NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT KẾ MẠCH BẢO VỆ SURGE

0
54

Mạch bảo vệ chống sét lan truyền là mạch được nhiều người gọi là mạch bảo vệ cho các xung điện áp trong đường dây lưới điện xoay chiều; tuy nhiên nó không bị giới hạn đặc biệt trong các đường lưới AC. Thiết bị chống sét lan truyền hoặc thiết bị chống sét lan truyền là thiết bị cung cấp khả năng triệt tiêu xung điện áp hoặc triệt tiêu xung điện áp để các thiết bị nhạy cảm không bị hư hỏng.

Thiết bị chống sét lan truyền có thể xử lý các xung điện áp cao tới một số kilovolt (tùy thuộc vào loại thiết bị chống sét lan truyền). Cũng có những bộ triệt tiêu xung điện chỉ dùng để xử lý vài trăm vôn, v.v. Mặc dù thiết bị chống sét lan truyền được thiết kế để chịu được xung điện áp cao trong thời gian ngắn, nhưng nó không được đánh giá là có thể xử lý điện áp cao trong thời gian dài hơn.

Surge là gì?

Tăng đột biến nói chung là sự gia tăng đột ngột về mức độ hoặc cường độ so với giá trị bình thường hoặc tiêu chuẩn. Trong điện, tăng thường được sử dụng để mô tả quá độ điện áp, tăng điện áp hoặc tăng đột biến điện áp. Điện áp tăng hoặc đột biến hoặc thoáng qua không phải là một sự kiện vĩnh viễn. Nó chỉ xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn nhưng quá đủ để phá hủy các thiết bị nếu không có biện pháp đối phó.

Sự tăng điện áp không chỉ xuất hiện trong đường dây điện mà còn trong các mạch điện có tính chất cảm ứng. Tuy nhiên, sự gia tăng điện áp trong đường dây điện là sự phá hủy nghiêm trọng nhất vì nó có thể tăng cao đến vài kilovolt.

Hình minh họa dưới đây cho thấy sự tăng điện áp trên đường dây nguồn AC.

Thiết bị chống sét lan truyền cho quá độ đường dây AC được lắp đặt phổ biến trong nhà ở, văn phòng và các tòa nhà để tránh các thiết bị hoặc thiết bị bị hư hỏng. Nó nên được cài đặt trong phần mà tất cả các thiết bị hoặc thiết bị lấy nguồn của chúng. Bằng cách làm như vậy, tất cả các thiết bị sẽ được bảo vệ bởi dòng điện tăng và đột biến. Cách tiếp cận này được gọi là bảo vệ đột biến phổ quát . Có thể không cần thiết bị chống sét lan truyền nếu tất cả các thiết bị hoặc thiết bị đều có mạch bảo vệ chống sét lan truyền cục bộ.

Hai hạng mục chính của mạch bảo vệ chống sét lan truyền được sử dụng trong đường dây điện

1. Bộ bảo vệ chống sét lan truyền chính

Thiết bị chống sét lan truyền chính được lắp đặt ở đầu vào của hệ thống dây điện trong nhà, văn phòng hoặc tòa nhà. Nó sẽ bảo vệ tất cả các thiết bị hoặc thiết bị kết nối đường dây sau điểm vào. Nói chung, bộ bảo vệ đột biến chính rất mạnh mẽ; tuy nhiên, nó rất lớn và cồng kềnh cũng như đắt tiền.

2. Bộ bảo vệ chống sét lan truyền thứ cấp

Bộ chống sét lan truyền thứ cấp không hiệu quả và mạnh mẽ như thiết bị chống sét lan truyền chính.

Tuy nhiên, nó là di động và thuận tiện để sử dụng. Hầu hết, loại thiết bị chống sét lan truyền này dễ dàng cắm vào các ổ cắm điện. Nó sẽ chỉ cung cấp bảo vệ cho các thiết bị lấy điện từ ổ cắm điện mà bộ chống sét lan truyền thứ cấp được lắp đặt.

Sơ đồ bên dưới cho thấy cách lắp đặt bộ chống sét lan truyền chính và phụ trong một tòa nhà.

Các loại mạch bảo vệ xung thứ cấp phổ biến

Có rất ít mạch bảo vệ chống xung thứ cấp được biết đến. Một là cái gọi là dải điện . Dải điện dễ dàng cắm vào ổ cắm điện. Ngoài ra, nó còn đi kèm với nhiều ổ cắm điện trong đó nhiều thiết bị và đồ dùng có thể cắm vào và được bảo vệ khi tăng điện. Tính năng quan trọng nhất của dải nguồn là khả năng ngắt nguồn trong trường hợp điện áp tăng đột biến.

Loại thiết bị chống sét lan truyền thứ cấp được biết đến là UPS hoặc nguồn điện liên tục nổi tiếng . Một số UPS tinh vi có bộ chống sét lan truyền tích hợp trong đó cung cấp tính năng an toàn tương tự như dải điện có thể làm.

Làm thế nào một bộ bảo vệ chống sét hoạt động?

Có một loại thiết bị chống sét lan truyền

có thể cắt điện khi có điện áp tăng. Loại thiết bị chống sét lan truyền này phức tạp, phức tạp hơn và tất nhiên là đắt tiền. Các thành phần cơ bản của loại này là cảm biến điện áp , bộ điều khiển và mạch chốt / mở chốt . Cảm biến điện áp sẽ giám sát điện áp đường dây, bộ điều khiển sẽ đọc điện áp cảm nhận và quyết định thời điểm báo hiệu kết thúc điện áp đến mạch chốt / mở chốt. Mạch chốt / mở chốt là một công tắc tơ hoặc công tắc nguồn có thể điều khiển được, có thể kết nối hoặc ngắt điện áp đường dây.

Ngoài ra còn có một loại thiết bị chống sét lan truyền không cung cấp ngắt điện áp mà chỉ kẹp điện áp thoáng qua và hấp thụ năng lượng. Loại bảo vệ chống sét lan truyền này thường được sử dụng như bảo vệ chống sét lan truyền tích hợp như trong nguồn điện ở chế độ chuyển mạch. Loại bảo vệ này có hiệu quả lên đến vài nghìn vôn. Loại bảo vệ chống đột biến này được mô tả tốt nhất trong mạch như hình minh họa bên dưới.

Bộ bảo vệ tăng xung 1 trên AC LINE 1 và 2 được gọi là triệt tiêu xung chế độ vi sai. Trong khi cả bộ bảo vệ tăng áp 2 và 3 được gọi là chế độ triệt tiêu xung đột biến. Kẹp triệt tiêu xung chế độ vi sai bất kỳ xung đột biến điện áp nào trên AC LINE 1 và 2. Nó được gọi là vi sai vì nó được lắp đặt trên hai dây nóng. Mặt khác, chế độ chung là thuật ngữ được sử dụng cho bộ chống sét lan truyền 2 và 3 vì cả hai đều là quá độ điện áp kẹp trên dây nóng riêng lẻ đối với đất hoặc đất. Trong các yêu cầu tăng đột biến không quá chặt chẽ, bộ bảo vệ tăng 1 đã đủ để vượt qua tiêu chuẩn. Tuy nhiên,

đối với các yêu cầu rất nghiêm ngặt như điện áp tăng cao hơn, bộ bảo vệ tăng 2 và 3 được thêm vào.

Nguyên nhân của tăng điện áp

Có một số yếu tố khiến điện áp tăng đột biến xảy ra.Có thể do sét đánh, chuyển mạch hệ thống điện như tụ điện, mạch cộng hưởng với các thiết bị đóng cắt, dây dẫn bị lỗi, đột ngột bật tắt công tắc, động cơ điện và các thiết bị, dụng cụ điện cảm cao khác. Tăng điện áp đường dây AC có mặt ở mọi nơi trên thế giới. Vì vậy, nên bảo vệ các thiết bị và đồ dùng khỏi sự kiện phá hoại này.

Một số phương tiện phổ biến của sự tăng vọt

Đây là những con đường phổ biến mà xung đột biến điện áp hoặc đột biến điện áp có thể đi vào các thiết bị hoặc thiết bị sử dụng nó.

Đường dây điện – Đây là phương tiện chống đột biến số một vì tất cả các thiết bị điện và điện tử đều sử dụng nguồn điện từ đường dây AC. Tăng dòng AC là phổ biến trên toàn thế giới.

Đường RF – điều này bao gồm ăng-ten. Ăng-ten dễ bị sét đánh. Sét có thể tạo ra điện áp rất cao trong thời gian ngắn. Khi một tia sét đánh vào ăng-ten, nó sẽ xuyên qua bộ thu RF.

Máy phát điện trên ô tô – Trong thiết bị điện tử ô tô, điện áp tăng cũng được định nghĩa. Đó là bởi vì máy phát điện có thể tạo ra một điện áp cao trong quá trình tải.

Mạch / tải cảm ứng – bất kỳ mạch hoặc tải cảm ứng nào luôn tạo ra điện áp tăng. Thông thường, sự gia tăng này được gọi là hiện tượng giật ngược quy nạp.

Tiêu chuẩn tăng sóng do IEC xác định

IEC 61000-4-5 xác định tiêu chuẩn cho dòng điện xoay chiều tăng đột biến. Bảng dưới đây giải thích cụ thể cho các lớp và mức điện áp. Bảng được lấy từ liên kết dưới đây

Dựa trên tiêu chuẩn này, điện áp quá độ tối đa mà thiết bị phải chịu và vượt qua là 4kV ở cấp 4 (tuy có cấp 5 nhưng nó vẫn gọi là cấp 4).

Điện áp quá độ được xác định bởi IEC 61000-4-5 được mô hình hóa với hình minh họa bên dưới. Nó có mức tăng 1,2usec trong khi độ rộng xung là 50usec. Bảng được lấy từ liên kết dưới đây

AN4275 của STMicroelectronics .

IEC 61000-4-5 cũng định nghĩa các hình dạng dòng ngắn mạch như hình dưới đây. Nó có mức tăng 8usec và độ rộng xung 20usec. Bảng được lấy từ AN4275 của STMicroelectronics . cách bố trí linh kiện trong mạch pcb

Bảng dưới đây là mức dòng điện tăng hoặc dòng điện ngắn mạch tương ứng cho mỗi lớp. Giá trị kém nhất là 2000A. Bảng được lấy từ AN4275 của STMicroelectronics .

Dòng điện ngắn mạch này được quy định bởi IEC 61000-4-5 là bao nhiêu? Để trả lời câu hỏi này, tôi xin bắt đầu bằng cách nói rằng tất cả các thiết bị kết nối với đường dây điện đều bắt buộc phải có bảo vệ chống sét lan truyền. Bảo vệ chống sét lan truyền hoạt động bằng cách kẹp các quá độ điện áp ở mức an toàn hơn. Một khi mạch bảo vệ tăng áp kẹp, sẽ có một đường ngắn mạch từ nguồn đến thiết bị bảo vệ và trở lại đất nguồn.

Cách thiết kế mạch chống sét lan truyền

Không khó để thiết kế một thiết bị chống sét lan truyền. Trên thực tế, các biện pháp bảo vệ chống sét lan truyền tích hợp cho một số thiết bị điện tử chỉ có thể là một thiết bị duy nhất. Đây có thể là MOV hoặc biến thể oxit kim loại hoặc bộ triệt tiêu điện áp tạm thời TVS. Giả sử trong hình minh họa bên dưới, bộ chống sét lan truyền 1 đến 3 có thể là MOV hoặc TVS.

Đôi khi, một thiết bị chống sét lan truyền ở giữa các đường dây AC là đủ để vượt qua tiêu chuẩn IEC. Trong một số trường hợp, mạch bảo vệ chống sét lan truyền là cần thiết trên đường dây và mặt đất. Điều này đặc biệt là ở yêu cầu điện áp tăng cao hơn (4kV trở lên). kiểm tra mosfet

 

Sử dụng MOV làm thiết bị chống sét lan truyền

Các tính chất cơ bản

  • MOV là viết tắt của Metal oxide varistor; được sử dụng phổ biến chống sét lan truyền trong đường dây điện
  • MOV là điện trở phụ thuộc điện áp
  • Hoạt động MOV giống như một diode có đặc tính dòng và điện áp phi tuyến tính, không ohmic nhưng có hai chiều
  • Hoạt động của nó cũng có thể được so sánh với bộ triệt tiêu điện áp chuyển tiếp hai chiều TVS
  • Khi không đạt đến điện áp kẹp, nó đang hoạt động một mạch hở

Dưới đây là đường cong điện áp-dòng điện của MOV. Như bạn có thể thấy, nó có điện áp gần như không đổi ở góc phần tư 1 và 3 khiến nó trở thành một thiết bị hai chiều. ZnO và SiC lần lượt là viết tắt của oxit kẽm và cacbua silic. Đây là hai vật liệu phổ biến MOV được thực hiện.

Lựa chọn thiết bị

Đối với dòng phổ thông 90-264Vac, định mức điện áp MOV thông thường sẽ là 300Vrms. 300Vrms là RMS hoặc điện áp áp dụng liên tục mà MOV có thể duy trì. Đây chưa phải là điện áp kẹp. Ví dụ, chúng tôi sẽ sử dụng TMOV14RP300ML2B7 từ cầu chì Littel, định mức điện áp AC của nó là 300Vac nhưng điện áp kẹp của nó là 775V ở dòng điện đỉnh 50A dựa trên biểu dữ liệu.

Điều tiếp theo cần xác minh là xếp hạng dòng điện tăng của MOV có thể xử lý mức được chỉ định bởi Bảng 2 ở trên (xem xét mức tối đa). Dựa trên biểu dữ liệu MOV đã chọn bên dưới, ở thời lượng xung 2000A và 20usec, MOV có thể xử lý hơn 15 lần tấn công nhưng ít hơn 100 lần tấn công. Tôi đặt đường đứt nét trên đồ thị thiết bị ước tính 2000A.

Mặc dù biểu dữ liệu đã chỉ định điện áp kẹp, nhưng nó có thể không còn hợp lệ ở 2000A. Biểu đồ bên dưới cho biết điện áp kẹp tương ứng ở 2000A bằng cách sử dụng MOV đã chọn. Giao điểm của các đường màu vàng là điện áp kẹp. Hãy lưu ý rằng nó là hơn 1000V rồi. Đảm bảo rằng tất cả các thiết bị được sử dụng trong thiết bị có thể chịu được mức điện áp này. Nếu không, hãy xem xét một MOV khác có điện áp kẹp thấp hơn.

MOV Vị trí lý tưởng để bảo vệ chống sét lan truyền đường dây điện

MOV hoạt động như một thiết bị chống sét lan truyền phải được gắn rất gần với cầu chì như hình minh họa bên dưới. Với hệ thống dây điện này, một khi dòng điện tăng quá mức do MOV xử lý, cầu chì sẽ bị đứt và hở mạch và tránh được sự cố nghiêm trọng có thể xảy ra.

Chống sét lan truyền trong ô tô

Như đã đề cập ở trên, sự đột biến không chỉ xảy ra với đường dây điện AC. Tăng điện áp cũng rất phổ biến đối với các hệ thống ô tô. Hệ thống ô tô chỉ sử dụng Ắc quy Axit Chì với điện áp sạc đầy điển hình khoảng 12,9V cho 6 ô nối tiếp với 2,15V mỗi ô. Trong tính toán, điện áp pin tối đa 14V thường được sử dụng. Mức này không phá hủy và các thiết bị có định mức 30V là quá đủ để tồn tại trong thời gian dài. Tuy nhiên, nhận thức này chỉ đúng ở trạng thái ổn định chứ không đúng ở trạng thái được gọi là “tải trọng”. Load dump là thuật ngữ được sử dụng để mô tả khi pin bị ngắt kết nối đột ngột trong khi nó đang được sạc bởi máy phát điện. Đối với hệ thống 12V, kết quả tải có thể tăng vọt lên đến 120V và quá đủ để phá hủy các thiết bị nếu không được xem xét.

Để chống lại trường hợp đổ tải này, mạch bảo vệ tăng đột biến như varistor thường được sử dụng mạch chỉnh lưu

Trong ô tô, dạng sóng kết xuất tải được xác định theo ISO 7637 như hình dưới đây. Điện áp đỉnh tối đa là 125V. Khoảng tăng và độ rộng xung (T1 và T) dài hơn so với tiêu chuẩn được xác định bởi IEC 61000-4-5.

Vị trí lý tưởng của thiết bị chống sét lan truyền trong ô tô

Ví dụ về cách chọn một biến trở cho DC điện áp thấp như Hệ thống ô tô

Yêu cầu thiết kế

Đầu vào: 24V DC

Dạng sóng hiện tại cho sự đột biến là 8 / 20μs; điện áp là 1,2 / 50μs

Dòng điện tăng cao nhất: 800A

Nên sống sót sau 40 lần dâng

Các thiết bị nhạy cảm cần bảo vệ được định mức tối đa 250V

Xác định Điện áp DC Varistor

Đối với hệ thống 24V, không chọn Biến thể định mức 24V. Thay vào đó, hãy bao gồm ít nhất 20% biên độ an toàn. Tuy nhiên, đừng phóng đại biên độ vì nó sẽ tương ứng với một Biến thể vật lý lớn và điện áp kẹp cao hơn.

Vì thế,

Điện áp Varistor = 24V x 1.2 = 28.8V

Dựa trên danh sách các biến thể điện áp thấp của Littelfuse, tôi muốn sử dụng phần với 31V DC

Xếp hạng.

Chọn phần đáp ứng dòng điện tăng và số lượng xung

Các bộ phận trên có đánh giá DC 31V là ứng viên. Tuy nhiên, có rất ít tiêu chí cần được thỏa mãn. Chúng ta hãy xem xét dòng điện tăng cao nhất và số lượng xung và chọn phần có thể thỏa mãn nó với lợi nhuận.

Dưới đây là thời lượng xung tính bằng micro giây so với khả năng dòng điện tăng cao nhất tính bằng ampe đối với bộ phận 14mm được liệt kê trong bảng trên. Dựa trên biểu đồ, ở 800A, một bộ phận 14mm không thể đáp ứng số xung yêu cầu. Do đó, không chọn phần này.

Dưới đây là biểu đồ cho phần 20mm. Ở dòng điện tăng cao nhất 800A, thiết bị có thể đảm bảo yêu cầu hơn 40 xung. Do đó, hãy chọn chi tiết có kích thước 20mm.

Từ bảng trên, có hai phần có kích thước 20mm. Chúng tôi sẽ xem xét V20E25P đầu tiên Như đã đề cập trước đó, chúng ta không thể chọn quá một phần vì nó sẽ tương ứng với điện áp kẹp cao hơn.

Kiểm tra điện áp kẹp

Bước cuối cùng là kiểm tra điện áp kẹp. Tất cả những gì chúng tôi đã làm cho đến nay sẽ vô ích nếu điện áp kẹp tối đa vượt quá yêu cầu. Dưới đây là điện áp kẹp tối đa của các bộ phận 20mm. Từ biểu đồ, V20E25P là thiết bị hoàn hảo như một mạch chống sét lan truyền.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here