Elementy i układy ochronne

W razie wystąpienia przepięcia urządzenia i przewody muszą zostać w bardzo krótkim czasie zwarte z połączeniem wyrównawczym. Są do tego dostępne różne elementy o odpowiednich właściwościach. Elementy te różnią się charakterystyką zadziałania oraz zdolnością wyładowczą.

Diody transil

Symbol graficzny i charakterystyka prądowo-napięciowa diody transil  

Symbol graficzny i charakterystyka prądowo-napięciowa diody transil

Właściwości:

  • Funkcję określa się ogólnie jako ochronę dokładną.
  • Szybka reakcja.
  • Niskie ograniczenie napięcia.
  • Standardowa wersja o niewielkiej obciążalności prądowej i wysokiej pojemności.
    • Przy napięciu znamionowym 5 V maksymalna zdolność wyładowcza wynosi ok. 750 A.
    • Przy wyższych napięciach znamionowych zdolność wyładowcza znacznie spada.

Cechy szczególne:

Istnieją również diody o wyższym napięciu znamionowym i większej zdolności wyładowczej. Wersje te są jednak znacznie większe i dlatego nie używa się ich praktycznie w kombinacjach układów ochronnych.

Legenda:

UR = napięcie wsteczne
UB = napięcie przebicia
UC = napięcie progowe
IPP = impuls prądu udarowego
IR = prąd wsteczny

Warystory

Symbol graficzny i charakterystyka prądowo-napięciowa warystorów metalowo-tlenkowych  

Symbol graficzny i charakterystyka prądowo-napięciowa warystorów metalowo-tlenkowych

Właściwości:

  • Funkcję określa się ogólnie jako ochronę średnią.
  • Czasy zadziałania leżą w dolnym zakresie nanosekund.
  • Szybsza reakcja niż gazowe urządzenia zabezpieczające.
  • Nie powodują prądów następczych sieci.

Cechy szczególne:

Warystory o znamionowym prądzie wyładowczym do 2,5 kA stosuje się jako średni stopień ochrony w AKPiA. W dziedzinie zasilaczy warystory o znamionowym prądzie wyładowczym do 3 kA stanowią ważny element układów ochronnych w ogranicznikach przepięć typu 3 do ochrony urządzeń. Warystory o wyższej mocy stosuje się w ogranicznikach przepięć typu 2. Standardowa wersja do tych zastosowań ogranicza znamionowe prądy wyładowcze do 20 kA. Do zastosowań specjalnych są dostępne również urządzenia zabezpieczające typu 2 do 80 kA.

Legenda:

A = wysokoomowy zakres pracy
B = niskoomowy zakres pracy / zakres ograniczania

Gazowe ograniczniki przepięć

Symbol graficzny i charakterystyka zapłonu gazowego ogranicznika przepięć  

Symbol graficzny i charakterystyka zapłonu gazowego ogranicznika przepięć

Właściwości:

  • Funkcję określa się ogólnie jako ochronę średnią.
  • Czasy zadziałania leżą w środkowym zakresie nanosekund.
  • Wersje standardowe odprowadzają prądy do 20 kA.
  • Niewielkie rozmiary mimo wysokiej zdolności wyładowczej.

Cechy szczególne:

W przypadku tego elementu zapłon zależny od czasu napięcia powoduje powstanie napięcia resztkowego, które może wynosić jeszcze kilkaset woltów.

Legenda:

1) Statyczna charakterystyka zadziałania
2) Dynamiczna charakterystyka zadziałania

Iskierniki

Symbol graficzny i charakterystyka zapłonu iskiernika  

Symbol graficzny i charakterystyka zapłonu iskiernika

Właściwości:

  • Zasadniczy element odgromnika
  • Wysoka zdolność gaszenia prądów następczych sieci
  • Stosunkowo wysoka prędkość zadziałania
  • Zdolność zapłonu uzależniona od narostu napięcia w czasie

Cechy szczególne:

Głównym elementem odgromników wysokiej mocy jest zazwyczaj iskiernik. Iskiernik posiada dwa rożki usytuowane w niewielkim odstępie od siebie. Przepięcia powodują przeskok iskry między rożkami, w skutek czego powstaje łuk elektryczny. Odcinek plazmowy powoduje zwarcie przepięcia. W tym czasie następuje przepływ bardzo wysokich lub gwałtownie wzrastających prądów o trzycyfrowych wartościach kA. Iskierniki mogą być otwarte lub zamknięte. Ze względu na uwarunkowania fizyczne zdolność wyładowcza i zdolność gaszenia iskierników otwartych jest większa.

W iskiernikach szczególnie skuteczna okazała się technologia Arc Chopping. W tej technologii naprzeciw elektrod umieszczona jest tzw. przegroda. Łuk elektryczny jest kierowany między elektrodami w stronę przegrody, gdzie zostaje rozdzielony. Tworzą się przy tym fragmenty łuku, które są wydmuchiwane z obszaru iskiernika i następnie gaszone. Wówczas, gdy przepięcie już nie występuje, iskiernik ponownie odzyskuje bardzo wysoką rezystancję.

Legenda:

UZ = napięcie zadziałania / napięcie zapłonu
tZ = czas zadziałania

Złożone układy ochronne do interfejsów sygnałowych

W zależności od aplikacji stosuje się różne elementy. Mogą one występować indywidualnie lub można je łączyć w złożonych układach ochronnych.

Dwustopniowy układ ochronny z odsprzężeniem rezystancyjnym (po lewej) i trzystopniowy układ ochronny z odsprzężeniem indukcyjnym (po prawej)

Dwustopniowy układ ochronny z odsprzężeniem rezystancyjnym (po lewej) i trzystopniowy układ ochronny z odsprzężeniem indukcyjnym (po prawej)

Łączenie różnych elementów ochronnych umożliwia wykorzystanie zalet poszczególnych elementów. Na przykład typowy układ ochronny dla wrażliwych interfejsów sygnałowych składa się z iskiernika gazowego i diody transil. Połączenie to umożliwia uzyskanie skutecznego i szybko reagującego zabezpieczenia o najlepszym napięciowym poziomie ochrony.

Elementy stanowiące poszczególne stopnie ochrony łączy się pośrednio równolegle. Oznacza to, że pomiędzy elementami umieszczone są rezystancyjne lub indukcyjne elementy odsprzężające. Powoduje to przesunięcie w czasie reakcji poszczególnych stopni ochrony.

Poszczególne układy ochronne różnią się następującymi cechami:

  • Liczba stopni ochrony
  • Kierunek działania układu (ochrona wzdłużna/ochrona poprzeczna)
  • Napięcie znamionowe
  • Tłumienność częstotliwości sygnału
  • Napięciowy poziom ochrony (napięcie progowe)

Zasada działania wielostopniowych układów ochronnych

Rozdział napięcia w dwustopniowym układzie ochronnym  

Rozdział napięcia w dwustopniowym układzie ochronnym

W razie wystąpienia przepięcia w pierwszej kolejności zadziała dioda transil (jako najszybszy element). Prąd wyładowczy przepływa przez diodę transil i wcześniejszy rezystor odsprzęgający. Nad rezystorem odsprzęgającym następuje spadek napięcia. Spadek ten odpowiada różnicy wartości między różnymi napięciami zadziałania diody transil i gazowego ogranicznika przepięć.

Dzięki temu napięcie zadziałania iskiernika gazowego jest osiągane zanim dojdzie do przeciążenia diody transil przez prąd udarowy. Oznacza to, że po zadziałaniu ogranicznika przepięć prąd wyładowczy przepływa niemal w całości przez iskiernik gazowy. Napięcie resztkowe nad iskiernikiem gazowym wynosi maksymalnie 20 V, dzięki czemu dioda transil nie jest obciążona. Przy niskim prądzie wyładowczym, który nie prowadzi do przeciążenia diody transil, gazowy ogranicznik przepięć nie zadziała.

Przedstawiony powyżej układ charakteryzuje się szybką reakcją przy niskim ograniczeniu napięcia, a jednocześnie wysoką zdolnością wyładowczą. Trójstopniowy układ ochronny z odsprzężeniem indukcyjnym działa w oparciu o tę samą zasadę. Różnica polega na tym, że komutacja jest dwustopniowa – najpierw z diody transil do warystora, a następnie dalej do gazowego ogranicznika przepięć.

Zasada rozdziału napięcia działa także między różnymi stopniami ochrony w obszarze zasilania. Napięcie UW nad przewodem spada między urządzeniami zabezpieczającymi typu 1 i typu 2 oraz typu 2 i typu 3. Istnieją jednak również ograniczniki przepięć do zasilania, przy których możliwa jest koordynacja bez długości przewodów między stopniami ochrony.

Legenda:

UG = napięcie zadziałania gazowego ogranicznika przepięć
UD = napięcie progowe diody transil
UW = różnica napięcia nad rezystorem odsprzęgającym

PHOENIX CONTACT Sp. z o.o

ul. Bierutowska 57-59
51-317 Wrocław
071/ 39 80 410