Швидкодіючий захист від перешкод у радіоапаратурі
Як причина виходу радіоапаратури з ладу в 80. 90% випадків є імпульсні стрибки напруги в мережі. А оскільки усунути причину появи таких викидів неможливо, доводиться вживати заходів щодо індивідуального захисту кожного радіотехнічного пристрою. Метою даного розділу є не лише познайомити читачів з теорією та основними методами виконання активного швидкодіючого захисту від високовольтних імпульсних перешкод (перенапруг), а й навчити, як можна, використовуючи сучасну елементну базу, зробити такий пристрій для різних застосувань.
Види перешкод та принцип роботи захисту
Блискавка є найпотужнішим і найнебезпечнішим джерелом перенапруг з наступними параметрами:
- Амплітуда імпульсу струму 2. 200 кА;
- Швидкість наростання фронту 2. 200 кА/мкс.
І незважаючи на те, що зазвичай сила струму розряду блискавки не перевищує 80 кА — це все одно дуже багато. Тому при прокладанні мереж за межами будівель (самі будівлі мають грозозахист) обов'язково використовують захисні пристрої (відповідно до вимог нормативної документації, наприклад [Л9]), але ефективність їх роботи багато в чому залежить від того, наскільки близько розташовані вузли захисту від джерела перешкоди, наприклад місця удару блискавки. Грозові розряди містять мільйони вольт і де ця напруга потрапить у дроти, заздалегідь передбачити неможливо, оскільки зазвичай лінії мають велику довжину, до того ж їхня кількість постійно збільшується. Встановити всюди елементи захисту (або громовідводи) просто неможливо. Це призводить до щорічного збільшення втрат від перенапруг, що спричиняють пошкодження обладнання або збої в роботі.
Не меншу небезпеку можуть становити комутаційні перешкоди, що виникають при коротких замиканнях,обривах або різкій зміні опору навантаження, викликаному іншими причинами (перемиканням). Наприклад, при подачі напруги на вхід трансформатора потужністю 800 кВт у проводах виникає комутаційний імпульс тривалістю близько 0,5 мкс та амплітудою до 4 кВ, який далі поширюється до споживачів. До цієї групи можна віднести і перешкоди від електрифікованого транспорту. Комутаційні перешкоди виникають при включенні будь-якого навантаження, наприклад, люмінесцентної лампи або кондиціонера.
Як правило, звичайне електротехнічне обладнання вже розраховане на вплив невеликих короткочасних навантажень за напругою (тривалістю до 10^-5. 10^-9 с) і, завдяки своїй інерційності (струм не встигає зрости), їх цілком витримує. У разі більш тривалих перенапруг - спрацьовують струмові автоматичні вимикачі або плавкі запобіжники.
Джерелом великої напруги (кілька кіловольт), що надходить на вхід приладу, може стати і сама людина через статичні заряди, накопичені на тілі від одягу, що електризується. Думаю, що кожен стикався в житті з такими розрядами (у вигляді легких уколів) при торканні рукою струмопровідної поверхні.
Для пошкодження переходу база-емітер у біполярного транзистора зазвичай буває досить невеликої напруги (10 В), а для польових більше 20 В. Усього ж накопичений заряд у людини, за несприятливих умов, може досягати значень більше 10. 15 кВ. Якщо не вжити спеціальних заходів захисту, більшість мікроелектронних виробів виходять з ладу при дії короткочасного високовольтного імпульсу. Мінімальна енергія, якої достатньо, щоб викликати пошкодження напівпровідникових елементів, становить 10^-2. 10^-7 Дж. Енергію накопиченого на тілі людини статичного заряду(точніше, на одязі, що електризується, а тіло є просто провідником) можна розрахувати за формулою:
де С - ємність людини, зазвичай вона становить близько 150 пФ;
U - накопичена на ємності напруга.
Під час грози імпульс напруги (струму) має форму, показану на рис. 1.1 (з такими ж параметрами використовують імпульси для проведення випробувань елементів захисту та опис їх характеристик).
Енергія (в джоулях), яку несе імпульс перешкоди, визначається через його площу на графіку напруги, тобто її точно можна розрахувати через інтеграл на інтервалі від початку (t0) до закінчення дії імпульсу (t1):
При використанні одягу, що містить синтетичні волокна, під час руху відбувається його електризація та накопичення зарядів. Експериментальні дані, наведені в [Л20] показують, що, скориставшись гребінцем, ми заряджаємося до потенціалу 1000, а просто знявши светр з ворсом - до 3. 5 кВ.
Саме цю енергію у вигляді тепла має розсіяти елемент захисту без жодних пошкоджень для себе. Для вказівки енергетичних можливостей захисту часто використовують джоулі (Дж), що зручніше, ніж потужність. Таке значення більш точно характеризує можливість роботи з імпульсними сигналами довільної форми і нам важливо, щоб максимальна енергія перешкоди не перевищувала допустиму для елемента захисту.
Мал. 1.1. Вид стандартної форми імпульсу (зменшення струму відбувається за експонентом), що використовується при випробуваннях для відношення тривалості фронту до його ширини на рівні 0,5:
Якщо ж вивчати проблему боротьби з перешкодами докладніше, слід знати, що, звісно ж, є й інші форми перешкод, але ми їх розглядати не будемо, оскільки вони несуть меншу енергію і менш небезпечні длярадіоапаратури з погляду її ушкодження.
Усі електронні пристрої вимагають вжиття спеціальних заходів захисту для обмеження до безпечної величини будь-яких перенапруг, що виникають у ланцюзі живлення або на входах (виходах). Причому, окрім можливості розсіяти потужність перешкоди, одним із важливих параметрів є час спрацьовування захисту – від нього залежить ефективність схеми. Електромеханічні захисні пристрої через свою низьку швидкодію для захисту від імпульсних перешкод неефективні - час спрацьовування струмових автоматів зазвичай буває більше 10 мс, а для потужних пускачів перевищує 0,2 с.
Принцип роботи всіх пристроїв швидкодіючого захисту полягає в закорочуванні ланцюга проходження сигналу перешкоди та розсіювання наявної у неї енергії на захисному елементі, для чого він підключається паралельно до відповідного ланцюга.
Слід зазначити, що дорога радіоапаратура вже має всередині елементи захисту від перенапруг (першими їх почали використовувати військові), але часто можливості таких вузлів розсіювання потужності перешкоди бувають обмеженими. Тому буває доцільно використати ще й багатоступінчастий зовнішній захист. У побутову радіоапаратуру, з метою зниження її вартості, вузли швидкодіючого захисту зазвичай не встановлюються, а все йде на рівні застосування однокаскадних LC або RC-філь-трів, які можуть лише трохи зменшити амплітуду викиду.
Багато фірм у нас у країні та за кордоном займається випуском від окремих радіодеталей для цих цілей до вже готових модулів або захисних вузлів, виконаних у вигляді закінченої конструкції. Окрім вітчизняних виробників (Прогрес, Інтеркрос та ін.), ряд великих зарубіжних фірм (General Semiconductor, S+M Epcos, SGS-Thomson, Harris, Motorola, Remtech, Krone, General Instruments(Gl) та багато інших) займається випуском широкого переліку захисних компонентів. Попит на таку продукцію досить великий. Адже сьогодні створити надійний електронний пристрій без їхнього застосування просто неможливо. Тому ми спочатку детальніше познайомимося з сучасною елементною базою, що застосовується для цих цілей.
Елементна база, що використовується
Як основні компоненти у пристроях швидкодіючого активного захисту радіоапаратури застосовують такі:
1) розрядники: повітряні та газонаповнені (газорозрядники);
3) діоди TRANSIL, TRISIL та TVS (сапресори);
4) спеціальні електронні модулі протекторів (protector).
Вибір конкретного типу залежить від швидкодії устаткування, що захищається, і допустимої потужності перевантаження, а також необхідної смуги пропускання лінії (зменшення внесеної ємності елементами захисту особливо важливе для високочастотних кабелів, а також у цифрових каналах передачі інформації).
Відкриті повітряні розрядники в радіоапаратурі застосовуються все рідше, тому що в них параметри сильно залежать від навколишнього середовища (температури, атмосферного тиску і вологості повітря між електродами), що знижує надійність такого вузла.
Робота газорозрядника (часто званого просто "розрядник"), так само як і повітряного розрядника, заснована на принципі іонізації газу, що знаходиться між електродами та появи дугового розряду, коли напруга збільшиться вище за фіксовану порогову величину. При цьому за короткий час (приблизно 1. 2 мс) опір у ланцюгу розрядника падає зі 100. 10000 МОм до одиниць мОм, і імпульс, що йде по дротах лінії, буде закорочений. Короткочасний струм розрядника може становити значну величину (10. 100 кА), а доки він замикає ланцюг, залишковенапруга між електродами у різних типів становить від 25 до 150 Ст.
Найбільш наочно дію газорозрядника, застосовуваного захисту радіоапаратури, показує діаграма, наведена на рис. 1.2. Вона пояснює роботу розрядника на змінному напрузі у разі імпульсної перешкоди. Максимальна напруга (Umax), коли розрядник відкриється, залежить від швидкості наростання напруги (dU/dt) перешкоди. На ділянці t1 – t2 розрядник відкритий.
Література: Радіоаматорам корисні схеми, Книга 5. Шелестов І.П.