Schutz von REA vor Hochspannungsimpulsen im Netzwerk. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Die Autoren stellen ein den meisten Lesern wenig bekanntes Problem vor – den Schutz von Haushaltsgeräten vor einzelnen Hochspannungsimpulsen (mehr als 400 V) im 220-V-Versorgungsnetz, sprechen über Möglichkeiten seiner Umsetzung und berichten über die Komponenten von Schutzgeräten von der Industrie produziert.

Das Vorhandensein von Spannungsimpulsen von 220 V oder mehr im Wechselstromversorgungsnetz 50 V x 1000 Hz ist für Fachleute nichts Neues. Für eine Vielzahl von Stromverbrauchern sind diese Impulse eine Entdeckung. Der Artikel befasst sich mit den Möglichkeiten, Geräte vor im Netzwerk auftretenden Impulsen mit einer Dauer von Zehntel Mikrosekunden bis zu einigen Millisekunden zu schützen. Längere Spannungsstöße – mehr als eine Halbwelle einer Sinuskurve mit einer Frequenz von 50 Hz – werden auf andere Weise eliminiert, die hier nicht behandelt wird. Die Gründe für das Auftreten dieser Pulse sind unterschiedlich und in der Literatur beispielsweise in [1] beschrieben.

Die Energie von Hochspannungsimpulsen im Versorgungsnetz kann mehrere Kilojoule erreichen. Bekannte und weit verbreitete Methoden zur Reduzierung des Impulsrauschens in Stromkreisen mithilfe von LC- und RC-Filtern, Abschirmungen zwischen den Wicklungen von Netzwerktransformatoren und anderen Methoden sorgen oft nicht für die notwendige Reduzierung der Impulsenergie an den Stromversorgungspins von Mikroschaltungen. Es wird darauf hingewiesen, dass Impulse mit Energien bis zu einem Millijoule tatsächlich die Mikroschaltungen erreichen, die durchaus in der Lage sind, das Gerät außer Betrieb zu setzen.

Andere bekannte Methoden zur Begrenzung des Impulspegels in verschiedenen Schaltkreisen elektronischer Geräte, insbesondere in Schalttafeln von Verteilernetzen, sind mit der Verwendung von Gasentladungs- und Halbleiterbauelementen verbunden. Gasentladungsvorrichtungen, in der Praxis oft auch Funkenstrecken genannt, liefern aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeit nicht immer das gewünschte Ergebnis und sind recht sperrig.

Zu den Halbleiterbauelementen, die häufig zur Reduzierung transienter Störungen eingesetzt werden, gehören Metalloxid-Varistoren, Allzweck-Halbleiterbauelemente und spezielle Halbleiter-Spannungsunterdrücker. Varistoren sind Widerstände mit einer stark nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie, ihr Widerstand nimmt mit zunehmender angelegter Spannung deutlich ab. Zu den Allzweck-Halbleiterbauelementen gehören Zenerdioden, gepulste Dioden und Schottky-Barrieredioden sowie Defensoren.

Bei speziellen Halbleiter-Spannungsbegrenzern, auf die weiter unten eingegangen wird, ähnelt die Strom-Spannungs-Kennlinie der Zenerdiode. Ihr Hauptunterschied zu Zenerdioden und anderen Allzweck-Halbleiterbauelementen besteht in der Fähigkeit, eine große Impulsleistung abzuleiten. Moderne Varistoren, die den betrachteten Begrenzern hinsichtlich der Reaktionszeit etwas unterlegen sind, konkurrieren mit ihnen hinsichtlich Herstellbarkeit und Kosten. Allerdings verschlechtern sich die Eigenschaften der Varistoren für einige Zeit nach dem Auftreffen jedes Störimpulses. Bei Halbleiterbegrenzern tritt dieses Phänomen nicht auf. In Anbetracht der Tatsache, dass zum Schutz elektronischer Geräte Geräte mit maximaler Geschwindigkeit und Stabilität der Eigenschaften benötigt werden, sollte ihnen der Vorzug gegeben werden.

GSI (USA) produzierte Anfang der 90er Jahre über tausend Varianten von Halbleiter-Spannungsbegrenzern mit einer maximal zulässigen Impulsleistung von bis zu 60 kW und einer Grenzspannung von 0,7 bis 3000 V. Derzeit sind ähnliche Begrenzer mit einer Leistung von bis zu In der GUS werden auch 30 kW für Spannungen im Bereich von 3 ... 1000 V erzeugt.

Das Funktionsprinzip des Begrenzers besteht darin, seinen geschlossenen pn-Übergang zu öffnen, wenn die an ihn angelegte Sperrspannung den Schwellenwert überschreitet. Mit anderen Worten: Der Begrenzer verhält sich ähnlich wie Zenerdioden, allerdings ist das Charakteristikum des Tunnel-Lavion-Prozesses darin, dass nur die Mehrheitsträger die Ladungen tragen, es also nicht zu einer unerwünschten Anhäufung von Minoritätsträgern kommt. Dies liegt vor allem an der hohen Geschwindigkeit des Begrenzers.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC) des Begrenzers ist in Abb. dargestellt. 1. Wie die Zenerdiode ist sie asymmetrisch.

Um die Impulse beider Vorzeichen zu begrenzen, ist es zweckmäßig, zwei Begrenzer antisequentiell einzuschalten. Der CVC eines solchen Paares ist symmetrisch (Abb. 2).

Handelsübliche Halbleiter-Spannungsableiter werden üblicherweise nach folgenden Eigenschaften bewertet:

• Rmp max – maximal zulässige Verlustleistung des Impulses für eine bestimmte Form und ein bestimmtes Tastverhältnis (K3) von Impulsen und Umgebungstemperatur Tacr.av. imp max, mit einer Frontdauer von 1 μs und K10 kleiner als 3 %, um sicherzustellen, dass die zulässige durchschnittliche Verlustleistung durch den Quarz oder das Gerätegehäuse nicht überschritten wird;
• Iobr max – maximaler Umkehrstrom, der bei maximaler Umkehrspannung fließt;
• Urev max – maximale Rückwärtsspannung, die den Betriebswert nicht überschreiten sollte (die Betriebsspannung sollte in diesem Fall nicht begrenzt werden); der Wert von UoR max wird normalerweise gleich dem 0,8-fachen der Öffnungsspannung des Geräts angenommen;
• Uopen und Iopen – die Spannung und der Strom zum Öffnen des Geräts, entsprechend dem Wendepunkt auf dem Arbeitszweig der Strom-Spannungs-Kennlinie;
• Ulimit imp – Grenzspannung – Impulsrückspannung beim Maximalwert des Grenzimpulsstroms, abhängig von der maximal zulässigen Verlustimpulsleistung;
• Ipr.imp.max – maximaler Direktimpulsstrom – zulässiger Gleichstrom für eine bestimmte Form, einen bestimmten Arbeitszyklus und eine bestimmte Umgebungstemperatur;
• Upr.imp.max – maximaler Spannungsabfall des Direktimpulses am Begrenzer bei Strom Ipr.imp.max.;
• Kogr – Restriktionskoeffizient gleich dem Verhältnis Ulimit. imp max / Uopen; Kogr variiert von etwa 1,3 bei maximaler Impulsleistung Rimp max bis 1,2 bei 0,5 Rimp max;
• ton - Einschaltzeit, während der das Gerät in die entgegengesetzte Richtung öffnet (bei symmetrischen Begrenzern ton < 10-9 s).

Anhand der Werte dieser Eigenschaften kann der Verbraucher den zum Schutz elektronischer Geräte erforderlichen Spannungsbegrenzer auswählen. Parallel zur Nutzlast ist ein symmetrischer (zweiarmiger) Begrenzer an das Wechselstromnetz angeschlossen. Im Normalbetrieb des Netzwerks sind beide Arme geschlossen und in beiden Halbperioden fließt nur ein sehr geringer Rückstrom durch das Netzwerk. Mit anderen Worten, der Begrenzer zeigt sich in keiner Weise und verbraucht eine – sehr kleine – Leistung (Hundertstel Watt).

Sobald im Netz ein Hochspannungsimpuls auftritt, der Uopen des Begrenzers überschreitet, öffnen sich beide Arme, einer in Vorwärtsrichtung, der andere in Gegenrichtung. Dadurch wird der Impuls blockiert und die Spannung an der Last wird in diesem Moment Ulimit nicht überschreiten.

Es ist zu beachten, dass der Wert von Rimp max von der Dauer des Chi-unterdrückten Impulses abhängt und innerhalb von τi = 0,1...10 ms ungefähr proportional zum Verhältnis 1/τi ist. Wenn die Umgebungstemperatur steigt, erhöht sich Tacr. Von 40 auf 100 CC muss die Verlustleistung Rmp max ungefähr proportional auf 0,024 Tacr reduziert werden. vgl.

Um die Amplitude von Hochspannungsimpulsen auf dem Weg vom 220-V-Netz zu den Stromversorgungsklemmen von Mikroschaltungen zu reduzieren, ist es am ratsamsten, Begrenzer in die Stromversorgung einzubauen [2].

Treten im Versorgungsnetz Impulse auf, deren Energie größer ist als die für den eingesetzten Begrenzer zulässige, kommt es ebenso wie die Zenerdiode bei zu hohem Stabilisierungsstrom zu einer Überhitzung und einem Ausfall. Ab diesem Zeitpunkt sind die an das Netzwerk angeschlossenen Geräte ungeschützt.

Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes von Begrenzern ist daher der Mangel an Informationen über deren Leistung oder Ausfall nach Einwirkung starker Impulse. Um den korrekten Zustand des symmetrischen Begrenzers anzuzeigen, besteht er aus zwei Einzelbegrenzern und ist mit einer Schaltung aus drei Vetodioden und zwei Strombegrenzungswiderständen verbunden (Abb. 3).

Ein Merkmal der Gesundheitsanzeige ist die Verwendung von LEDs in einem nicht standardmäßigen Modus. Bei funktionsfähigen Begrenzern VD1 und VD2 und einer positiven Halbwelle der Netzspannung (Plus - auf der oberen Netzleitung je nach Schaltung) fließt der Strom ungehindert durch den in Vorwärtsrichtung offenen Begrenzer VD1 und durch die HL1-LED . Der VD2-Limiter ist zu diesem Zeitpunkt geschlossen.

Dadurch liegt fast die gesamte Netzspannung an der HL3R2-Schaltung und an der Vetodiode an – in entgegengesetzter Richtung. Daher öffnet die HL3-LED in die entgegengesetzte Richtung *; Der durch ihn fließende Strom begrenzt den Widerstand R2. Somit fließt ein Strom von etwa 2 mA durch den gesamten Stromkreis vom Pluskabel zum Minuskabel. Dies reicht aus, um für ein spürbares Leuchten der „grünen“ LED HL1 zu sorgen. Die HL2-LED leuchtet nicht, da an der HL2R1-Schaltung zu wenig Spannung (weniger als 3 V) anliegt.

Beim Umpolen der Netzspannung laufen die gleichen Vorgänge ab, nur VD1 und VD2, R2 und R1, HL3 und HL2 tauschen die Plätze. Das heißt, die Funktionsfähigkeit der Begrenzer wird durch das grüne Signal der Anzeige bestätigt. In manchen Fällen kann die beschriebene Anzeige gleichzeitig als Anzeige für das Vorhandensein von Netzspannung dienen.

Es ist leicht zu erkennen, dass bei Ausfall (Bruch) des Begrenzers VD1 die „grüne“ LED HL1 erlischt und die „rote“ LED HL2 aufleuchtet, und bei Beschädigung des Begrenzers VD2 die „rote“ LED HL3 aufleuchtet.

Das beschriebene Modul mit dem Namen ZA-0 wurde bei Computer Engineering and Industrial Electronics OJSC (Moskau) zusammen mit NPK Quark (Taschkent) entwickelt und in der Massenproduktion beherrscht. Das Aussehen des Moduls ist auf dem Foto dargestellt (Abb. 4).

Hauptmerkmale des Moduls

• Maximal zulässige Impulsleistung, kW, nicht weniger als bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C......1,5
• Die Amplitude der Wechselspannung der Öffnung der Begrenzer, V, bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C (Öffnungsstrom 1 mA) ..... 400 ± 20
• Begrenzungsfaktor,......1,2... 1,3
• Lichtintensität von LEDs, mcd, nicht weniger als ...... 0,5
• Die vom Netz ohne Hochspannungsimpulse verbrauchte Leistung, W, nicht mehr als ...... 0,5
• Gehäuseabmessungen**, mm, nicht mehr als......32x12x10
• Gewicht, g, nicht mehr als ...... 10

Der Modulkörper wird aus Kunststoff durch Gießen in eine Form hergestellt. Klimaversion UHL, Platzierungskategorie 4.2 nach GOST 15150. Hinsichtlich des Schutzes gegen elektrischen Schlag gehört das Produkt zur Klasse II nach GOST 2757.0.

Das ZA-0-Modul wird neben dem Einbau in REA-Netzteilen einem breiten Anwenderkreis und Funkamateuren für den Einsatz in Labors, Büros und Wohnungen zum Schutz elektronischer Industrie- und Haushaltsgeräte empfohlen, die an 220-V-Wechselstrom-Steckdosen angeschlossen sind. A Zu diesem Zweck wurden Produkte entwickelt, die den Namen ZA-01 erhielten. Dabei ist das Modulgehäuse mit Standard-Pins ausgestattet, die das Einstecken in jede freie Steckdose im Raum ermöglichen.

Die Entwicklung des Schutzmoduls ZA-0 wurde vom Wissenschaftlich-Technischen Fonds „Energieelektronik“ genehmigt, der die Entwicklung von Produkten in Massenproduktion unterstützte.

Schutzmodule für 5 kW (ZA-1) und 30 kW (ZA-2) sowie Varianten dieser Produkte mit Stecker (ZA-11 und ZA-21) befinden sich in der Serienreife. Diese Module sollten dort eingesetzt werden, wo eineinhalb Kilowatt-Module Hochspannungs-Netzimpulsen nicht standhalten können. Auch für den Schutz von Gleichstromnetzen wurden Module entwickelt, die für Impulsleistungen von 1,5 bis 30 kW und Öffnungsspannungen von 6,8 bis 450 V ausgelegt sind.

In der ersten Phase der Nutzung von ZA-0-Schutzmodulen und darauf basierenden Produkten stellt der Lieferant seinen Kunden einen kostenlosen Ersatz der ausgefallenen durch neue zur Verfügung. Sollten die Module erneut ausfallen, wird dem Verbraucher empfohlen, leistungsstärkere Geräte zu kaufen. Bei Bedarf wird JSC „Computer Engineering and Industrial Electronics“ (Tel. in Moskau 330-06-38) eine Studie über das Verbrauchernetzwerk durchführen und Vorschläge zum Schutz von REA unterbreiten.

* Diese Eigenschaft von LEDs (und einer Reihe anderer elektronischer Komponenten) wird von Funkamateuren seit langem bemerkt, erforscht und häufig genutzt. Siehe zum Beispiel den Artikel von I. Netschajew „LED als Zenerdiode“ in „Radio“, 1997, Nr. 3, S. 51.

** Ohne Berücksichtigung der Länge der Leitungen - 9 ... 12 mm und der Höhe der hervorstehenden LED-Gehäuse - 3 ... 5 mm.

Literatur

1. Cherepanov V. P., Khrulev A. K., Bludov I. P. Elektronische Geräte zum Schutz elektronischer Geräte vor elektrischer Überlastung. Verzeichnis. - M.: Radio und Kommunikation, 1994 (S. 17-21).
2. Kolosov V. A. Stromversorgung der stationären REA. Theorie und Praxis des Designs. - M.: Radio und Kommunikation, 1992 (S. 111, 112).

Autor: V. Kolosov, Moskau, A. Muratov, Taschkent, Usbekistan

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