Proteção da REA contra impulsos de alta tensão na rede. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Os autores apresentam um problema pouco conhecido pela maioria dos leitores - proteção de equipamentos domésticos de pulsos únicos de alta tensão (mais de 400 V) em uma rede de alimentação de 220 V, falam sobre opções para sua implementação e relatam sobre componentes de dispositivos de proteção produzidos industrialmente .

A presença de pulsos de tensão atingindo 220 V ou mais na rede de alimentação CA de 50 V x 1000 Hz não é novidade para os especialistas. Para uma vasta gama de consumidores de electricidade, estes impulsos são uma revelação. O artigo discute as possibilidades de proteção de equipamentos contra pulsos que ocorrem na rede com duração que varia de décimos de microssegundo a alguns milissegundos. Picos de tensão mais longos - acima do meio ciclo de uma senóide de 50 Hz - são eliminados por outros métodos que não são abordados aqui. As razões para a ocorrência destes pulsos são diferentes e estão descritas na literatura, por exemplo em [1].

A energia dos pulsos de alta tensão na rede de alimentação pode atingir vários quilojoules. Métodos bem conhecidos e difundidos para reduzir o ruído de pulso em circuitos de potência usando filtros LC e RC, telas entre os enrolamentos de transformadores de rede e outros métodos muitas vezes não fornecem a redução necessária na energia de pulso nos pinos de potência dos microcircuitos. Nota-se que pulsos com energia de até milijoules chegam realmente aos microcircuitos, que são bastante capazes de danificar o equipamento.

Outros métodos conhecidos para limitar o nível de pulsos em vários circuitos de equipamentos eletrônicos, em particular, em painéis elétricos de redes de distribuição, envolvem o uso de dispositivos semicondutores e de descarga de gás. Os dispositivos de descarga de gás, na prática mais frequentemente chamados de centelhadores, nem sempre fornecem o resultado desejado devido à sua velocidade relativamente baixa e são bastante volumosos.

Os dispositivos semicondutores amplamente utilizados para reduzir o ruído de impulso incluem varistores de óxido metálico, dispositivos semicondutores de uso geral e limitadores de tensão semicondutores especiais. Varistores são resistores com uma característica corrente-tensão nitidamente não linear; sua resistência diminui significativamente com o aumento da tensão aplicada. Por dispositivos semicondutores de uso geral entendemos diodos zener, diodos pulsados ​​e de barreira Schottky e defensores.

Para limitadores de tensão semicondutores especiais, que serão discutidos mais adiante, a característica corrente-tensão é semelhante à do diodo zener. Sua principal diferença em relação aos diodos zener e outros dispositivos semicondutores de uso geral é a capacidade de dissipar grande potência de pulso. Os varistores modernos, embora ligeiramente inferiores aos limitadores considerados em termos de tempo de resposta, competem com eles em termos de capacidade de fabricação e custo. Contudo, as características dos varistores deterioram-se durante algum tempo após a exposição a cada impulso de interferência. Os limitadores semicondutores não apresentam esse fenômeno. Considerando que para proteger equipamentos eletrônicos são necessários dispositivos com máxima velocidade e estabilidade de características, eles devem ter preferência.

A empresa GSI (EUA) produziu no início dos anos 90 mais de mil variedades de limitadores de tensão semicondutores com potência de pulso máxima permitida de até 60 kW e tensão limite de 0,7 a 3000 V. Atualmente, limitadores semelhantes com potência de até 30 kW também são produzidos no CIS para tensões entre 3...1000 V.

O princípio de operação do limitador é abrir sua junção PN fechada se a tensão reversa aplicada a ele exceder o nível limite. Em outras palavras, o limitador se comporta de forma semelhante aos diodos zener, mas o processo túnel-avalanche nele é caracterizado pelo fato de que apenas os portadores majoritários carregam cargas, de modo que não há acúmulo indesejado de portadores minoritários. Isto é o principal responsável pelo alto desempenho do limitador.

A característica corrente-tensão (CVC) do limitador é mostrada na Fig. 1. Como um diodo zener, é assimétrico.

Para limitar os impulsos de ambos os sinais, é conveniente conectar dois limitadores em série. A característica corrente-tensão de tal par é simétrica (Fig. 2).

Os limitadores de tensão semicondutores produzidos comercialmente são geralmente avaliados com base nas seguintes características:

• Rimp max - dissipação de potência máxima permitida pulsada para um determinado formato de pulso e ciclo de trabalho (K3) e temperatura ambiente Tam.avg O valor deste parâmetro é mais frequentemente indicado para uma duração de pulso exponencial de 1 ms no nível de registro. pulso máximo, com tempo de subida de 10 μs e K3 menor que 0,01%, garantindo que a potência média permitida dissipada pelo cristal ou corpo do dispositivo não exceda;
• Irev max - corrente reversa máxima fluindo na tensão reversa máxima;
• Urev max - tensão máxima reversa, que não deve ultrapassar o valor operacional (a tensão operacional neste caso não deve ser limitada); o valor de UobP max geralmente é considerado igual a 0,8 da tensão de abertura do dispositivo;
• Uopen e Iopen - tensão e corrente de abertura do dispositivo, correspondente ao ponto de inflexão no ramo de trabalho da característica corrente-tensão;
• Ulimit. imp - tensão limite - tensão reversa de pulso no valor máximo da corrente limite de pulso, dependendo da potência máxima de dissipação de pulso permitida;
• Ipr.imp.max - corrente máxima de pulso direto - corrente direta permitida em uma determinada forma, fator de preenchimento e temperatura ambiente;
• Upr.imp.max - queda de tensão máxima de pulso direto através do limitador na corrente Ipr.imp.max;
• Cogr - coeficiente de limitação igual ao rácio Ulim. imp max / Uopen; Kogr varia de aproximadamente 1,3 na potência de pulso máxima Rimp max a 1,2 em 0,5 Rimp max;
• ton - tempo de comutação durante o qual o dispositivo abre na direção oposta (para limitadores simétricos ton < 10-9 s).

Com base nos valores dessas características, o consumidor pode selecionar o limitador de tensão necessário para proteger os equipamentos eletrônicos. Um limitador simétrico (dois braços) é conectado à rede CA paralelamente à carga útil. No modo de rede normal, ambos os braços estão fechados e apenas uma pequena corrente reversa flui através dele em ambos os meios períodos. Ou seja, o limitador não se revela de forma alguma, consumindo uma potência - muito pequena - (centésimos de watt).

Assim que surgir um pulso de tensão de alta tensão na rede, ultrapassando Uopen do limitador, ambos os braços se abrirão, um no sentido direto e outro no sentido reverso. Como resultado, o pulso será bloqueado e a tensão de carga neste momento não excederá Ulim.

Deve-se notar que o valor de Rimp max depende da duração do pulso extinto e, dentro da faixa τi = 0,1...10 ms, é aproximadamente proporcional à razão 1/τi. Com o aumento da temperatura ambiente Tamb. média de 40 a 100 СС a potência dissipada Rimp max deve ser reduzida aproximadamente na proporção de 0,024 Tamb. qua

Para reduzir a amplitude dos pulsos de alta tensão no caminho da rede de 220 V até os pinos de alimentação dos microcircuitos, é mais aconselhável incluir limitadores na fonte de alimentação [2].

Se aparecerem pulsos na rede de alimentação, cuja energia seja superior ao limite permitido para o limitador aplicado, ele, como um diodo zener com muita corrente de estabilização, superaquecerá e falhará. A partir deste momento os equipamentos conectados à rede ficarão desprotegidos.

Portanto, uma desvantagem significativa do uso de limitadores é a falta de informações sobre seu desempenho ou falha após exposição a impulsos poderosos. Para indicar o estado de funcionamento do limitador simétrico, ele é composto por dois únicos e a ele é conectado um circuito de três diodos de veto e dois resistores limitadores de corrente (Fig. 3).

Uma característica especial do indicador de integridade é o uso de LEDs em modo não padrão. Se os limitadores VD1 e VD2 estiverem funcionando corretamente e o meio ciclo da tensão da rede for positivo (mais - no fio de rede superior do diagrama), a corrente flui livremente através do limitador VD1, aberto na direção direta, e através o LED HL1. O limitador VD2 está fechado neste momento.

Como resultado, quase toda a tensão da rede elétrica é aplicada ao circuito HL3R2 e ao diodo de veto - na direção oposta. Portanto, o LED HL3 abre no sentido oposto*; a corrente através dele é limitada pelo resistor R2. Assim, uma corrente de cerca de 2 mA flui através de todo o circuito, do fio positivo ao fio negativo. Isso é suficiente para garantir um brilho perceptível do LED “verde” HL1. O LED HL2 não acende porque pouca tensão é aplicada ao circuito HL2R1 (menos de 3 V).

Quando a polaridade da tensão da rede muda, ocorrem os mesmos processos, apenas VD1 e VD2, R2 e R1, HL3 e HL2 trocam de lugar. Ou seja, a operacionalidade dos limitadores é confirmada pelo sinal verde do indicador. Em alguns casos, o indicador descrito pode servir simultaneamente como indicador da presença de tensão de rede.

É fácil perceber que se o limitador VD1 falhar (quebra), o LED “verde” HL1 apaga e o LED “vermelho” HL2 acende, e se o limitador VD2 estiver danificado, o LED “vermelho” HL3 acende.

O módulo descrito, denominado ZA-0, foi desenvolvido na JSC "Computer Technology and Industrial Electronics" (Moscou) em conjunto com NPK "Kvark" (Tashkent) e colocado em produção em série. A aparência do módulo é mostrada na foto (Fig. 4).

Principais características do módulo

• Potência máxima permitida do pulso, kW, não inferior, a uma temperatura ambiente de 25°C......1,5
• Amplitude da tensão alternada para abertura de limitadores, V, a uma temperatura ambiente de 25°C (corrente de abertura 1 mA)......400±20
• Coeficiente de restrição,......1,2...1,3
• Intensidade luminosa LED, mcd, não menos......0,5
• Potência consumida da rede na ausência de pulsos de alta tensão, W, não mais......0,5
• Dimensões da caixa**, mm, não mais......32x12x10
• Peso, g, não mais......10

O corpo do módulo é feito de plástico moldado em um molde. Modificação climática categoria de colocação UHL 4.2 de acordo com GOST 15150. Em termos de proteção contra choque elétrico, o produto pertence à classe II de acordo com GOST 2757.0.

O módulo ZA-0, além da instalação em fontes de alimentação REA, é recomendado para uma ampla gama de usuários e radioamadores para uso em laboratórios, escritórios e apartamentos para proteção de dispositivos eletrônicos industriais e domésticos conectados em tomadas de 220 V AC. Para isso foi desenvolvida uma opção de produto, denominada ZA-01. Aqui, o corpo do módulo está equipado com pinos padrão que permitem que ele seja conectado a qualquer tomada livre na sala.

O desenvolvimento do módulo de proteção ZA-0 foi aprovado pela Fundação Científica e Técnica “Energy Electronics”, que auxiliou no desenvolvimento de produtos em produção em série.

Módulos de proteção com potência de 5 kW (ZA-1) e 30 kW (ZA-2), bem como versões desses produtos com plugues (ZA-11 e ZA-21), estão em processo de produção . Esses módulos devem ser usados ​​​​nos casos em que módulos de um quilowatt e meio não suportam pulsos de rede de alta tensão. Também foram desenvolvidos módulos para proteção de redes DC, projetados para potências pulsadas de 1,5 a 30 kW e tensões de abertura de 6,8 a 450 V.

Na primeira fase de utilização dos módulos de proteção ZA-0 e produtos baseados neles, o fornecedor oferecerá aos clientes a substituição gratuita dos módulos defeituosos por novos. Caso os módulos voltem a falhar, o consumidor será orientado a adquirir dispositivos mais potentes. Se necessário, a JSC "Tecnologia de Computação e Eletrônica Industrial" (tel. Moscou 330-06-38) realizará um estudo da rede do consumidor e fará propostas para proteção de equipamentos eletrônicos.

* Esse recurso dos LEDs (e de vários outros componentes eletrônicos) há muito é observado, estudado e amplamente utilizado por rádios amadores. Ver, por exemplo, o artigo de I. Nechaev “LED como diodo zener” em “Radio”, 1997, nº 3, p. 51.

** Excluindo o comprimento dos cabos - 9... 12 mm e a altura das caixas salientes dos LED - 3... 5 mm.

Literatura

1. Cherepanov V.P., Khrulev A.K., Bludov I.P. Dispositivos eletrônicos para proteção de equipamentos eletrônicos contra sobrecargas elétricas. Diretório. - M.: Rádio e comunicação, 1994 (p. 17-21).
2. Kolosov V. A. Fonte de alimentação de equipamentos eletrônicos estacionários. Teoria e prática do design. - M.: Rádio e comunicação, 1992 (p. 111, 112).

Autor: V. Kolosov, Moscou, A. Muratov, Tashkent, Uzbequistão

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