Elementy i układy ochronne

W razie wystąpienia przepięcia urządzenia i przewody muszą zostać w bardzo krótkim czasie zwarte z układem wyrównania potencjałów. Są do tego dostępne różne elementy o odpowiednich właściwościach. Elementy te różnią się charakterystyką odpowiedzi oraz zdolnością odprowadzania.

Transile

Symbol graficzny i charakterystyka prądowo-napięciowa transila  

Symbol graficzny i charakterystyka prądowo-napięciowa transila

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 odprowadzania wynosi ok. 750 A.
    • Przy wyższych napięciach znamionowych zdolność odprowadzania znacznie spada.

Cechy szczególne:

Istnieją również diody o wyższym napięciu znamionowym i z wyższą zdolnością odprowadzania. Wersje te są jednak znacznie większe i dlatego nie używa się ich praktycznie w łączonych układach ochronnych.

Legenda:

UR = napięcie wsteczne
UB = napięcie przebicia
UC = napięcie ograniczenia
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 odpowiedzi leżą w dolnym zakresie nanosekund.
  • Szybsza reakcja niż gazowe urządzenia zabezpieczające.
  • Nie powodują prądów następczych.

Cechy szczególne:

Warystory o znamionowym prądzie udarowym do 2,5 kA stosuje się jako średni stopień ochrony w systemach AKPiA. W dziedzinie zasilaczy warystory o znamionowym prądzie udarowym do 3 kA stanowią ważny element układów ochronnych urządzeń zabezpieczających typu 3, czyli zabezpieczeń aparatowych. Warystory o znacznie większej mocy stosuje się w urządzeniach zabezpieczających typu 2. Standardowa wersja w tym zakresie obejmuje znamionowe prądy udarowe 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 urządzenia zabezpieczające

Symbol graficzny i charakterystyka gazowego urządzenia zabezpieczającego  

Symbol graficzny i charakterystyka gazowego urządzenia zabezpieczającego

Właściwości:

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

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 odpowiedzi
2) Dynamiczna charakterystyka odpowiedzi

Iskierniki

Symbol graficzny i charakterystyka zapłonu iskiernika  

Symbol graficzny i charakterystyka zapłonu iskiernika

Właściwości:

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

Cechy szczególne:

Zasadniczy element wydajnego odgromnika stanowi najczęściej iskiernik. W przypadku tego elementu usytuowane są w niewielkim odstępie od siebie dwa przewodniki iskier. Przepięcia powodują między przewodnikami iskier przebicie i powstaje łuk. Odcinek plazmowy powoduje zwarcie przepięcia. W tym czasie następuje przepływ bardzo wysokich lub gwałtownie wzrastających prądów o trzycyfrowych wartościach kA. Dostępne są otwarte i zamknięte iskierniki. Ze względu na uwarunkowania fizyczne zdolność odprowadzania i gaszenia otwartych urządzeń zabezpieczających jest większa.

W iskiernikach szczególnie skuteczna okazała się technologia Arc Chopping. W tej technologii naprzeciw elektrod umieszczona jest tzw. płytka uderzeniowa. W jej stronę jest kierowany łuk pomiędzy elektrodami, gdzie następnie 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 reakcji / napięcie zapłonowe
tZ = czas odpowiedzi

Złożone układy ochronne do interfejsów sygnałowych

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

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

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

Łączenie różnych elementów ochronnych umożliwia jednoczesne korzystanie z zalet poszczególnych elementów. Na przykład typowym układem ochronnym dla wrażliwych interfejsów sygnałowych jest układ składający się z gazowych urządzeń zabezpieczających i transili. Połączenie to umożliwia uzyskanie skutecznego i szybko reagującego zabezpieczenia o najlepszym stopniu 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 przede wszystkim następującymi cechami:

  • Liczba stopni ochrony
  • Kierunek działania układu (ochrona przed napięciem wzdłużnym/poprzecznym)
  • Napięcie znamionowe
  • Tłumienność częstotliwości sygnału
  • Poziom ochrony (napięcie ograniczające)

Zasada działania wielostopniowych układów ochronnych

Rozdział napięcia w dwustopniowym układzie ochronnym  

Rozdział napięcia w dwustopniowym układzie ochronnym

W razie wystąpienia przepięcia w pierwszej kolejności działa transil (jako najszybszy element). Prąd odprowadzany przepływa przez transil i wcześniejszy rezystor odsprzężający. Nad rezystorem odsprzężającym następuje spadek napięcia. Spadek ten odpowiada różnicy wartości między różnymi napięciami reakcji transila i gazowych urządzeń zabezpieczających.

W ten sposób osiągnięte zostaje napięcie reakcji gazowego urządzenia zabezpieczającego. Następuje to przed przeciążeniem transila przez prąd udarowy. Czyli: jeżeli gazowe urządzenie zabezpieczające uruchomi się, prąd odprowadzany przepływa całkowicie przez gazowe urządzenie zabezpieczające. Napięcie resztkowe nad gazowym urządzeniem zabezpieczającym wynosi maksymalnie 20 V, tak że transil jest odciążona. Przy niskim prądzie odprowadzania, który nie prowadzi do przeciążenia transila, nie następuje uruchomienie gazowego urządzenia zabezpieczającego.

Przedstawiony powyżej układ charakteryzuje się szybką reakcją przy niskim ograniczeniu napięcia, a jednocześnie wysoką zdolnością odprowadzania. Trójstopniowy układ ochronny z odsprzężeniem indukcyjnym działa w oparciu o tę samą zasadę. Różnica polega na tym, że komutacja jest dwustopniowa — najpierw z transila do warystora, a następnie dalej do gazowego urządzenia zabezpieczającego.

Zasada rozdziału napięcia działa zasadniczo także między różnymi stopniami ochrony w obszarze zasilacza. Przy tym napięcie UW nad przewodem spada między urządzeniami zabezpieczającymi typu 1 i typu 2 oraz typu 2 i typu 3. Istnieją także koncepcje urządzeń zabezpieczających dla zasilacza, przy których możliwa jest koordynacja bez długości przewodów między stopniami ochrony.

Legenda:

UG = napięcie reakcji gazowego urządzenia zabezpieczającego
UD = napięcie ograniczenia transila
UW = napięcie różnicowe nad rezystorem odsprzężającym

PHOENIX CONTACT Sp. z o.o

ul. Bierutowska 57-59
Budynek nr 3/A
51-317 Wrocław
071/ 39 80 410

W naszej witrynie stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności.

Zamknij