함합니다. 서지 전압으로 인해 아크 혼 사이에 스파크오버가 일어나 전기 아크가 발생합니다. 이 플라즈마 영역은 서지 전압을 단락시킵니다. 여기에서 급상승하는 매우 높은 전류가 흘러서 몇 백 kA 범위의 값이 됩니다. 스파크 갭에는 개방형 및 폐쇄형이 있습니다. 물리적으로 개방형 스파크 갭의 방전 및 소실 용량이 더 큽니다.

아크 단속 기술은 스파크 갭에 특히 효과적인 것으로 검증되었습니다. 이 경우 전극과 마주 보는 위치에 배플 플레이트가 놓입니다. 전극 사이의 전기 아크는 이 배플 플레이트 쪽으로 진행한 다음 분산됩니다. 결과적으로 전기 아크 조각이 형성되고 스파크 갭에서 떨어져 나가서 쉽게 소거됩니다. 따라서 서지 전압이 더 이상 존재하지 않으면 스파크 갭이 고저항 상태로 돌아갈 수 있습니다.

핵심 사항:

UZ = 응답 전압/낙뢰 전압
tZ = 응답 시간

신호 인터페이스용 결합 보호 회로

애플리케이션에 따라 다양한 컴포넌트가 사용됩니다. 이러한 컴포넌트는 개별적으로 사용되거나 복잡한 보호 회로에서 결합될 수 있습니다.

저항 디커플링이 있는 2단계 보호 회로(왼쪽) 및 유도 디커플링이 있는 3단계 보호 회로(오른쪽)

저항 디커플링이 있는 2단계 보호 회로(왼쪽) 및 유도 디커플링이 있는 3단계 보호 회로(오른쪽)

다양한 컴포넌트를 결합하여 원하는 컴포넌트별 이점을 실현할 수 있습니다. 예를 들어, 결합된 가스 봉입 서지 어레스터 및 서프레서 다이오드 회로는 민감한 신호 인터페이스를 위한 표준 보호 회로에 해당합니다. 이 조합은 최대 전압 보호 레벨의 빠르게 응답하는 고성능 보호를 제공합니다.

컴포넌트는 보호 단계로서 간접적으로 병렬로 전환됩니다. 다시 말해 저항 또는 유도 디커플링 부품이 컴포넌트 간에 루프됩니다. 이로 인해 진동 보호 단계가 각기 다른 시간에 응답합니다.

보호 회로는 주로 다음에 따라 다릅니다.

  • 보호 단계 수
  • 회로의 작동 방향(공통 모드/일반 모드 보호)
  • 정격 전압
  • 신호 주파수에 대한 댐핑 효과
  • 전압 보호 레벨(클램핑 전압)

다단계 보호 회로의 기능

2단계 보호 회로에서의 전압 분배  

2단계 보호 회로에서의 전압 분배

서지 전압이 발생한 경우 서프레서 다이오드가 가장 빠른 컴포넌트로서 먼저 응답합니다. 방전 전류는 서프레서 다이오드 및 업스트림 디커플링 저항기를 통해 흐릅니다. 디커플링 저항기를 통해 전압 강하가 발생합니다. 이는 서프레서 다이오드 및 가스 봉입 서지 보호 장치의 다양한 응답 전압 간의 차이에 해당합니다.

이 경우 서지 전류로 인해 서프레서 다이오드에 과부하가 발생하기 전에 가스 봉입 서지 어레스터의 응답 전압에 도달합니다. 이는 가스 봉입 서지 보호 장치가 응답한 경우 거의 전체 방전 전류가 가스 봉입 서지 어레스터를 통과하여 흐른 상태라는 것을 의미합니다. 가스 봉입 서지 어레스터를 통한 잔류 전압은 최대 20 V이고 이로 인해 서프레서 다이오드가 완화됩니다. 방전 전류가 낮아서 서프레서 다이오드의 과부하를 일으키지 않을 경우 가스 봉입 서지 보호 장치가 응답하지 않습니다.

표시된 회로는 저전압 제한에서 빠른 응답의 이점과 함께 높은 방전 용량을 보여줍니다. 유도 디커플링이 있는 3단계 보호 회로는 동일한 원리에 따라 작동합니다. 다만 정류가 두 단계에 걸쳐 발생하는데 첫 번째는 서프레서 다이오드에서 배리스터까지 발생하고 두 번째는 가스 봉입 서지 보호 장치까지 발생합니다.

또한 전원 공급 장치 주위의 다른 보호 단계 사이에서 전압 분배 원리가 적용됩니다. 타입 1 및 타입 2 어레스터와 타입 2 및 타입 3 어레스터 간의 케이블을 통해 UW 강하가 발생합니다. 그러나 케이블 길이에 상관없이 보호 단계 간의 조정이 가능한 전원 공급을 위한 어레스터 개념도 존재합니다.

핵심 사항:

UG = 가스 봉입 서지 보호 장치의 응답 전압
UD = 서프레서 다이오드의 클램핑 전압
UW = 디커플링 저항기를 통한 차동 모드 전압

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