Hoe IsoMOV's selecteren en toepassen voor maximale onderdrukking van spanningspieken met zo weinig mogelijk ruimte

Naarmate het aantal elektronische apparaten toeneemt en de regelgeving inzake de veiligheid van de gebruiker evolueert, zoeken ontwerpers naar mogelijkheden om de bescherming van het apparaat te verbeteren en tegelijk de kosten en de ruimte op de printplaat tot een minimum te beperken. Het probleem is dat circuitbeveiliging veel weg heeft van een verzekering: het kan een onnodige uitgave lijken totdat het nodig is. Deze bescherming is nodig tegen een verscheidenheid van interne en externe afwijkingen en storingen, met inbegrip van interne en externe kortsluitings-, overstroom- en spanningspieksituaties. Deze voorvallen kunnen een systeem tijdelijk of permanent onbruikbaar maken; het systeem, de interne onderdelen of de belasting beschadigen; en zelfs schade toebrengen aan een gebruiker.

Geen enkele beveiligingsoplossing werkt voor alle storingen en situaties. Wat bijvoorbeeld de toepassing van overspanningsbeveiliging (OVP) betreft, zijn koevoeten zoals gasontladingsbuizen (GDT's) over het algemeen beter voor langdurige storingen, terwijl klemmen zoals een metaaloxidevaristor (MOV) beter geschikt zijn voor transiënte gebeurtenissen. GDT's hebben echter last van "holdover current", en MOV's kunnen permanent defect raken en gevaarlijk hoge temperaturen bereiken als gevolg van thermische runaway. Het gebruik van beide componenten in serie in een hybride aanpak compenseert eventuele problemen, maar deze aanpak bemoeilijkt de layout van de printplaat en verhoogt de kosten. Vooruitgang in het ontwerp is nodig om dit compromis op te heffen.

Dit artikel beschrijft het belang van OVP-bescherming en verschillende benaderingen om dit te bereiken. Vervolgens wordt de IsoMOV-technologie geïntroduceerd, die de voordelen van GDT's en MOV's combineert in één apparaat met een langere levensduur en geen holdover-stroom. Vervolgens worden voorbeeldapparaten van Bourns Inc., hun voornaamste kenmerken beschrijven, en laten zien hoe ze kunnen worden geselecteerd en gebruikt voor een doeltreffende, efficiënte en goedkope bescherming.

Bescherming heeft meerdere perspectieven

Er is geen "one size fits all"-oplossing voor circuit- en systeembeveiliging. Daar zijn twee redenen voor: ten eerste zijn er vele soorten storingen en gebeurtenissen waartegen bescherming nodig is; ten tweede bepalen de omvang en de duur van de storingstoestand het soort en de robuustheid van de benodigde bescherming.

Onder de vele algemene foutsituaties zijn:

• Overstroom, waarbij de belasting te veel stroom trekt als gevolg van een externe fout, kortsluiting of een defect in een intern onderdeel (met inbegrip van isolatiefouten)
• Overspanning, waarbij een deel van het systeem onder spanning komt te staan door een te hoge spanning als gevolg van een verkeerde aansluiting
• Thermisch, wanneer een onderdeel oververhit raakt als gevolg van een slecht ontwerp, inadequaat thermisch beheer of overmatige omgevingswarmte
• Defecte onderdelen, waarbij een intern onderdeel defect raakt, wat leidt tot een overstroom/overspanningssituatie die andere onderdelen of de belasting beschadigt

Storingen hebben vaak ook gevolgen die verder reiken dan het aantasten of zelfs beschadigen van een systeem, aangezien zij kunnen resulteren in schokgevaar voor de gebruikers.

Koevoeten en klemmen voor overspanningsbeveiliging

Een van de meest uitdagende foutcondities op zowel wissel- als gelijkstroomcircuits is de overspanningspiek, een zogenaamde tijdelijke overspanning (TOV). Deze korte puls of piek wordt vaak veroorzaakt door blikseminslag in de buurt of elektrische schakelingen die schadelijke transiënten in elektrische apparatuur en de gevoelige elektronica daarvan injecteren.

Er worden twee brede klassen van overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD's) gebruikt om overspanning en TOV-gebeurtenissen aan te pakken: de koevoet en de klem. (Merk op dat deze termen soms door elkaar worden gebruikt in "informele" discussies, maar dat zij niet hetzelfde zijn)

In het kort komt het erop neer dat een koevoet kortsluiting maakt over de te beschermen lijn, waardoor de piekstroom naar de aarde wordt afgeleid en de circuits niet kunnen worden bereikt (Afbeelding 1). De koevoet wordt getriggerd om in deze laag-impedante modus te gaan wanneer de overspanningssituatie zich voordoet.

Interessante opmerking terzijde: De term "koevoet" zou afkomstig zijn van de actie van industriële arbeiders in de begindagen van de elektriciteit, die een echte metalen koevoet over de stroom- en aardingsrails gooiden wanneer zich een overspanningssituatie voordeed.

Afbeelding 1: Wanneer de koevoetbeveiligingsfunctie in werking treedt, wordt deze een weg met lage impedantie tussen de te beschermen lijn en aarde, waardoor de overspanningspiek naar aarde wordt afgeleid. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

De koevoet blijft in een laag-impedante modus totdat de stroom afneemt tot onder de "houdstroom", op welk moment het terugkeert naar de hoog-impedante, normale werkingstoestand. Hij moet in staat zijn de stroom die er doorheen loopt te verwerken gedurende de tijd dat de voeding in een overspanningstoestand is.

Een klem daarentegen voorkomt dat de spanning een vooraf ingesteld niveau overschrijdt (Afbeelding 2). Wanneer de transiënte spanning het grensniveau bereikt waarvoor de kleminrichting is gespecificeerd, zal deze de spanning afklemmen totdat de storing is opgeheven, waarna de lijn naar de normale bedrijfsmodus terugkeert. Het is belangrijk dat de nominale klemspanning hoger is dan de normale bedrijfsspanning.

Afbeelding 2: In tegenstelling tot de koevoet beperkt de klem de overspanningspiek tot een vooraf bepaalde waarde. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Een klem geleidt net genoeg stroom om de spanning erover op een veilige, gewenste waarde te houden terwijl de transiënt zich boven de geleidingsspanning van de klem bevindt. Deze stroom, hoewel gering, kan leiden tot een aantal veiligheidsvraagstukken die moeten worden aangepakt, en die wellicht extra bescherming vereisen, een vraagstuk dat hieronder verder wordt besproken. Hij moet berekend zijn op het vermogen dat hij gedurende een bepaalde tijd zal moeten dissiperen, wat gewoonlijk een vrij korte voorbijgaande gebeurtenis is.

Uitvoering van de OVP-functies

Aangezien koevoeten en klemmen kritieke beschermingsvoorzieningen zijn, is het van essentieel belang dat zij eenvoudig en betrouwbaar zijn en over algemeen aanvaarde en consistente prestatiekenmerken beschikken. In die zin lijken zij op de thermisch geactiveerde zekering, het klassieke onderdeel van de overstroombeveiliging dat vaak als extra beschermingslaag wordt gebruikt.

Het koevoetapparaat: De meest gebruikelijke koevoet is de GDT, een zorgvuldig geconstrueerde en gedimensioneerde vonkbrug in een hermetische behuizing, gevuld met een inert gas. In normaal bedrijf, vóór een TOV-gebeurtenis, lijkt het alsof de weerstand bijna oneindig is (Afbeelding 3). Wanneer echter de overspanningsschommeling voorkomt en het GDT-ontwerpvoltage overschrijdt, ioniseert het gas en de buis zal "overflitsen" zoals een vonkenhiaat, en van hoge impedantie op een zeer lage impedantie overschakelen. Deze wijziging zal de lijn tijdelijk kortsluiten totdat de storing is gedoofd.

Afbeelding 3: De GDT is een geavanceerd vonkbrugapparaat dat alleen geleidt wanneer de spanning over de aansluitklemmen de ontwerpwaarde overschrijdt; tot dan ziet het eruit als een bijna perfect open circuit. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

De GDT wordt gewoonlijk gebruikt in gelijkstroomcircuits, telecommunicatiecircuits en signaalcircuits, die over het algemeen allemaal een vrij lage stroomsterkte hebben van één ampère of minder. Merk op dat, in tegenstelling tot de dramatische GDT's die men in films ziet, de GDT voor lage spanningspieken een kleine, ingekapselde, op een printplaat monteerbare component is, en dat de flashover vonk niet zichtbaar is. Kleinere GDT's worden aangeboden met nominale waarden van 75 tot 600 volts; grotere worden aangeboden met nominale waarden tot duizenden volts. Een probleem met GDT's is hun volgstroom (ook wel holdover current genoemd), dat wil zeggen stroom die blijft lopen, zelfs nadat de fout is gedoofd.

Het klemapparaat: twee van de meest gebruikte opties voor klemming zijn de PTVS-diode (Power Transient Voltage Suppressor) en de MOV (Metal Oxide Varistor), die beide vaak worden gebruikt voor bescherming tegen hoge stromen in AC- en DC-circuits, motors, communicatielijnen en detectiecircuits (Afbeelding 4). MOV's zijn verkrijgbaar met spanningsclassificaties in de tientallen tot meer dan duizend volts.

Afbeelding 4: De metal oxide varistor (MOV) en power transient voltage suppressor zorgen voor een klemspanning die een breed ontwerpbereik bestrijkt. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

MOV's geleiden gewoonlijk een kleine hoeveelheid lekstroom, zelfs bij toegepaste spanningen die ver onder hun nominale drempelspanning liggen. Als een MOV wordt blootgesteld aan spanningspieken die zijn nominale waarde overschrijden, kan blijvende schade optreden die de lekstroom doet toenemen. Hoewel deze stroom gewoonlijk slechts enkele milliampères bedraagt, kan hij in sommige omstandigheden een schok veroorzaken.

Verder zal er zelfverhitting in de MOV optreden als deze lekstroom voldoende hoog wordt. Wanneer een MOV continu over het wisselstroomnet is aangesloten, kan deze zelfverhitting een positieve terugkoppeling veroorzaken waarbij een hogere lekstroom leidt tot meer zelfverhitting, die op zijn beurt leidt tot een nog hogere lekstroom. Latere pieken kunnen deze cyclus nog versnellen.

Op een bepaald moment zal de MOV in een thermische-runaway-modus gaan die aanzienlijke hitte genereert en de MOV vernietigt. In sommige situaties kan de door de MOV geproduceerde warmte een potential ignition source (PIS) worden en nabijgelegen materialen in brand doen vliegen. Dit effect moet worden overwogen en aangepakt voor basisveiligheids- en veiligheidsgerelateerde normen.

Een betere OVP-oplossing

Om een OVP-oplossing te bieden die vrijwel geen lekstroom en dus een langere levensduur heeft, gebruiken ontwerpers vaak een opstelling met twee componenten. Deze hybride aanpak combineert twee discrete apparaten: een in serie geschakelde GDT en MOV (Afbeelding 5), met een gecombineerde spanning-tegen-tijd curve (Afbeelding 6).

Afbeelding 5: De hybride aanpak van het in serie schakelen van een GDT en MOV biedt een effectievere OVP-oplossing. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Afbeelding 6: De respons versus tijd van de hybride GDT + MOV-opstelling toont hoe deze de basisresponsie-eigenschappen van elke voorziening combineert. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Dit is een doeltreffende manier om elk toestel de eventuele tekortkomingen van het andere te laten compenseren. Aan deze aanpak zijn echter kosten verbonden:

• Het vereist meer printplaat ruimte
• Aan de materiaallijst (BOM) is nog een component toegevoegd

Een andere uitdaging is dat de lay-out van de printplaat in de buurt van de MOV en GDT wordt bemoeilijkt door wettelijke voorschriften die minimale kruip- en spelingafstanden voorschrijven, waarbij:

• Speling is de kortste afstand in lucht tussen twee geleidende delen
• Kruip is de kortste afstand langs het oppervlak van een massief isolatiemateriaal tussen twee geleidende delen

Het probleem is dat de kruip- en spelingafstanden toenemen met de spanning. De plaatsing van de MOV- en GDT-componenten voegt dus een extra opdracht en beperking toe waarmee rekening moet worden gehouden bij de lay-out van de printplaat.

Om ontwerpers te helpen deze kosten-, ruimte- en regelgevingsproblemen op te lossen, heeft Bourns, Inc. de IsoMOV-serie van hybride beschermingscomponenten ontwikkeld. De familie biedt een alternatieve oplossing die zowel een MOV als een GDT in één enkel pakket combineert en zo de functionaliteit biedt van een discrete MOV en GDT in serie (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het schematische symbool voor de IsoMOV (rechts) is een samenvoeging van de afzonderlijke standaardsymbolen GDT (midden, links) en MOV (boven en onder, links). (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Een blik op de constructie van de IsoMOV laat zien dat het niet zomaar een voor de hand liggende, simplistische co-package is van een MOV en een GDT in één gedeelde behuizing (figuur 8).

Afbeelding 8: De fysieke constructie van de IsoMOV is een geheel andere realisatie van de hybride functie, in plaats van slechts een samengestelde opstelling van de twee afzonderlijke bestaande apparaten. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Na assemblage van de kern worden de draden bevestigd en wordt de eenheid van een epoxycoating voorzien. Het resultaat is een vertrouwd radiale schijf MOV-pakket dat slechts iets dikker is, met een kleinere diameter dan de conventionele apparaten met een vergelijkbare nominale waarde (Afbeelding 9). Voorts heeft de IsoMOV-component, dankzij het ontwerp van de metaaloxide-technologie waarvoor octrooi is aangevraagd, een hogere stroomsterkte bij dezelfde afmetingen. Zowel de voetafdrukbeperking als kruip- en spelingsproblemen worden geëlimineerd.

Afbeelding 9: Het radiale loodschijfpakket van de IsoMOV ziet eruit als een standaard MOV, behalve dat het een kleinere diameter heeft en een hogere stroomsterkte dan een gelijkwaardige MOV alleen. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

De IsoMOV is meer dan alleen "het beste van twee werelden", want het ontwerp heeft nog andere voordelen. MOV-defecten worden doorgaans gekenmerkt door een zogeheten "surge hole" aan de rand van het gemetalliseerde gebied, die doorgaans wordt veroorzaakt door een verhoogde temperatuur binnenin de MOV tijdens een surge. De unieke EdgMOV technologie van Bourns is ontworpen om deze foutmodus aanzienlijk te verminderen of te elimineren.

Een blik op één IsoMOV-model geeft meer gedetailleerd inzicht. De ISOM3-275-B-L2 heeft een maximale continue bedrijfsspanning (MCOV) van 275 volt kwadratisch gemiddelde (rms)/350 volt gelijkstroom; de stroomsterkte is 3 kiloampère (kA)/15 operaties), 6 kA/1 operatie (maximum). Van bijzonder belang is ook de lage capaciteit van 30 picofarads (pF) bij 20 kilohertz (kHz), waardoor hij goed geschikt is voor datalijnen met hoge snelheid, en hij heeft een lage lekkage van minder dan 10 microampère (µA).

De rol van normen

Ontwerpingenieurs moeten verschillende vormen van overspanningsbeveiliging (en andere) toepassen om vele redenen, gaande van een verstandig ontwerp tot de verplichting daartoe door diverse regelgevende normen. Sommige van deze normen zijn universeel en gelden voor alle apparatuur die aan een algemeen werkingsscenario voldoet, zoals de werking op wisselstroomleidingen; andere zijn specifiek voor een bepaalde klasse van toepassingen, zoals medische apparatuur. Tot de organisaties die normen opstellen behoren UL, IEEE en IEC; veel van hun normen zijn "geharmoniseerd" en dus identiek, of bijna identiek.

Al deze normen zijn complex met talrijke verplichtingen; zij bevatten ook uitzonderingen waarbij stappen of kenmerken worden genoemd die in sommige omstandigheden kunnen worden weggelaten, en aanvullende eisen die in andere gevallen moeten worden toegevoegd. Zowel IEC 60950-1, "Apparatuur voor informatietechniek - Veiligheid", als UL/IEC 62368-1, en "Norm voor audio/video-, informatie- en communicatietechnologieapparatuur - Deel 1: Veiligheidseisen" (die IEC 60950-1 in 2020 heeft vervangen), schrijven bijvoorbeeld voor dat de nominale spanning van de MOV ten minste 125% van de nominale spanning van de apparatuur moet bedragen. Bijgevolg moet de nominale spanning van een MOV ten minste 300 volt rms bedragen voor een 240 volt rms netstroomcircuit.

Neem het gewone geval van de wisselstroomstekker, die er in twee- en driepolige versies is. In theorie biedt de driedraadsuitvoering een veiligheidsaarding, maar in de praktijk is die aarding vaak niet aangesloten of beschikbaar. Het ontbreken van een echte aarde-veiligheids-aardeverbinding kan leiden tot een potentieel gevaarlijke toestand wanneer alleen de hete en neutrale draden beschikbaar zijn. In dat geval is het noodzakelijk beveiligingscomponenten aan het ontwerp toe te voegen om mogelijke elektrische schokken te voorkomen wanneer gebruikers geleidende delen aanraken die geaard zouden moeten zijn, maar dat niet zijn. In dit geval kan de kleine hoeveelheid MOV-lekstroom echter een gevaar voor elektrische schokken worden.

De meest gebruikelijke oplossing om te voorkomen dat de MOV-lekstroom zo gevaarlijk wordt, is om ten minste één GDT in serie met de MOV te plaatsen (Afbeelding 10). Door een IsoMOV-apparaat te gebruiken, zitten de functies van zowel MOV als GDT in één ruimtebesparend pakket. De IsoMOV is dus ook een probleemoplossende component die het eenvoudiger maakt om te voldoen aan de veiligheidseis die door UL/IEC 62368-1 wordt gesteld.

Afbeelding 10: Om het gevaar van schokken voor de gebruiker als gevolg van onvermijdelijke lekstroom in een niet-geaarde toepassing uit te schakelen, kunnen twee voorzieningen - een MOV en een GDT - in serie worden geplaatst tussen de hete en de neutrale AC-lijnen. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Afbeelding 11: Het alternatief voor het gebruik van een afzonderlijke MOV en GDT is het gebruik van één enkel IsoMOV-apparaat, wat resulteert in dezelfde of betere prestaties en een veel kleinere totaaloplossing oplevert. (Bron afbeelding: Bourns, Inc.)

Conclusie

Ingenieurs hebben vaak de taak te beslissen welke oplossing de "beste" is In de meeste gevallen is er sprake van afwegingen waarvoor geen eenduidig antwoord bestaat. In het algemeen zijn bij overspanningsbeveiliging koevoeten beter geschikt voor langdurige storingen, terwijl klemmen beter geschikt zijn voor kortstondige gebeurtenissen. Het gebruik van beide apparaten vergroot echter de voetafdruk en bemoeilijkt de lay-out van de printplaat.

Maar nu is er geen noodzaak om compromissen te sluiten. De IsoMOV's van Bourns bieden een veel langere operationele levensduur dan een MOV alleen, maar zonder de opvolgende stroomproblemen van de GDT. De apparaten bieden overspannings- en overspanningsbeveiliging die voldoet aan alle relevante normen in een kleine voetafdruk. Bovendien minimaliseert hun lage lekstroom de opvolgproblemen, terwijl hun zeer lage capaciteit hen geschikt maakt voor de bescherming van laagspannings-, hogesnelheidsschakelingen.