Ylijännitesuojauksen parantaminen AC-hybridiylijännitesuojilla

Elektroniikkalaitteita käytetään kaikkialla, ja ne kehittyvät nopeasti hyödyntäen yhä herkempiä piirejä. Nämä piirit nojaavat vahvasti etuasteen suojaukseen käyttäessään sähköinfrastruktuuria, jossa ei välttämättä ole uusinta suojausta syöksyjännitteitä ja transientteja vastaan. Nämä transientit voivat aiheutua salamaniskuista, kytkemisestä tai vastaavista syöksyjännitteistä, jotka voivat aiheuttaa ylijännitteen ja ylivirran. Tämä saattaa vaurioittaa elektroniikkalaitteita tai heikentää niiden suorituskykyä.

Olemassa olevat edulliset ylijännitesuojausteknologiat, kuten kaasupurkausputket (GDT) ja metallioksidivaristorit (MOV) ohjaavat tai rajoittavat syöksyjännite-energiaa estäen sitä saavuttamasta suojattua laitetta. Kussakin laitteessa on omat etunsa, mutta ne kestävät vain rajallisen määrän transientteja ennen kuin ne vikaantuvat. GDT-piirit eivät välttämättä katkaise sähkövirtaa kokonaan, ja MOV-piirit saattavat vikaantua lämpöryntäyksen seurauksena usean transientin jälkeen.

Jotta sekä GDT- että MOV-teknologian parhaista puolista voidaan hyötyä ja minimoida samalla niiden puutteet, markkinoille on tullut hybriditeknologiakomponentteja ylijännitesuojaustasoon verrattuna suhteellisen pienessä integroidussa yksittäisessä komponentissa. Vaikka integroitujen komponenttien toisiaan täydentävä luonne parantaa molempien suorituskykyä sekä pidentää niiden käyttöikää, tehokkuus edellyttää GDT- ja MOV-elementtien huolellista yhdistämistä. Oikein käytettynä IsoMOV™-hybridiylijännitesuojat ovat erityisen hyödyllisiä, kun halutaan varmistaa yhteensopivuus tietotekniikan ja audiovisuaalisten laitteiden vaaraan perustuvan standardin IEC/UL62368-1 kanssa.

Tässä artikkelissa kerrotaan lyhyesti, miten GDT- ja MOV-ylijännitesuojat toimivat, ennen kuin siinä siirrytään tarkastelemaan esimerkkejä Bournsin konkreettisista IsoMOV-hybridisuojapiireistä. Lopuksi artikkelissa osoitetaan, miten IsoMOV-teknologiaa voidaan käyttää standardin IEC/UL62368-1 noudattamiseksi.

Miten ylijännitesuojat toimivat?

Ylijännitesuojat voivat toimia kahdella eri tavalla: ne voivat toimia kytkimenä ohjaten ylijännitteen maadoitukseen tai ne voivat rajoittaa jännitepiikkiä laskemalla sen matalammalle tasolle absorboimalla ja dissipoimalla rajoitusjännitteen ylittävän transienttienergian.

GDT on esimerkki ylijännitteen johtamisesta maadoitukseen. Se koostuu kipinävälistä reagoimattomassa kaasussa, kuten argonissa, ja se on kytketty voimajohdon yli. Jos jänniteporras on matalampi kuin GDT-piirin läpilyöntijännite, laite on käytännössä korkean impedanssin estotilassa. Jos transientti nostaa jännitteen GDT-piirin läpilyöntijännitteen yläpuolelle, GDT siirtyy johtavaan tilaan (kuva 1).

Kuva 1: Kuvassa näytetään kuvaajat aktivoituvan GDT-piirin jännitteestä ja sähkövirrasta. Kun läpilyöntijännite ylitetään, jännite putoaa noin 10 volttiin ja sähkövirta kasvaa huomattavasti. (Kuvan lähde: Bourns)

Koska GDT on kytketty tulojännitteen ylitse, se käytännössä oikosulkee virtalähteen. Tämä aktivoi varokkeen, johdonsuojakatkaisijan tai muun sen kanssa sarjaan kytketyn suojalaitteen ja tällä tavalla suojaa GDT-komponenttia seuraavia piirejä. Huomaa, että estotilassa jännite on korkea ja sähkövirta matala. Johtotilassa tilanne on päinvastainen ja komponentin dissipoima teho on hyvin pieni, lukuun ottamatta tilojen välistä siirtymähetkeä. GDT-tilan nollaus edellyttää, että tulojännite laskee läpilyöntijännitteen alapuolelle. Mikäli tulojännite ei laske riittävän alas, GDT ei välttämättä nollaudu, jolloin se jatkaa seurantavirran johtamista pysyen aktiivisena. Mahdollisuus, että GDT jää aktiiviseksi, on huomattava rajoitus tämäntyyppisessä ylijännitesuojauksessa.

MOV on rajoituslaite. GDT-piirin tapaan se sijoitetaan tulojännitteen ylitse. Normaalikäytön aikana MOV on korkean impedanssin tilassa, jolloin se kuluttaa vain vähän vuotovirtaa (kuva 2).

Kuva 2: MOV-piirin purkausominaiskäyrä osoittaa bipolaarisen rajoitustoiminnan. (Kuvan lähde: Bourns)

Jännitepiikin aikana MOV-piirin impedanssi laskee, jolloin se kuluttaa enemmän sähkövirtaa johtaen pois tehoa; tämä vähentää ja rajoittaa transienttijännitettä. Kun transientti päättyy, MOV-piirin impedanssi kasvaa ja se palautuu normaalitilaansa. MOV-piirit on luokiteltu sen mukaan, miten monta tällaista transienttitapahtumaa ne kestävät. Kun transienttitapahtumien lukumäärä kasvaa, MOV-piirin vuotovirta voi kasvaa. Tämä lisää laitteen dissipoimaa tehoa, jolloin laite kuumenee. Kuumeneminen lisää vuotovirtaa, mikä saattaa synnyttää MOV-piirissä lämpöryntäyksen, jolloin se hajoaa täysin.

Kumpikaan näistä ylijännitesuojausteknologioista ei sinällään ole ihanteellinen. Jos GDT ja MOV asetetaan sarjaan tulojännitteen ylitse, niiden toisiaan täydentävä toiminta käy kuitenkin selvästi ilmi. Normaalissa käytössä GDT on pois päältä eikä MOV-piirissä ole vuotovirtaa. Jännitetransientin aikana GDT aktivoituu, jolloin MOV on mukana virtapiirissä. Tällöin MOV rajoittaa transientin jännitepiikin. Kun transientti on päättynyt, MOV deaktivoituu, mikä vähentää GDT-piirin kautta kulkevaa sähkövirtaa, joten myös se voi deaktivoitua.

Jos GDT ja MOV sijoitetaan sarjaan, niiden ominaisuudet tulee sovittaa huolellisesti, jotta ne täydentäisivät toisiaan tarkasti. Erillistoteutukset riippuvat useista muuttujista suunnittelusta valmistukseen, testaukseen ja pakkaukseen. Tämän vuoksi suunnittelijoiden on haastavaa löytää hyviä vastaavuuksia. Bournsin IsoMOV-hybridisuojat vastaavat haasteisiin yhdistämällä huolellisesti sovitetut MOV-piirit ja GDT-elementin samaan koteloon, joka on yksittäisiä komponentteja huomattavasti pienempi (kuva 3).

Kuva 3: IsoMOV-ylijännitesuoja sisältää GDT-komponentin MOV-komponentin välissä (a). Yhdistelmän piirikaaviosymboli näytetään oikealla kohdassa (b). (Kuvan lähde: Bourns)

IsoMOV-hybridisuojan yhdistelmä-transienttijännitevaste kuvassa 4 osoittaa, miten molemmat elementit toimivat yhdessä.

Kuva 4: IsoMOV-hybridisuojan jännitevaste näyttää, milloin GDT-komponentin läpilyönti tapahtuu MOV-komponenttien aktivoimiseksi, mikä suojaa sitä seuraavia komponentteja. (Kuvan lähde: Bourns)

IsoMOV-hybridisuojan molemmat elementit on suunniteltu kestämään itsenäisesti suurin jatkuva käyttöjännite (MCOV). Kuten edellä on mainittu, GDT estää MOV-vuotovirran, kun transienttia ei ole. GDT katkaisee nousevat MOV-vuotovirtatasot jopa usean transientin jälkeen. MOV estää seurantavirran transientin jännitepiikin jälkeen, mikä suojaa GDT-piiriä. IsoMOV-komponentin geometria nostaa sen syöksyjännitekapasiteettia yksikköpinta-alaa kohden verrattuna yksittäiseen MOV-komponenttiin.

Suunnittelijan näkökulmasta IsoMOV-komponentit tarjoavat paremman suojauksen pienessä integroidussa kotelossa ja ne minimoivat sekä komponenttien määrän että piirilevyltä vaadittavan tilan. Esimerkiksi ISOM3-175-B-L2 on IsoMOV-hybridisuoja, jonka MCOV on 175 V_RMS, mikä tarkoittaa, että se kestää vähintään 15 nimellisarvoisesti kolmen kiloampeerin (kA) jännitepiikkiä. Sen suurin rajoitusjännite on 470 volttia (kuva 5). Sen halkaisija on 13,2 millimetriä ja paksuus 6,1 millimetriä. Halkaisija vaihtelee suurimman sähkövirtakapasiteetin mukaan, ja paksuus kasvaa MCOV-arvon mukaan.

Kuva 5: ISOM3-175-B-L2 on esimerkki IsoMOV-hybridisuojan kompaktista koosta. Vaikka se sisältää kaksi MOV-elementtiä ja yhden GDT-elementin, sen halkaisija on vain 13,2 mm ja paksuus 6,1 mm. (Kuvan lähde: Bourns)

Bourns IsoMOV ‑tuoteperhe sisältää kolme erillistä nimellistä virtaluokitusta, 3 kA, 5 kA ja 8 kA. MCOV-luokitukset ovat 175–555 V_RMS. Keskitason laitteita edustaa ISOM5-300-B-L2, 300 V_RMS ja 5 kA:n laite, jonka halkaisija on 17 mm ja paksuus 7,1 mm. Korkean virtamäärän laitteita edustaa ISOM8-555-B-L2, joka on 8 kA:n laite ja jonka MCOV on 555 V_RMS. Sen halkaisija on 23 mm ja paksuus 9,4 mm. Kaikkien näiden laitteiden käyttölämpötila-alue on −40 °C ... +125 °C.

Bournsin IsoMOV-hybridisuojat tarjoavat nämä huippuluokan jännitepiikkiluokitukset tilaa säästävässä koossa verrattuna erillisten MOV- ja GDT-komponenttien käyttöön. Niissä on erittäin matala vuotovirta. Sarjaan kytketty GDT pidentää lisäksi MOV-piirin käyttöikää. Lisäksi kaikki IsoMOV-ylijännitesuojat ovat standardin UL1449 tyypin 4 komponentteja, mikä helpottaa niiden käyttöä ylijännitesuojissa.

Standardin IEC/UL62368-1 suojaustasojen toteuttaminen

IsoMOV-komponentit ovat hyödyllisiä ratkaisuja haluttaessa täyttää standardi IEC/UL62368-1. Uusi audiovisuaalisten ja tieto- ja viestintätekniikan laitteiden turvallisuusstandardi IEC/UL 62368-1 nojaa vaarojen tunnistamiseen perustuvaan lähestymistapaan laitteiden käyttäjien fyysisen turvallisuuden ja turvallisuustoimenpiteiden toteuttamisen osalta. Siinä tunnistetaan mahdollisesti vaaralliset energialähteet ja prosessit, joissa käyttäjä voi altistua energialle sekä normaalissa käytössä että vikatilanteissa.

Kuvassa 6 esitetty suositeltu tulovirran suojausratkaisu sisältää suojalaitteet vaihejohtimesta nollaan, vaihejohtimesta suojamaadoitukseen ja nollasta suojamaadoitukseen.

Kuva 6: Suositeltu tulovirran suojapiiri noudattaa standardia IEC/UL62368-1 ja sisältää suojalaitteet vaihejohtimesta nollaan, vaihejohtimesta suojamaadoitukseen sekä nollasta suojamaadoitukseen. (Kuvan lähde: Bourns)

Vaihejohtimen ja suojamaadoituksen tai nollan ja suojamaadoituksen välissä MOV- tai IsoMOV-laitteiden kanssa sarjassa olevia GDT-laitteita tarvitaan suojaamaan sähköiskuilta, joita voi esiintyä käytettäessä pelkästään MOV-laitetta. Jos suojamaadoitusta ei ole kytketty, pelkästään MOV-piirin vuotovirta voi olla riittävä aiheuttamaan loukkaantumisen käyttäjän koskettaessa maadoitusta. GDT-piirin asentaminen sarjaan poistaa kyseisen vuotovirran.

Metallioksidivaristoreihin ja niitä sisältäviin laitteisiin liittyviä vaaroja ovat liiallisesta vuotovirrasta johtuva sähköisku sekä tulipalon mahdollisuus. Vikatilansa vuoksi metallioksidivaristoreja pidetään mahdollisina syttymislähteinä. Tämän vuoksi ratkaisussa tulee ottaa huomioon toimenpiteet syttymismahdollisuuden vähentämiseksi ja mahdollisen tulipalon leviämisen estämiseksi.

Ylijännitesuojat auttavat parantamaan tuotteen luotettavuutta, ja niiden on läpäistävä tietyt standardien edellyttämät testit. Esimerkiksi MOV-komponentin MCOV-arvon tulee olla vähintään 1,25-kertaa korkeampi kuin laitteen jännitealueen yläraja. Laitteissa, joiden tulojännitealue on 85–250 volttia (AC), MOV-linjasuojauksen MCOV-arvon tulee olla vähintään 313 volttia. Sähkönsyötön suojauspiirien, jotka sisältävät MOV-piirin tulojännitteen ylitse, tulee läpäistä testi, jossa tulojännite on kaksi kertaa nimellisarvoaan korkeampi. Vastukset rajoittavat tulovirran järjestyksessä arvoihin 0,125, 0,25, 0,5, 1 ja 2 A. Koska MOV on mahdollinen syttymislähde, testausta jatketaan, kunnes MOV vikaantuu. Testiä ei edellytetä MOV-laitteille, joiden MCOV on yli kaksinkertainen sallittuun luokiteltuun verkkojännitteeseen nähden, koska MOV-piirin vikaantuminen näissä olosuhteissa on erittäin epätodennäköistä.

Yhteenveto

IsoMOV-hybridisuojat tarjoavat paremman ja kompaktimman suojauksen elektronisille järjestelmille niiden kehittyessä, pienentyessä ja lisääntyessä kiihtyvään tahtiin ikääntyvän tai heikosti suojatun infrastruktuurin sekä käyttäjiä suojaavien standardien kehityksen myötä. Poikkeuksellisen suorituskyvyn ja tilan säästämisen lisäksi ne tarjoavat laajemman lämpötila-alueen, matalamman vuotovirran sekä korkeamman energian käsittelykapasiteetin. Vaikka niistä on erityisesti hyötyä suurille jännitepiikeille altistuvissa teollisuussovelluksissa, niistä voidaan hyötyä myös audiovisuaalisissa ja tieto- ja viestintätekniikan laitteissa, joissa halutaan täyttää HBSE-standardin IEC/UL62368-1 vaatimukset.