Componenten en beveiligingsschakelingen

Wanneer er overspanningen optreden, moeten de getroffen apparaten en leidingen binnen zeer korte tijd met de potentiaalvereffening worden kortgesloten. Hiertoe staan verschillende componenten met dergelijke eigenschappen ter beschikking. Deze componenten zijn voornamelijk verschillend door hun aanspreekgedrag en hun afleidvermogen.

Suppressordioden

Schakelteken en U/I-karakteristiek van een suppressordiode  

Schakelteken en U/I-karakteristiek van een suppressordiode

Eigenschappen:

  • de functie wordt in het algemeen gedefinieerd als fijnbeveiliging
  • reageert zeer snel
  • lage spanningsbegrenzing
  • standaarduitvoering met geringe stroombelastbaarheid en een hoge capaciteit
    • bij een nominale spanning van 5 V bedraagt het maximale afleidvermogen ca. 750 A
    • bij hogere nominale spanningen daalt het afleidvermogen aanzienlijk

Bijzonderheden:

Er zijn ook dioden met een hogere nominale spanning en groter afleidvermogen. Deze uitvoeringen zijn echter aanzienlijk groter en worden daarom nauwelijks toegepast in gecombineerde beveiligingsschakelingen.

Legenda:

UR = sperspanning
UB = doorslagspanning
UC = begrenzingsspanning
IPP = stootstroomimpuls
IR = sperstroom

Varistoren

Schakelteken en U/I-karakteristiek van metaaloxide varistoren  

Schakelteken en U/I-karakteristiek van metaaloxide varistoren

Eigenschappen:

  • de functie wordt in het algemeen gedefinieerd als middenbeveiliging
  • aanspreektijden liggen in het onderste nanosecondenbereik
  • reageren sneller dan gasgevulde afleiders
  • veroorzaken geen netvolgstromen

Bijzonderheden:

Varistoren met een nominale afleidstootstroom van max. 2,5 kA worden toegepast als middelste beveiligingstrap in de M&R-techniek. Bij voedingen vormen varistoren met een nominale afleidstootstroom van max. 3 kA een belangrijk bestanddeel van beveiligingsschakelingen in Type 3-afleiders voor de apparatenbeveiliging. Aanzienlijk krachtiger zijn varistoren, die in Type 2-afleiders worden toegepast. De standaarduitvoering beheerst in dit toepassingsbereik nominale afleidstootstromen tot 20 kA. Voor speciale toepassingen zijn er echter ook Type 2-afleiders met max. 80 kA.

Legenda:

A = hoogohmig toepassingsbereik
B = laagohmig toepassingsbereik / begrenzingsbereik

Gasgevulde overspanningsafleiders

Schakelteken en ontstekingscurve van een gasgevulde overspanningsafleider  

Schakelteken en ontstekingscurve van een gasgevulde overspanningsafleider

Eigenschappen:

  • de functie wordt in het algemeen gedefinieerd als middenbeveiliging
  • aanspreektijden liggen in het middelste nanosecondenbereik
  • standaardvarianten leiden stromen van maximaal 20 kA af
  • ondanks hoge afleidvermogens heeft de component zeer kleine afmetingen

Bijzonderheden:

Bij dit component leidt een spanningstijdafhankelijk ontstekingsgedrag tot restspanningen die zelfs nog enkele 100 V kunnen bedragen.

Legenda:

1) Statisch aanspreekgedrag
2) Dynamisch aanspreekgedrag

Vonkbruggen

Schakelteken en ontstekingscurve van een vonkbrug  

Schakelteken en ontstekingscurve van een vonkbrug

Eigenschappen:

  • kern van een bliksemstroomafleider
  • hoog doofvermogen van netvolgstromen
  • relatief hoge aanspreeksnelheid
  • spanningstijdafhankelijk ontstekingsgedrag

Bijzonderheden:

De kern van een krachtige bliksemstroomafleider is meestal een vonkbrug. Bij dit component staan twee elektroden dicht bij elkaar. Overspanningen veroorzaken overslag tussen de elektroden en er ontstaat een lichtboog. Deze plasmabaan sluit de overspanning kort. Daarbij stromen zeer hoge en stijl stijgende stromen met waarden van tot wel honderden kA. Er bestaan open en gesloten vonkbruggen. Fysisch bepaald is het afleid- en doofvermogen van open vonkbruggen groter.

De Arc Chopping-technologie blijkt voor vonkbruggen in de praktijk bijzonder goed te functioneren. Hierbij ligt tegenover de elektroden een extra plaatje, een zogenaamde stootplaat. De lichtboog wordt tussen de elektroden in de richting van deze stootplaat gestuurd en daar verstrooid. Daarbij worden lichtboogfragmenten gevormd die buiten het bereik van de vonkbrug worden geblazen en dan gemakkelijk doven. Zo kan de vonkbrug weer hoogohmig worden, wanneer er geen overspanning meer bestaat.

Legenda:

UZ = aanspreekspanning / ontstekingsspanning
tZ = aanspreektijd

Gecombineerde beveiligingsschakelingen voor signaalinterfaces

Afhankelijk van de toepassing worden verschillende componenten ingezet. Ze kunnen afzonderlijk, maar ook in complexe beveiligingsschakelingen met elkaar worden gecombineerd.

Tweetraps beveiligingsschakeling met ohmse ontkoppeling (links) en drietraps beveiligingsschakeling met inductieve ontkoppeling (rechts)

Tweetraps beveiligingsschakeling met ohmse ontkoppeling (links) en drietraps beveiligingsschakeling met inductieve ontkoppeling (rechts)

Met een combinatie van verschillende componenten kunnen de gewenste componentspecifieke voordelen worden samengebracht. Zo vormen schakelingscombinaties van gasafleiders en suppressordioden bijvoorbeeld een standaard beveiligingsschakeling voor gevoelige signaalinterfaces. Deze combinatie biedt een krachtige en snel aansprekende beveiliging met het hoogst mogelijke beveiligingsniveau.

De componenten zijn als beveiligingstrappen indirect parallel geschakeld. Dat wil zeggen dat tussen de componenten ohmse of inductieve ontkoppelingscircuits zijn opgenomen. Hierdoor ontstaat een in tijd aangepast aanspreken van de achter elkaar geplaatste beveiligingstrappen.

De beveiligingsschakelingen onderscheiden zich hoofdzakelijk door:

  • het aantal beveiligingstrappen
  • effectieve richting van de schakeling (common/differential mode beveiliging)
  • nominale spanning
  • dempingseffect op signaalfrequenties
  • beveiligingsniveau (begrenzingsspanning)

Werking meertraps beveiligingsschakelingen

Spanningsverdeling in een tweetraps beveiligingsschakeling  

Spanningsverdeling in een tweetraps beveiligingsschakeling

Als er een overspanning optreedt, spreekt de suppressordiode als snelste component het eerst aan. De lekstroom gaat door de suppressordiode en de voorgeschakelde ontkoppelingsweerstand. Via de ontkoppelingsweerstand ontstaat een spanningsverschil. Dit verschil komt overeen met de verschilwaarde tussen de verschillende aanspreekspanningen van de suppressordiode en de gasgevulde overspanningsafleider.

Zo wordt de aanspreekspanning van de gasafleider bereikt voordat de stootstroom de suppressordiode overbelast. Dat betekent dat wanneer de gasgevulde overspanningsafleider geactiveerd is, de lekstroom bijna volledig door de gasafleider gaat. De restspanning over de gasafleider bedraagt maximaal 20 V, zodat de suppressordiode ontlast is. Bij een kleine lekstroom die de suppressordiode niet overbelast, spreekt de gasgevulde overspanningsafleider niet aan.

De afgebeelde schakeling biedt de voordelen van het snel aanspreken bij een lage spanningsbegrenzing en beschikt tegelijkertijd over een hoog afleidvermogen. Een drietraps beveiligingsschakeling met inductieve ontkoppeling werkt volgens hetzelfde principe. De commutatie vindt in twee stappen plaats: eerst van de suppressordiode naar de varistor en dan verder naar de overspanningsafleider.

Het principe van de spanningsverdeling functioneert in het algemeen ook tussen de verschillende beveiligingstrappen bij voedingen. Daarbij neemt UW af via de leiding tussen de beveiligingsmodulen Type 1 en Type 2 alsmede tussen Type 2 en Type 3. Er bestaan echter ook afleiderconcepten voor de voeding waarbij een coördinatie zonder kabellengten tussen de beveiligingstrappen mogelijk is.

Legenda:

UG = aanspreekspanning gasgevulde overspanningsafleider
UD = begrenzingsspanning suppressordiode
UW = verschilspanning via de ontkoppelingsweerstand

PHOENIX CONTACT B.V.

Hengelder 56
6902 PA Zevenaar
Postbus 246
6900 AE Zevenaar
(0316) 59 17 20

Deze website maakt gebruik van cookies. Als u onze site blijft gebruiken gaat u akkoord met het gebruik van deze cookies.
Lees onze privacy policy voor meer informatie.

Sluiten