Hoe hybride AC-overspanningsbeveiligingen toe te passen voor een betere overspanningsbeveiliging

Elektronische apparaten zijn alomtegenwoordig en ontwikkelen zich snel met steeds gevoeligere schakelingen die sterk afhankelijk zijn van front-end bescherming omdat zij toegang hebben tot elektrische infrastructuur, die al dan niet over de meest recente bescherming tegen spanningspieken en transiënten beschikt. Deze transiënten kunnen het gevolg zijn van blikseminslag, schakelingen of soortgelijke spanningspieken die overspanning en overstroom kunnen veroorzaken die gevoelige elektronische apparaten kunnen beschadigen of anderszins kunnen aantasten.

Bestaande goedkope overspanningsbeveiligingstechnologieën, zoals gasontladingsbuizen (GDT's) en metaaloxidevaristoren (MOV's), leiden de overspanningsenergie af of beperken deze, zodat deze het beschermde apparaat niet bereikt. Beide hebben hun eigen voordelen, maar voor beide geldt dat er grenzen zijn aan het aantal transiënten dat ze aankunnen voordat ze uitvallen. Ook is het mogelijk dat GDT's de stroom niet volledig afsluiten, terwijl MOV's na een aantal activeringen van voorbijgaande aard kunnen bezwijken als gevolg van thermische runaway.

Om het beste van GDT's en MOV's te combineren en tegelijkertijd hun tekortkomingen te verhelpen, zijn hybride technologiecomponenten ontstaan in één geïntegreerd apparaat met een relatief kleinere fysieke omvang voor een bepaald niveau van overspanningsbeveiliging. Hoewel het complementaire karakter van de geïntegreerde componenten de prestaties van beide verbetert en de levensduur ervan verlengt, moeten de GDT- en MOV-elementen zorgvuldig op elkaar worden afgestemd om doeltreffend te zijn. Op de juiste manier toegepast zijn deze IsoMOV™ hybride overspanningsbeveiligers vooral nuttig om te voldoen aan IEC/UL62368-1, een op gevaren gebaseerde norm voor informatietechnologie en audio/visuele apparatuur.

In dit artikel wordt kort besproken hoe GDT en MOV overspanningsbeveiligers werken voordat de kenmerken van de echte IsoMOV hybride beveiligers van Bourns worden onderzocht. Ten slotte wordt getoond hoe de IsoMOV-technologie kan worden toegepast om te voldoen aan IEC/UL62368-1.

Hoe werken EPD's?

Overspanningsbeveiligingscomponenten werken op twee manieren - ze kunnen werken als een schakelaar, waardoor de piekspanning wordt omgeleid naar aarde (ook wel "crowbarring" genoemd), of ze kunnen de piekspanning beperken door de maximale spanning vast te klemmen op een lager niveau door de voorbijgaande energie te absorberen en af te voeren.

De GDT is een voorbeeld van een breekijzerbegrenzer. Het bestaat uit een vonkbrug in een niet-reactief gas zoals argon en wordt over de elektriciteitsleiding geleid. Als het spanningsniveau lager is dan de GDT-doorslagspanning, is het apparaat in principe in een hoge impedantietoestand "uit". Als een transiënt het spanningsniveau boven de doorslagspanning van de GDT verhoogt, gaat de GDT in een geleidende - of "aan"-toestand (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Weergegeven zijn de spannings- en stroomgolfvormen voor een GDT die wordt ingeschakeld. Zodra de doorslagspanning wordt overschreden, daalt de spanning tot ongeveer 10 volt en neemt de stroom aanzienlijk toe. (Bron afbeelding: Bourns)

Omdat de GDT over de stroomingang is geschakeld, wordt de stroombron in feite uitgeschakeld. Dit activeert een zekering, stroomonderbreker of andere seriële beveiligingsinrichting, waardoor de circuits stroomafwaarts van de GDT worden beschermd. Merk op dat in de uitgeschakelde toestand de spanning hoog is en de stroom laag. In de aan-toestand gebeurt het omgekeerde en is het gedissipeerde vermogen zeer klein, behalve bij de overgang tussen de toestanden. Om de toestand van de GDT te resetten, moet de ingangsspanning worden verlaagd tot onder de doorslagspanning. In het geval dat de ingang van de voedingslijn niet laag genoeg wordt, is het mogelijk dat de GDT niet wordt gereset en een "volgstroom" blijft geleiden, waardoor hij ingeschakeld blijft. De mogelijkheid dat de GDT ingeschakeld blijft is een belangrijke beperking voor dit type overspanningsbeveiligingstechnologie.

De MOV is een kleminrichting. Net als de GDT wordt hij dwars op de elektriciteitsleiding geplaatst. Bij normale werking is de MOV in een hoge impedantietoestand en trekt slechts een kleine lekstroom (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De stroom-spanningskarakteristiek van een MOV toont de bipolaire klemwerking. (Bron afbeelding: Bourns)

Bij een spanningspiek daalt de impedantie van de MOV en trekt meer stroom, waardoor het vermogen wordt gedissipeerd; dit vermindert en beperkt de spanning van de transiënt. Wanneer de transiënt eindigt, neemt de MOV-impedantie toe en keert terug naar de normale toestand. MOV's worden gewaardeerd op basis van het aantal van dergelijke transiënte gebeurtenissen die zij kunnen verdragen. Na een aantal transiënte gebeurtenissen kan de lekstroom van de MOV toenemen. Dit verhoogt het door het apparaat gedissipeerde vermogen, waardoor het warm wordt. Verwarming verhoogt de lekstroom en kan ertoe leiden dat de MOV in een thermische runaway terechtkomt, wat resulteert in een catastrofale storing van het apparaat.

Geen van deze overspanningsbeveiligingstechnologieën is op zichzelf ideaal. Als de GDT en de MOV echter in serie worden geplaatst over de voedingslijn, wordt hun complementaire gedrag duidelijk. Bij normale werking is de GDT uitgeschakeld en loopt er geen lekstroom in de MOV. Tijdens een spanningsovergang vuurt de GDT, waardoor de MOV in het circuit komt. De MOV blokkeert dan de tijdelijke spanningspiek. Wanneer de transiënt voorbij is, schakelt de MOV uit, waardoor de stroom door de GDT afneemt en deze ook kan uitschakelen.

Om de GDT en de MOV in serie te kunnen plaatsen, moeten hun eigenschappen zorgvuldig op elkaar worden afgestemd, zodat ze elkaar precies aanvullen. Discrete implementaties zijn onderhevig aan een groot aantal variabelen van ontwerp tot fabricage, testen en verpakking - wat het voor ontwerpers een uitdaging maakt om goede overeenkomsten te vinden. Om deze uitdagingen aan te gaan, combineren de IsoMOV hybride beschermers van Bourns een zorgvuldig op elkaar afgestemde set MOV's en een GDT-element in één enkele verpakking die veel kleiner is dan de afzonderlijke componenten (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het IsoMOV-EPD wordt gevormd door de GDT op te nemen tussen twee MOV's (a). Het samengestelde schematische symbool staat rechts in (b). (Bron afbeelding: Bourns)

De samengestelde transiënte spanningsrespons van de hybride IsoMOV-beveiliger in figuur 4 laat zien hoe beide elementen samenwerken.

Figuur 4: De spanningsrespons van de hybride IsoMOV-beveiliger toont dat de GDT-component afbreekt om de MOV-componenten te activeren, waardoor de stroomafwaartse circuits worden beschermd. (Bron afbeelding: Bourns)

Beide elementen van de IsoMOV hybride beveiliger zijn ontworpen om onafhankelijk de maximale continue bedrijfsspanning (MCOV) te weerstaan. Zoals gezegd blokkeert de GDT de MOV-lekstromen wanneer er geen transiënt aanwezig is. Zelfs na vele transiënten snijdt de GDT de stijgende MOV-lekstroom af. De MOV voorkomt de volgstroom na een stroomstoot en beschermt zo de GDT. De geometrie van de IsoMOV verhoogt de piekcapaciteit per oppervlakte-eenheid in vergelijking met een enkele MOV.

Vanuit het oogpunt van de ontwerper bieden IsoMOV-apparaten verbeterde bescherming in een kleine geïntegreerde behuizing die zowel het aantal componenten als de ruimte op de printplaat minimaliseert. Bijvoorbeeld, de ISOM3-175-B-L2 is een IsoMOV hybride beveiliger met een MCOV van 175 volt root mean square (_VRMS), die ten minste vijftien nominale pieken van 3 kilo ampère (kA) kan verwerken met een maximale klemspanning van 470 volt (Afbeelding 5). Hij heeft een diameter van 13,2 millimeter en een dikte van 6,1 mm. De diameter varieert met het maximale stroomvermogen, en de dikte neemt toe met een toenemende MCOV.

Afbeelding 5: De ISOM3-175-B-L2 is een voorbeeld van de compacte vorm van de IsoMOV hybride beveiliger. Hoewel hij twee MOV's en een GDT bevat, meet hij slechts 13,2 mm in diameter met een dikte van 6,1 mm. (Bron afbeelding: Bourns)

De Bourns IsoMOV familie omvat drie verschillende nominale stroomwaarden van 3 kA, 5 kA en 8 kA, met MCOV waarden van 175 tot 555 V_RMS. Tot het middensegment behoort de ISOM5-300-B-L2, een 300 V_RMS, 5 kA apparaat met een diameter van 17 mm en een dikte van 7,1 mm. De ISOM8-555-B-L2 is een apparaat van 8 kA met een MCOV van 555 V_RMS. Hij heeft een diameter van 23 mm en een dikte van 9,4 mm. Al deze apparaten hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C.

De IsoMOV hybride beveiligingen van Bourns bieden deze state-of-the-art overspanningswaarden in een ruimtebesparende vormfactor vergeleken met het gebruik van afzonderlijke MOV's en GDT's. Ze hebben ultralage lekstromen, en de serie GDT verlengt de levensduur van de MOV. Bovendien zijn alle IsoMOV SPD's vermeld als UL1449 type 4 componenten, wat het gemakkelijker maakt ze te ontwerpen als overspanningsbeveiligingen.

Implementatie van bescherming volgens IEC/UL62368-1-niveaus

IsoMOV-componenten zijn nuttige oplossingen om te voldoen aan IEC/UL62368-1. De nieuwe IEC/UL 62368-1 veiligheidsnorm voor audio/visuele en informatiecommunicatietechnologieapparatuur is gebaseerd op de Hazard Based Safety Engineering (HBSE)-beginselen voor de fysieke veiligheid van de gebruikers van de apparatuur en de realisatie van veiligheidsmaatregelen. Het identificeert potentieel gevaarlijke energiebronnen en de processen waardoor energie aan een gebruiker kan worden doorgegeven, zowel bij normaal gebruik als in geval van storingen.

Het aanbevolen ontwerp van de ingangsbeveiliging in figuur 6 omvat beveiligingen van lijn naar nul, lijn naar beschermende aarde en nul naar beschermende aarde.

Afbeelding 6: Het aanbevolen stroomtoevoerbeveiligingscircuit overeenkomstig IEC/UL62368-1 heeft beveiligingen van lijn naar nul, lijn naar beschermende aarde en nul naar beschermende aarde. (Bron afbeelding: Bourns)

De GDT's in serie met MOV's of IsoMOV's tussen lijn en aarde of tussen nul en aarde zijn nodig ter bescherming tegen elektrische schokken die zouden kunnen optreden als alleen een MOV zou worden gebruikt. Als de veiligheidsaarde niet is aangesloten, kan de lekstroom van de MOV alleen al hoog genoeg zijn om letsel te veroorzaken als de gebruiker het geïsoleerde massapad aanraakt. Door de GDT in serie te plaatsen wordt die lekstroom geëlimineerd.

Gevaren in verband met MOV's en apparaten die MOV's bevatten zijn onder meer schokken als gevolg van excessieve lekstromen en de mogelijkheid van brand. Vanwege hun faalwijze worden MOV's beschouwd als potentiële ontstekingsbronnen (PIS), hetgeen vereist dat het ontwerp maatregelen omvat om de mogelijkheid van ontsteking te verminderen en de verspreiding van een eventuele brand te blokkeren.

Overspanningsbeveiligers helpen de betrouwbaarheid van producten te vergroten en moeten voldoen aan specifieke tests die de norm voorschrijft. De MCOV van een MOV moet bijvoorbeeld ten minste 1,25 maal de bovenste spanningsgrens van het spanningsbereik van de apparatuur bedragen. Voor apparatuur met een stroomingangsbereik van 85 tot 250 volt wisselstroom moet de minimale MCOV voor een lijnbeveiligings-MOV in die apparatuur 313 volt bedragen. Lijnbeveiligingscircuits met een MOV over de lijn worden onderworpen aan een test op basis van een lijnspanning van tweemaal het nominale vermogen. De ingangsstroom wordt achtereenvolgens beperkt door weerstanden tot waarden van 0,125, 0,25, 0,5, 1 en 2 A. Aangezien de MOV een potentiële brandhaard is, gaat het testen door totdat de MOV uitvalt. Deze test is niet vereist voor MOV's met een MCOV van meer dan twee keer de maximale nominale lijnspanning, omdat de kans op MOV-falen onder die omstandigheden zeer klein is.

Conclusie

Hybride IsoMOV-beveiligers bieden een betere en compactere bescherming voor elektronische systemen nu deze steeds sneller oprukken, krimpen en zich uitbreiden, tegen een achtergrond van verouderde of slecht beschermde infrastructuur en steeds verder evoluerende beschermingsnormen voor de gebruiker. Naast uitzonderlijke prestaties en ruimtebesparing hebben ze een groot temperatuurbereik, weinig lekkage en een hoog energiebehandelingsvermogen. Hoewel ze vooral voordelig zijn voor industriële toepassingen die worden blootgesteld aan hoge pieken, kunnen ze gemakkelijk worden toegepast in audio/visuele en informatiecommunicatietechnologische apparatuur om te voldoen aan de IEC/UL62368-1 norm op basis van Hazard Based Safety Engineering (HBSE).