IsoMOV-komponenttien valinta ja käyttö mahdollisimman tehokkaaseen ylijännitesuojaukseen mahdollisimman pienellä tilantarpeella

Elektroniikkalaitteiden yleistyessä ja käyttäjien turvallisuutta koskevien säännösten kehittyessä suunnittelijat pyrkivät löytämään uusia ratkaisuja laitteiden suojauksen parantamiseen edullisesti ja tilaa säästäen. Ongelmana on se, että virtapiirien suojaus muistuttaa vakuuttamista: se saattaa tuntua tarpeettomalta kustannukselta, kunnes sitä sitten tarvitaan. Suojausta tarvitaan monenlaisilta sisäisiltä ja ulkoisilta poikkeamilta ja vioilta, kuten sisäisiltä ja ulkoisilta oikosuluilta, ylivirroilta ja ylijännitteiltä. Tällaiset tapahtumat voivat estää järjestelmän toiminnan tilapäisesti tai pysyvästi, vaurioittaa järjestelmää, sen sisäisiä komponentteja tai kuormaa sekä jopa vahingoittaa käyttäjää.

Mikään yksittäinen suojausratkaisu ei suojaa kaikilta vioilta ja kaikenlaisilta tilanteilta. Esimerkiksi ylijännitesuojauksessa kaasupurkausputkien (GDT) kaltaiset kytkentäratkaisut ovat yleensä parempia pitkäaikaisissa vikatilanteissa, kun taas metallioksidivaristorien (MOV) kaltaiset jännitettä rajoittavat ratkaisut sopivat paremmin transienttitapahtumille. GDT-ratkaisuissa esiintyy kuitenkin virran ”lykkääntymistä” ja MOV-ratkaisut voivat vaurioitua pysyvästi sekä kuumentua vaarallisen kuumiksi lämpöryntäyksen takia. Hybridiratkaisu, jossa nämä komponentit on kytketty sarjaan, poistaa mahdollisia ongelmia, mutta vie paljon tilaa levyltä ja aiheuttaa lisäkustannuksia. Tämän kompromissin poistaminen vaatii uusien ratkaisujen kehittämistä.

Tässä artikkelissa kuvaillaan ylijännitesuojauksen tärkeyttä ja erilaisia toteutustapoja. Sen jälkeen siinä esitellään IsoMOV-teknologia, jossa kaasupurkausputkien ja metallioksidivaristorien edut yhdistyvät samassa, pitkäikäisemmässä laitteessa, jossa ei esiinny virran lykkääntymistä. Seuraavaksi siinä annetaan esimerkkejä Bourns Inc. ‑yhtiön laitteista, kuvaillaan niiden keskeisiä ominaisuuksia ja selostetaan niiden valintaa sekä käyttöä tehokkaassa ja edullisessa suojauksessa.

Suojauksen monet näkökulmat

Virtapiirien ja järjestelmien suojaukseen ei ole olemassa yksinkertaista patenttiratkaisua. Tähän on kaksi syytä. Suojausta tarvitaan ensinnäkin monenlaisia vikoja ja monia erilaisia tapahtumia vastaan, ja toiseksi vikatilanteen voimakkuus ja kesto määrittävät tarvittavan suojauksen tyypin ja vaadittavan kestävyyden.

Yleisiä vikatilanteita ovat muun muassa seuraavat:

• Ylivirta, jossa kuorma ottaa liian paljon virtaa ulkoisen vian, oikosulun tai sisäisen komponenttivian vuoksi (eristysvika mukaan lukien).
• Ylijännite, jolloin johonkin järjestelmän osaan kohdistuu virhekytkennän vuoksi liian korkea jännite.
• Lämpövika, jossa komponentti kuumenee liikaa huonon suunnittelun, puutteellisen lämmönhallinnan tai ympäristön liian korkean lämpötilan takia.
• Komponenttivika, jolloin jokin sisäinen komponentti vikaantuu ja aiheuttaa ylivirta- tai ylijännitetilanteen, joka puolestaan vaurioittaa muita komponentteja tai kuormaa.

Vioilla on usein myös muita kuin vain järjestelmään liittyviä tai jopa sitä vaurioittavia seurauksia – ne voivat nimittäin aiheuttaa käyttäjille sähköiskun vaaran.

Kytkentä- ja rajoitusratkaisuilla suojaa syöksyjännitteitä vastaan

Sekä vaihto- että tasajännitepiireissä haastavin vikatila on yli- tai syöksyjännite – tilapäinen ylijännitetapahtuma (TOV). Tällainen lyhyt pulssi tai piikki johtuu usein salaman iskemisestä lähistölle tai virran kytkemisestä, jonka seurauksena sähkölaitteeseen ja sen herkkään elektroniikkaan tulee haitallisia transientteja.

Ylijännite- ja TOV-tapahtumia hallitaan pääasiassa kahteen luokkaan kuuluvilla ylijännitesuojauslaitteilla: kytkevät ja rajoittavat ratkaisut. (Huomaa, että näitä termejä käytetään normaalissa puheessa joskus sekaisin, mutta ne eivät tarkoita samaa.)

Kytkentäratkaisussa muodostetaan periaatteessa oikosulku suojattavan johdon yli siten, että syöksyjännite ja sen virta johdetaan maahan virtapiirin sijaan (kuva 1). Kytkevä ylijännitesuojaus eli ”crowbar” siirtyy ylijännitetapahtumassa tähän pienen impedanssin tilaan.

Mielenkiintoisena sivuhuomautuksena voidaan todeta, että sorkkarautaa tarkoittava englanninkielinen nimitys ”crowbar” tulee nähtävästi sähkönkäytön alkuhämäristä. Tehdastyöntekijät heittivät nimittäin oikeasti sorkkaraudan jännitteisen virtakiskon ja maadoituskiskon poikki, jos piiriin syntyi ylijännite.

Kuva 1: Kun kytkevä ylijännitesuojaus laukeaa, se muodostaa pienen impedanssin polun suojeltavan johdon ja maan välille, jolloin syöksyjännite kulkeutuu maahan. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Kytkevä ylijännitesuojaus pysyy alhaisen impedanssin tilassa, kunnes virta laskee ”pitovirran” alapuolelle. Silloin suojaus palaa normaaliin toimintatilaansa, jossa impedanssi on korkea. Suojauksen täytyy pystyä käsittelemään piirin kautta kulkeva virta niin kauan kuin syöttöjännite on ylijännitteinen.

Jännitettä rajoittava suojaus sitä vastoin estää jännitettä nousemasta ennalta määritettyä tasoa korkeammaksi (kuva 2). Kun transienttijännite saavuttaa rajoituslaitteen rajoitustason, laite rajoittaa jännitettä, kunnes vika poistuu. Sen jälkeen virtapiiri palaa normaaliin toimintatilaansa. Nimellisrajoitusjännitteen on tärkeää olla korkeampi kuin normaali käyttöjännite.

Kuva 2: Toisin kuin kytkevä ylijännitesuojaus, rajoittava ylijännitesuojaus rajoittaa syöksyjännitteen ennalta määritettyyn arvoon. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Rajoittava ylijännitesuojaus johtaa virtaa vain sen verran, että sen yli kulkeva jännite pysyy turvallisena, haluttuna arvona, kun transientti ylittää suojauksen johtamisjännitteen. Vaikka tämä virta on pieni, se saattaa joskus aiheuttaa turvallisuusriskejä, jotka on ratkaistava ja joiden vuoksi saatetaan tarvita lisäsuojausta. Tätä käsitellään tarkemmin jäljempänä. Suojauksen nimellisarvon täytyy vastata tietyn ajan kuluessa pois johdettavan virran määrää, yleensä melko lyhyen transienttitapahtuman ajan.

Ylijännitesuojausten toteutus

Sekä kytkevät että rajoittavat ylijännitesuojaukset ovat kriittisiä suojauslaitteita, joten niiden on tärkeää olla yksinkertaisia ja luotettavia. Lisäksi niiden suorituskykyominaisuudet on tunnettava hyvin ja niiden ominaisuuksien on oltava tasaiset. Silloin ne toimivat samaan tapaan kuin lämpösulake, klassinen ylivirtasuojaus, jota käytetään usein ylimääräisenä suojauskerroksena.

Kytkevä laite: Yleisin jännitettä kytkevä laite on kaasupurkausputki (GDT), huolellisesti rakennettu ja mitoitettu kipinäväli inertillä kaasulla täytetyssä hermeettisessä kotelossa. Laite toimii normaalitilassa, ennen transienttia ylijännitetapahtumaa, lähes rajattoman suuruisen vastuksen tapaan (kuva 3). Kun kaasupurkausputken nimellisjännite syöksyjännitetilanteessa ylittyy, kaasu ionisoituu, putkessa tapahtuu kipinäpurkaus ja laitteen impedanssi muuttuu erittäin pieneksi. Muutos aiheuttaa linjaan tilapäisen oikosulun, kunnes vika poistuu.

Kuva 3: Kaasupurkausputki on sofistikoitunut kipinävälilaite, joka johtaa sähköä vain silloin, kun sen napojen välinen jännite ylittää laitteelle määritetyn arvon. Siihen saakka se näyttää lähes täydelliseltä avoimelta virtapiiriltä. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Kaasupurkausputkia käytetään usein DC-piireissä, teleliikenteen ratkaisuissa ja signaalivirtapiireissä, joissa virta on yleensä melko pieni, enintään yksi ampeeri. Ja vaikka elokuvissa on toisinaan hyvin dramaattisia kaasupurkausputkia, pienille syöksyjännitteille tarkoitetut GDT-komponentit ovat pieniä, koteloituja, piirilevylle asennettavia komponentteja, eikä kipinäpurkausta edes näe. Pienten GDT-komponenttien nimellisjännite on 75–600 volttia, suurempien jopa tuhansia voltteja. Yksi kaasupurkausputkiin liittyvistä ongelmista on virran lykkääntyminen eli se, että virran kulku jatkuu vielä vian poistumisen jälkeenkin.

Jännitettä rajoittava suojauslaite: Kaksi yleisintä jännitteen rajoittamiseen käytettävää ratkaisua ovat ylijännitteen vaimennusdiodi (PTVS) ja metallioksidivaristori (MOV). Niitä molempia käytetään yleisesti suurvirtasuojaukseen AC- ja DC-piireissä, moottoreissa, tiedonsiirtolinjoissa ja anturipiireissä (kuva 4). Metallioksidivaristorien nimellisjännite vaihtelee muutamasta kymmenestä yli tuhanteen volttiin.

Kuva 4: Metallioksidivaristori (ja transientin ylijännitteen vaimennin) rajoittavat jännitettä laajalla nimellisarvoalueella. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Metallioksidivaristorien läpi kulkee tyypillisesti pieni vuotovirta myös jännitteen ollessa selvästi laitteen nimelliskynnysjännitettä alhaisempi. Jos metallioksidivaristoriin kohdistuu sen luokitusta korkeampi syöksyjännite, se voi vaurioitua pysyvästi, jolloin sen vuotovirta kasvaa. Vaikka vuotovirran suuruus on yleensä vain pari milliampeeria, se voi tietyissä olosuhteissa aiheuttaa sähköiskun vaaran.

Metallioksidivaristori voi myös kuumentua itsekseen, jos vuotovirta kasvaa riittävän suureksi. Jos metallioksidivaristori kytketään AC-verkkovirtaan, kuumeneminen voi johtaa positiiviseen takaisinkytkentään, jossa suurempi vuotovirta kuumentaa varistoria yhä enemmän ja johtaa jälleen yhä suurempaan vuotovirtaan. Komponenttiin kohdistuvat syöksyjännitteet voivat nopeuttaa tätä sykliä entisestään.

Jossakin vaiheessa metallioksidivaristori siirtyy lämpöryntäystilaan, jossa se generoi huomattavasti lämpöä ja tuhoutuu. Joissakin tilanteissa metallioksidivaristorin tuottama lämpö voi muodostaa syttymislähteen ja sytyttää lähellä olevia materiaaleja. Tämä vaikutus on otettava huomioon ja hoidettava perusturvallisuuden suunnittelussa ja turvallisuuteen liittyvissä standardeissa.

Parempi ylijännitesuojausratkaisu

Suunnittelijat käyttävät usein kahden komponentin ratkaisua halutessaan ylijännitesuojausratkaisun, jossa ei ole käytännössä lainkaan vuotovirtaa ja jonka käyttöikä on sen takia pidempi. Tällaisessa hybridiratkaisussa yhdistetään kaksi erillistä laitetta kytkemällä kaasupurkausputki ja metallioksidivaristori sarjaan (kuva 5), jolloin saadaan kuvan 6 mukainen jännite-aikakäyrä.

Kuva 5: Hybridiratkaisu, jossa kaasupurkausputki ja metallioksidivaristori on kytketty sarjaan, on tehokkaampi vaihtoehto toteuttaa ylijännitesuojaus. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Kuva 6: GDT + MOV ‑hybridiratkaisun vaste-aikakäyrästä käy ilmi, miten tässä ratkaisussa yhdistyvät kahden eri laitteen perusvasteominaisuudet. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Tässä tehokkaassa ratkaisussa laitteet kompensoivat toistensa mahdollisia puutteita. Siitä ei kuitenkaan tule ilmaiseksi, sillä

• se vaatii enemmän tilaa piirilevyltä
• BOM-osaluetteloon tulee taas yksi komponentti lisää.

Myös virtapiirin sijoittelua levylle MOV- ja GDT-komponenttien lähellä vaikeuttavat pinta- ja ilmavälien vähimmäisarvoja koskevat lakisääteiset vaatimukset.

• Ilmaväli on kahden sähköä johtavan osan välinen lyhin etäisyys ilmassa.
• Pintaväli tarkoittaa kahden sähköä johtavan osan välistä lyhintä etäisyyttä kiinteän eristysmateriaalin pinnalla.

Ongelma on se, että ilma- ja pintaväli kasvavat jännitteen kasvaessa. MOV- ja GDT-komponenttien sijoittelu asettaakin taas yhden lisävaatimuksen ja ‑rajoitteen, joka on otettava huomioon piirilevyn suunnittelussa.

Bourns, Inc. -yrityksen IsoMOV-hybridisuojauskomponentit auttavat suunnittelijoita ratkaisemaan kustannuksiin, tilaan ja lakisääteisiin vaatimuksiin liittyviä haasteita. Tuoteperhe tarjoaa vaihtoehtoisen ratkaisun, jossa MOV ja GDT on pakattu samaan koteloon. Tuotteen toiminnot vastaavat kuitenkin erillisten, sarjaan kytkettyjen laitteiden toimintoja (kuva 7).

Kuva 7: IsoMOV-komponentin piirikaaviosymboli osoittaa, että laite on GDT-komponentin (keskellä vasemmalla) ja MOV-komponentin (vasemmalla ylhäällä ja alhaalla) yhdistelmä. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

IsoMOV-komponentin rakenteesta selviää, ettei laite koostu pelkästään samaan koteloon pakatusta MOV-komponentista ja GDT-komponentista (kuva 8).

Kuva 8: IsoMOV-komponentin fyysinen rakenne sisältää hybriditoiminnot toteutettuina aivan uudella tavalla. Kyse ei siis ole vain kahden erillisen komponentin pakkaamisesta samaan koteloon. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Ytimen kokoamisen jälkeen kiinnitetään johtimet, minkä jälkeen laite pinnoitetaan epoksilla. Näin muodostuu tuttu kiekkomainen MOV-kotelo, vain hieman tavallista paksumpi ja halkaisijaltaan pienempi kuin perinteiset komponentit, joilla on vastaavat nimellisarvot (kuva 9). Patentointivaiheessa olevan metallioksiditeknologian ansiosta myös IsoMOV-komponentin nimellisvirta on suurempi kuin vastaavan kokoisen perinteisen komponentin. Laite poistaa sekä lisätilan tarpeen että ilma- ja pintaväliongelmat.

Kuva 9: IsoMOV-komponentin radiaalimuotoinen ja kiekkomainen kotelo näyttää samalta kuin tavallinen MOV, mutta sen halkaisija on pienempi ja nimellisvirta suurempi kuin pelkän vastaavan MOV-komponentin. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

IsoMOV on enemmän kuin vain molempien ratkaisujen parhaat puolet, sillä laitteen rakenne tarjoaa myös muita etuja. MOV-komponenttien vikaantumiset johtuvat yleensä metallipinnoitetun alueen reunan ”syöksyjännitereiästä”, joka johtuu tyypillisesti lämpötilan noususta MOV-komponentin sisällä syöksyjännitteen aikana. Bournsin ainutlaatuinen EdgMOV-teknologia on suunniteltu vähentämään tätä vikaantumistapaa olennaisesti tai poistamaan sen kokonaan.

IsoMOV-mallin tarkasteleminen selventää asiaa. ISOM3-275-B-L2-mallin MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) -arvo on 275 volttia (rms-tehollisarvo) / 350 volttia DC, nimellisvirta 3 kiloampeeria (kA) / 15 toimintakertaa), 6 kA / 1 toimintakerta (maksimi). Erityisen kiinnostava on myös sen pieni, 30 pikofaradin (pF) kapasitanssi 20 kilohertsin (kHz) taajuudella, jonka ansiosta se sopii hyvin nopeisiin datalinjoihin. Laitteen vuotovirta on pieni, alle 10 mikroampeeria (µA).

Standardien rooli

Suunnittelijoiden on toteutettava useita syöksyjännitesuojauksia (ja muita suojauksia) muun muassa järkevän suunnittelukäytännön ja pakollisten standardien vuoksi. Jotkin standardit ovat yleisluonteisia ja koskevat kaikkia tiettyyn käyttötarkoitukseen, kuten verkkovirtakäyttöön, tarkoitettuja laitteita, toiset taas koskevat tiettyjä sovellusluokkia, kuten lääkinnällisiä laitteita. Esimerkiksi UL, IEEE ja IEC laativat standardeja. Monet näiden järjestöjen standardeista on ”yhdenmukaistettu” eli ne ovat keskenään samanlaisia tai lähes samanlaisia.

Standardit ovat monimutkaisia paketteja, joihin liittyy monenlaisia määräyksiä. Niissä määrätään myös poikkeuksista tiettyjen sellaisten tilanteiden varalle, joissa tietyt vaiheet tai ominaisuudet voidaan jättää pois, sekä joissakin toisissa tilanteissa sovellettavista lisävaatimuksista. Esimerkiksi sekä standardissa IEC 60950-1, ”Information technology equipment – Safety”, että standardissa UL/IEC 62368-1, ”Standard for Audio/video, information and communication technology equipment - Part 1: Safety requirements” (joka korvasi vuonna 2020 standardin IEC 60950-1), edellytetään, että metallioksidivaristorin nimellisjännite on vähintään 125 % laitteen nimellisjännitteestä. Näin ollen metallioksidivaristorin nimellisjännitteen on 240 voltin (RMS) verkkovirtapiirissä oltava vähintään 300 volttia (RMS).

Tyypillisessä Yhdysvalloissa käytettävässä verkkovirtapistokkeessa on kaksi tai kolme piikkiä. Kolmijohtimisessa versiossa on teoriassa suojamaadoitus, mutta käytännössä maadoitusta ei usein ole kytketty tai sitä ei ole käytettävissä. Aidon maahan kytketyn suojamaadoituskytkennän puuttuminen voi aiheuttaa vaaratilanteen, kun käytössä ovat vain vaihe- ja nollajohdin. Tällöin tuotteeseen on lisättävä suojauskomponentteja, jotka estävät sähköiskun käyttäjien koskiessa johtavia osia, joiden pitäisi olla maadoitettuja, mutta jotka tosiasiassa ovat maadoittamattomia. Tässä tapauksessa metallioksidivaristorin pieni vuotovirta voi kuitenkin aiheuttaa sähköiskun vaaran.

Metallioksidivaristorin vuotovirran aiheuttama vaara estetään yleisimmin kytkemällä metallioksidivaristorin kanssa sarjaan vähintään yksi GDT (kuva 10). IsoMOV tarjoaa sekä MOV-komponentin että GDT-komponentin ominaisuudet yhdessä tilaa säästävässä kotelossa. IsoMOV auttaa näin ollen myös ratkaisemaan ongelmia ja helpottaa standardissa UL/IEC 62368-1 esitetyn turvallisuusvaatimuksen täyttämistä.

Kuva 10: Maadoittamattomaan sovellukseen liittyy väistämättä sähköiskun vaara. Se voidaan poistaa kytkemällä MOV ja GDT sarjaan verkkovirran vaihe- nollajohtimen väliin. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Kuva 11: Erillisen MOV-komponentin ja GDT-komponentin sijaan voidaan käyttää yhtä IsoMOV-komponenttia, joka tarjoaa saman tai paremman suorituskyvyn paljon pienemmässä kokonaisratkaisussa. (Kuvan lähde: Bourns, Inc.)

Yhteenveto

Suunnittelijat joutuvat usein päättämään, mikä ratkaisu on ”paras”. Päätös on harvoin yksinkertainen ja selkeä – yleensä jostakin joudutaan tinkimään. Yleisesti ottaen ylijännitesuojauksessa kytkevät ratkaisut ovat parempia pitkäaikaisissa vikatilanteissa, kun taas jännitettä rajoittavat ratkaisut sopivat paremmin transienteille tapahtumille. Molempien laitteiden käyttö vaatii kuitenkin enemmän tilaa ja vaikeuttaa piirilevyn suunnittelua.

Kompromisseja ei kuitenkaan ole pakko tehdä. Bournsin IsoMOV-komponenttien käyttöikä on paljon pidempi kuin pelkän MOV-komponentin, eikä niihin liity GDT-komponentin jälkivirtaongelmia. Nämä pienet komponentit tarjoavat syöksyjännite- ja ylijännitesuojauksen sovellettavien standardien vaatimalla tavalla. Lisäksi niiden pieni vuotovirta minimoi jälkiongelmat, ja ne sopivat erittäin pienen kapasitanssinsa ansiosta nopeiden matalan jännitteen virtapiirien suojaukseen.