Přepěťová ochrana pomocí plynové výbojky GDT nebo varistorů MOV mají své limity v počtu přechodových jevů, které jsou schopny zvládnout, než dojde k jejich selhání. GDT v některých případech úplně vypnout proud, zatímco varistory MOV trpí v důsledku tepelného úniku po řadě aktivací přechodných událostí.

Aby bylo možné využít výhody obou technologií ( GDT i MOV ) a zároveň eliminovat jejich nedostatky, jsou k dispozici hybridní komponenty. Tyto hybridní přepěťové ochrany IsoMOV jsou důležitým prvkem pro splnění standardu IEC/UL62368-1. Tento článek stručně pojednává o tom, jak fungují přepěťové ochrany GDT a MOV. Dále si představíme hybridní ochranné obvody od Bourns. V závěru se zaměří na implementaci hybridní technologie IsoMOV, aby splňovala již zmíněný standard IEC/UL62368-1.

Jak SPD (Surge Protection Devices)fungují?

Komponenty přepěťové ochrany fungují jedním ze dvou způsobů. První způsob je funkce jako spínač,  který odvádí přepětí do země (někdy nazývané crowbarring). Druhý způsob je omezení přepěťového napětí tím, že utlumí maximální napětí na sníženou úroveň pohlcováním a rozptylováním přechodové energie.

GDT je ​​typickým příkladem spínače. Skládá se z jiskřiště v plynu jako je argon, které je připojeno přes elektrické vedení. Pokud je úroveň napětí pod průrazným napětím GDT, komponent je ve stavu vysoké impedance – „vypnutý stav“. Pokud přechodový jev zvýší úroveň napětí nad průrazné napětí, GDT přejde do vodivého - neboli "zapnutého stavu" (obrázek 1).

Obrázek 1: Průběhy napětí a proudu pro GDT. Jakmile je průrazné napětí překročeno, napětí klesne na přibližně 10 V a proud do země se výrazně zvýší. (Zdroj obrázku: Bourns)

Vzhledem k tomu, že GDT je ​​zapojen přes napájecí vstup, v podstatě zkratuje zdroj energie. Tím se spustí pojistka, jistič nebo jiná ochrana, a díky tomu jsou chráněny obvody zapojené za GDT. Ve vypnutém stavu je napětí vysoké, ale proud je nízký. Pro resetování stavu GDT je nutné zajistit snížení vstupního napětí pod průrazné napětí. V případě, že vstup elektrického vedení neklesne dostatečně nízko, GDT se neresetuje a proud bude stále proudit. Tento stav setrvání GDT je ​​významným omezením pro tento typ technologie přepěťové ochrany.

Varistory MOV jsou komponenty, které omezují přepětí. Stejně jako GDT jsou ​​umístěny na začátku připojení k napájecí síti. V normálním provozu je varistor ve stavu s vysokou impedancí a odebírá pouze malý svodový proud (obrázek 2).

Obrázek 2: Proudově napěťová charakteristika varistoru MOV. (Zdroj obrázku: Bourns)

V případě napěťového rázu impedance varistoru klesá a odebírá více proudu, čímž se ztrácí výkon. To snižuje a omezuje napětí přechodového jevu. Když přechodový jev skončí, impedance varistoru se zvýší a vrátí se do normálního stavu. Jedním z hlavních parametrů je počet přechodných událostí, které mohou zvládnout.

Po určitém počtu přechodných událostí se může svodový proud varistoru zvýšit, a to se projeví ve zvýšení ztrátového výkonu a nepřiměřeným zahříváním varistoru. Zahřívání zvyšuje svodový proud až na mezní hodnotu, kdy dojde k tomu, že se varistor dostane do tzv.  tepelného úniku, a to má za následek zničení varistoru.

Ani jedna z těchto technologií přepěťové ochrany není sama o sobě ideální. Pokud jsou však GDT a MOV umístěny v sérii, jejich společné chování bude jasné. Za normálního provozu je GDT vypnutý a varistorem MOV neprotéká žádný svodový proud. Během napěťového přechodu se GDT spustí, čímž se varistor MOV „připojí“ do obvodu. Varistor pak zachycuje přechodné napěťové rázy. Když přechodový jev pomine, varistor MOV se vypne, čímž se sníží proud procházející GDT a umožní také jeho přechod do vypnutého stavu.

Aby byly GDT a MOV umístěny v sérii, je nutné pečlivě sladit jejich vlastnosti tak, aby se navzájem přesně doplňovaly. Najít kombinaci těchto dvou součástek, aby jejich vlastnosti byli přesně sladěny, je prakticky nemožné vzhledem k jejich výrobnímu procesu a následné toleranci parametrů. Proto vznikly hybridní komponenty, které jsou již od výroby navzájem sladěny a vměstnány do jednoho pouzdra. Výsledné hybridní řešení je mnohem menší než jednotlivé komponenty (obrázek 3).

Obrázek 3: IsoMOV SPD je ochrana GDT vměstnána mezi dva varistory MOV (a). Schematický symbol je zobrazen vpravo v (b). (Zdroj obrázku: Bourns)

Přechodná napěťová odezva hybridní ochrany IsoMOV na obrázku 4 ukazuje, jak oba prvky navzájem spolupracují.

Obrázek 4: Napěťová odezva hybridní ochrany IsoMOV ukazuje, že po aktivaci GDT se aktivují varistory MOV. (Zdroj obrázku: Bourns)

Oba prvky hybridní ochrany IsoMOV jsou navrženy tak, aby nezávisle vydržely maximální trvalé provozní napětí (MCOV). Jak již bylo zmíněno, GDT blokuje svodové proudy varistorů MOV, když není přítomen žádný přechodný jev. I po mnoha přechodných jevech GDT odřízne rostoucí úrovně svodového proudu varistorů MOV. Varistor zase zabraňuje následnému proudu po přechodném rázu, čímž chrání GDT.

IsoMOV nabízí vylepšenou ochranu v malém pouzdru, a díky tomu šetří prostor na desce. Například ISOM3-175-B-L2 je hybridní chránič IsoMOV s MCOV 175 V_RMS, schopný zvládnout nejméně patnáct 3 kA rázů s maximálním napětím 470 V (obrázek 5).

Tvar pouzdra hybridní ochrany je kruhový, kde v tomto případě průměr činí 13,2 mm a jeho tloušťka je 6,1 mm. Průměr pouzdra se mění s maximální proudovou schopností a tloušťka se zvyšuje s rostoucím napětí MCOV.

Obrázek 5: ISOM3-175-B-L2 je příkladem hybridního chrániče IsoMOV. Přestože obsahuje dva varistory MOV a GDT ochranu, má průměr pouhých 13,2 mm a tloušťku 6,1 mm. (Zdroj obrázku Bourns)

Rodina Bourns IsoMOV zahrnuje tři různé jmenovité proudové hodnoty proudy - 3 kA, 5 kA a 8 kA se jmenovitými hodnotami napětí MCOV od 175 do 555 V_RMS. Mezi komponenty střední třídy patří ISOM5-300-B-L2, s napětím MCOV 300 V_RMS, proudem 5 kA a fyzickými rozměry - průměr 17 mm a tloušťka 7,1 mm. Oproti tomu je ISOM8-555-B-L2, kde jmenovitý proud dosahuje hodnoty 8 kA a hodnota napětí MCOV dosahuje 555 V_RMS. Průměr pouzdra je 23 mm a tloušťka 9,4 mm. Všechny zmíněné komponenty mají rozsah provozních teplot -40°C až +125°C. Hybridní ochrana IsoMOV od Bourns vykazují velmi nízké svodové proudy a jsou navíc uvedeny jako komponenty UL1449 typu 4.

Implementace ochrany podle úrovní IEC/UL62368-1

Komponenty IsoMOV pomáhají dosáhnout standardu IEC/UL62368-1. Tento bezpečnostní standard pro zařízení audio/vizuální a informační komunikační technologii je založena na principech Hazard Based Safety Engineering (HBSE) pro fyzickou bezpečnost uživatelů zařízení a realizaci bezpečnostních opatření. Standard identifikuje potenciálně nebezpečné zdroje energie a procesy, kterými může být energie přenášena k uživateli, a to jak za normálního provozu, tak za poruchových podmínek. Doporučený návrh ochrany napájecího vstupu na obrázku 6 zahrnuje ochranný prvek mezi fází a nulového vodiče, fází a ochranného vodiči a nulového vodiče a ochranného vodiče.

Obrázek 6: Doporučený ochranný obvod v souladu s IEC/UL62368-1. (Zdroj obrázku: Bourns)

Ochrana GDT v sérii s varistory MOV nebo hybridní řešení IsoMOV mezi fází a zemí nebo mezi neutrálním vodičem a zemi jsou potřebné k ochraně před úrazem elektrickým proudem, ke kterému by mohlo dojít, pokud by byl varistor MOV použit samostatně. Pokud by vodič ochranného uzemnění byl přerušen, svodový proud samotného varistoru MOV by mohl být dostatečně vysoký, aby způsobil zranění, pokud by se uživatel dotkl izolované zemnící cesty. Umístění ochrany GDT v sérii eliminuje právě tento svodový proud.

Nebezpečí spojená s varistory způsobený nadměrnými svodovými proudy a možnosti požáru jsou varistory považovány za potenciální zdroje vznícení (PIS). To vyžaduje, aby návrh zahrnoval kroky ke snížení možnosti vznícení a zabránění šíření jakéhokoli požáru.

Přepěťové ochrany pomáhají zvýšit spolehlivost produktu a musí vyhovovat specifickým testům požadovaným normou. Například hodnota napětí MCOV varistoru musí být 1,25násobek horní meze napětí rozsahu napětí zařízení.

Pro zařízení s rozsahem vstupního napájení od 85 do 250 VAC by minimální hodnota napětí MCOV mělo být 313 V. Ochranné obvody, které obsahují varistory jsou podrobeny testu na síťovém napětí dvojnásobku jmenovitého výkonu. Vstupní proud je postupně omezován odpory na hodnoty 0,125, 0,25, 0,5, 1 a 2 A. Protože varistory jsou potenciálním zdrojem požáru, testování pokračuje, dokud varistor neselže.

Závěr

Hybridní ochrana IsoMOV poskytuje vylepšenou a kompaktní ochranu elektronických systémů. Spolu s výjimečným výkonem a úsporou místa mají rozšířený teplotní rozsah, nízké úniky a vysokou schopnost omezení nadměrné energií. Jsou vhodné i do průmyslových aplikací vystavených vysokým přepětím. Lze je snadno implementovat do audio/vizuálních zařízeních a informačních komunikačních technologií, aby splňovaly standard IEC/UL62368-1 založenou na Hazard Based Safety Engineering (HBSE).

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com