ネットワーク内の高電圧インパルスに対する REA の保護。スキーム、説明

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ネットワーク内の高電圧インパルスに対する REA の保護。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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著者らは、ほとんどの読者にはほとんど知られていない問題、つまり 400 V 供給ネットワーク内の単一の高電圧 (220 V 以上) 電圧パルスから家庭用機器を保護するという問題を紹介し、その実装のオプションについて語り、工業的に生産された保護装置のコンポーネントについて報告します。。

220 V x 50 Hz の AC 電源ネットワークに 1000 V 以上に達する電圧パルスが存在することは、専門家にとっては珍しいことではありません。幅広い電力消費者にとって、これらの衝動は啓示です。この記事では、ネットワーク内で発生する、50分の1マイクロ秒から数ミリ秒の範囲のパルスから機器を保護する可能性について説明しています。 XNUMX Hz 正弦波の半サイクルを超える、より長い電圧サージは、ここでは説明されていない他の方法で除去されます。これらのパルスが発生する理由は異なり、文献 [XNUMX] などに説明されています。

供給ネットワーク内の高電圧パルスのエネルギーは、数キロジュールに達することがあります。 LC フィルタや RC フィルタ、ネットワーク変圧器の巻線間のスクリーン、その他の方法を使用して電源回路のパルスノイズを低減するためのよく知られた広く普及している方法では、マイクロ回路の電源ピンでのパルスエネルギーの必要な低減が実現できないことがよくあります。実際には、最大 XNUMX ミリジュールのエネルギーを持つパルスが超小型回路に到達し、機器に損傷を与える可能性があることに注意してください。

電子機器のさまざまな回路、特に配電網の電気パネルにおけるパルスのレベルを制限する他の既知の方法には、ガス放電および半導体デバイスの使用が含まれる。ガス放電装置は、実際にはスパークギャップと呼ばれることが多いですが、速度が比較的遅いため、常に必要な結果が得られるわけではなく、非常に扱いにくいものです。

インパルスノイズを低減するために広く使用されている半導体デバイスには、金属酸化物バリスタ、汎用半導体デバイス、特殊半導体電圧リミッタなどがあります。バリスタは、急激に非線形な電流電圧特性を持つ抵抗器であり、その抵抗は印加電圧の増加とともに大幅に減少します。汎用半導体デバイスとは、ツェナーダイオード、パルスダイオード、ショットキーバリアダイオード、およびディフェンサーを意味します。

特殊な半導体電圧リミッタについては、後で説明しますが、電流-電圧特性はツェナーダイオードと同様です。ツェナーダイオードやその他の汎用半導体デバイスとの主な違いは、大きなパルス電力を消費できることです。最新のバリスタは、応答時間の点で検討中のリミッタよりわずかに劣るものの、製造性とコストの点でバリスタと競合します。ただし、バリスタの特性は干渉パルスにさらされるとしばらくの間劣化します。半導体リミッターにはこの現象はありません。電子機器を保護するためには、最大速度と特性の安定性を備えたデバイスが必要であることを考慮すると、それらを優先する必要があります。

GSI 社 (米国) は、90 年代初頭に、最大許容パルス電力が 60 kW、制限電圧が 0,7 ～ 3000 V の、30 種類以上の半導体電圧リミッタを製造しました。 CIS では 3 ～ 1000 V の範囲の電圧用に XNUMX kW も生産されています。

リミッターの動作原理は、それに印加される逆電圧がしきい値レベルを超えると、閉じた pn 接合が開くことです。言い換えれば、リミッターはツェナーダイオードと同様に動作しますが、そのトンネルアバランシェプロセスは多数キャリアのみが電荷を運ぶため、少数キャリアの不要な蓄積が存在しないという事実によって特徴付けられます。これは主にリミッターの高性能に貢献します。

リミッターの電流電圧特性（CVC）を図に示します。 1. ツェナーダイオードと同様に、非対称です。

ネットワーク内の高電圧インパルスに対するREAの保護

両方の記号のインパルスを制限するには、2 つのリミッターを連続して背中合わせに接続すると便利です。このようなペアの電流-電圧特性は対称的です (図 XNUMX)。

ネットワーク内の高電圧インパルスに対するREAの保護

市販の半導体電圧リミッタは、通常、次の特性に基づいて評価されます。

Rimp max - 特定のパルス形状およびデューティサイクル (K3) および周囲温度 Tam.avg におけるパルス最大許容電力損失。このパラメータの値は、ほとんどの場合、対数レベルで 1 ms の指数関数的なパルス持続時間で示されます。パルス最大。立ち上がり時間は 10 μs、K3 は 0,01% 未満で、結晶またはデバイス本体によって消費される許容平均電力が超えないことを保証します。
Irev max - 最大逆電圧で流れる逆最大電流。
Urev max - 逆最大電圧。動作値を超えてはなりません (この場合、動作電圧は制限されません)。 UobP max の値は通常、デバイスの開放電圧の 0,8 と等しくなります。
Uopen および Iopen - デバイスの開口部の電圧と電流。電流-電圧特性の作業分岐の変曲点に対応します。
ウリミット。 imp - 限界電圧 - 最大許容パルス損失電力に応じた、限界パルス電流の最大値におけるパルス逆電圧。
Ipr.imp.max - 直接パルスの最大電流 - 所定の形状、曲線因子、および周囲温度での許容順電流。
Upr.imp.max - 電流 Ipr.imp.max におけるリミッター両端の直接パルスの最大電圧降下。
Cogr - 比率 Ulim に等しい制限係数。インプ最大値 / Uopen; Kogr は、最大パルスパワー Rimp max での約 1,3 から、1,2 Rimp max での 0,5 まで変化します。
ton - デバイスが反対方向に開くスイッチング時間 (対称リミッターの場合、ton < 10-9 秒)。

これらの特性の値に基づいて、消費者は電子機器を保護するために必要な電圧リミッターを選択できます。対称 (XNUMX アーム) リミッターがペイロードと並列の AC ネットワークに接続されています。通常のネットワークモードでは、両方のアームが閉じており、両方の半周期で非常に小さな逆電流のみが流れます。言い換えれば、リミッターはそれ自身をまったく明らかにせず、非常に小さな電力 (XNUMX 分の XNUMX ワット) を消費します。

リミッターの Uopen を超える高電圧の電圧パルスがネットワークに現れるとすぐに、その両方のアームが開き、一方は順方向に、他方は逆方向に開きます。その結果、パルスはブロックされ、この時点の負荷電圧は Ulim を超えません。

Rimp max の値は消滅パルスの持続時間に依存し、τi = 0,1...10 ms の範囲内では比 1/τi にほぼ比例することに注意してください。周囲温度が上昇すると Tamb. 平均 40 ～ 100 СС の場合、消費電力 Rimp max は約 0,024 Tamb に比例して減少する必要があります。結婚した

220 V ネットワークから超小型回路の電源ピンまでの経路上の高電圧パルスの振幅を低減するには、電源にリミッターを組み込むことが最も推奨されます [2]。

供給ネットワークにパルスが発生し、そのエネルギーが適用されたリミッターの許容限界を超えると、安定化電流が多すぎるツェナーダイオードと同様に過熱して故障します。この瞬間から、ネットワークに接続されている機器は保護されなくなります。

したがって、リミッターを使用することの重大な欠点は、強力なインパルスにさらされた後のリミッターのパフォーマンスや故障に関する情報が不足していることです。対称リミッターの動作状態を示すために、対称リミッターは 3 つの単一リミッターで構成され、XNUMX つの拒否ダイオードと XNUMX つの電流制限抵抗の回路が接続されています (図 XNUMX)。

ネットワーク内の高電圧インパルスに対するREAの保護

ヘルスインジケーターの特別な機能は、非標準モードで LED を使用することです。リミッタ VD1 と VD2 が適切に動作し、ネットワーク電圧の半サイクルが正 (図の上部ネットワークワイヤのプラス -) の場合、電流はリミッタ VD1 を自由に流れ、順方向に開き、 LED HL1。この時点ではリミッター VD2 は閉じられています。

その結果、ほぼすべての主電源電圧が HL3R2 回路と拒否ダイオードに逆方向に印加されます。したがって、LED HL3 は反対方向*に開きます。流れる電流は抵抗 R2 によって制限されます。したがって、回路全体にはプラス線からマイナス線に向かって約2mAの電流が流れます。これは、「緑色」LED HL1 の顕著な輝きを確保するには十分です。 HL2R2 回路に印加される電圧が低すぎるため (1 V 未満)、HL3 LED は点灯しません。

ネットワーク電圧の極性が変わると、同じプロセスが発生します。VD1 と VD2、R2 と R1、HL3 と HL2 が変わるだけです。つまり、リミッターの保守性はインジケーターの緑色の信号によって確認されます。場合によっては、記載されたインジケーターは、同時に主電源電圧の存在のインジケーターとして機能することもあります。

リミッター VD1 が故障 (破損) すると、「緑色」の LED HL1 が消灯し、「赤色」の LED HL2 がオンになり、リミッター VD2 が損傷すると、「赤色」の LED HL3 がオンになることが簡単にわかります。

ZA-0と名付けられた上記のモジュールは、JSC「コンピュータ技術および産業用電子機器」(モスクワ)でNPK「Kvark」(タシケント)と共同で開発され、量産が開始された。モジュールの外観を写真に示します（図4）。

ネットワーク内の高電圧インパルスに対するREAの保護

モジュールの主な特徴

パルス最大許容電力、kW 以上、周囲温度 25°C の場合......1,5
周囲温度25℃（開放電流1mA）におけるリミッタ開放用交流電圧振幅V……400±20
制限係数、...... 1,2 ... 1,3
LEDの光強度、mcd、少なくとも...... 0,5
高電圧パルスがない場合にネットワークから消費される電力、W、それ以上......0,5
ハウジングの寸法**、mm、以下...... 32x12x10
重量、g、以下...... 10

モジュール本体はプラスチックを金型に流し込んで作られます。 GOST 4.2 に準拠した気候変動 UHL 配置カテゴリ 15150。感電に対する保護の観点から、この製品は GOST 2757.0 に準拠したクラス II に属します。

ZA-0 モジュールは、REA 電源への設置に加えて、220 V AC 電源のソケットに接続された産業用および家庭用電子機器を保護するために、研究室、オフィス、アパートでの使用として幅広いユーザーやアマチュア無線家に推奨されます。この目的のために、ZA-01 という名前のオプション製品が開発されました。ここで、モジュール本体には標準ピンが装備されており、部屋の空いているソケットに差し込むことができます。

ZA-0保護モジュールの開発は科学技術財団「エナジー・エレクトロニクス」によって承認され、量産製品の開発を支援しました。

5 kW (ZA-1) および 30 kW (ZA-2) の電力を備えた保護モジュール、およびこれらの製品のプラグ付きバージョン (ZA-11 および ZA-21) が現在生産開始されています。。これらのモジュールは、1,5 kW モジュールが高電圧ネットワークパルスに耐えられない場合に使用する必要があります。 DC ネットワークを保護するモジュールも開発されており、30 ～ 6,8 kW のパルス電力と 450 ～ XNUMX V の開放電圧向けに設計されています。

ZA-0 保護モジュールとそれに基づく製品を使用する最初の段階で、サプライヤーは顧客に故障したモジュールを新しいものと無料で交換します。モジュールが再び故障した場合、消費者はより強力なデバイスを購入するよう勧められます。必要に応じて、JSC「コンピュータ技術と産業用電子機器」(モスクワの電話番号 330-06-38) が消費者のネットワークの調査を実施し、電子機器を保護するための提案を行います。

* LED (および他の多くの電子部品) のこの機能は、アマチュア無線家によって長い間注目され、研究され、広く使用されてきました。たとえば、I. Nechaev による記事「ツェナーダイオードとしての LED」（『Radio』、1997 年、第 3 号、p.51）を参照してください。 XNUMX.

** リードの長さ - 9 ～ 12 mm と突出する LED ハウジングの高さ - 3 ～ 5 mm を除きます。

文学

Cherepanov V.P.、Khrulev A.K.、Bludov I.P. 電子機器を過負荷から保護するための電子機器。ディレクトリ。 - M.: ラジオと通信、1994 (p. 17-21)。
Kolosov V. A. 固定電子機器の電源。デザインの理論と実践。 - M.: ラジオと通信、1992 (p. 111、112)。

著者: V. Kolosov、モスクワ、A. Muratov、タシケント、ウズベキスタン

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