В якості причини виходу радіоапаратури з ладу в 80 … 90% випадків є імпульсні скачки напруги в мережі. А так як усунути причину появи таких викидів неможливо, доводиться вживати заходів для індивідуального захисту кожного радіотехнічного пристрою. Метою даного розділу є не тільки познайомити читачів з теорією і основними методами виконання активної швидкодіючої захисту від високовольтних імпульсних перешкод (перенапруг), але і навчити, як можна, використовуючи сучасну елементну базу, самому зробити такий пристрій для різних застосувань.

Види перешкод та принцип роботи захисту

Високовольтні викиди напруги нерідке явище в будь провідної лінії. Причому мова йде не тільки про побутову живильної мережі. Це буває і в телефонних дротах, кабельної або комп’ютерної інформаційної лінії. За даними зарубіжних досліджень, проведених виробниками радіоапаратури, в живильної мережі бувають імпульсні викиди напруги амплітудою до 6000 В не менше 12 разів на місяць, у Водночас при самих несприятливих умовах це напруга може досягати 20 кВ і більше (в США щорічний збиток від виходу з ладу обладнання при імпульсних перевантаженнях становить близько 10 мільярдів доларів). У наших мережах, згідно процитованими даними досліджень [21], ситуація йде не краще. Причиною таких перевантажень можуть бути природні явища (удар блискавки), технічні несправності промислового обладнання, перехідні процеси, що виникають при перемиканні потужної навантаження, що має ємнісний або індуктивний характер, і багато інших. Більш рідкісної причиною появи підвищеної напруги є коротке замикання низьковольтної ланцюга на високовольтну, наприклад в результаті обриву проводів.

Блискавка є найбільш потужним і небезпечним 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 це напруга потрапить в дроти, заздалегідь передбачити неможливо, так як зазвичай лінії мають більшу протяжність, до того ж їх кількість постійно збільшується. Встановити скрізь елементи захисту (або громовідводи) просто неможливо. Це призводить до щорічного збільшення втрат від перенапруг, що викликають пошкодження устаткування або збої в його роботі.

Не меншу небезпеку можуть представляти комутаційні перешкоди, які виникають при коротких замиканнях, обривах або різкій зміні опору навантаження, викликаному іншими Причинами (Перемиканням). Наприклад, при подачі напруги на вхід трансформатора потужністю 800 кВт в проводах виникає комутаційний імпульс тривалістю близько 0,5 мкс і амплітудою до 4 кВ, який далі поширюється до споживачів. До цієї ж групи можна віднести і перешкоди від електрифікованого транспорту. Комутаційні перешкоди виникають при включенні будь навантаження, наприклад люмінесцентної лампи або кондиціонера.

Як правило, звичайне електротехнічне обладнання вже розраховано на вплив невеликих короткочасних перевантажень по напрузі (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 запобіжники.

Джерелом великої напруги (кілька кіловольт), що надходить на вхід приладу, може стати і сама людина через статичних зарядів, накопичених на тілі від електризується одягу. Думаю, що кожен стикався в житті з такими розрядами (у вигляді легких уколів) при торканні рукою струмопровідної поверхні.

Для ушкодження переходу база-емітер у біполярного транзистора зазвичай буває достатньо невеликого напруги (10 В), а для польових більше 20 В. Усього ж накопичений заряд у людини, при самих несприятливих умовах, може досягати значень більше 10 … 15 кВ. Якщо не вжити спеціальних заходів захисту, більшість мікроелектронних виробів виходять з ладу при впливі 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 електризується одязі, а тіло є просто провідником) можна розрахувати за формулою:

   

де С – ємність людини, зазвичай вона складає близько 150 пФ;

U – накопичене 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 опису їх характеристик).

Енергія (в джоулях), яку несе імпульс перешкоди, визначається через його площа 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 її електризація і накопичення зарядів. Експериментальні дані, наведені в [Л20] показують, що, скориставшись гребінцем, ми заряджаємося до потенціалу 1000 В, а просто знявши светр з ворсом – до 3 … 5 кВ.

Саме цю енергію у вигляді тепла повинен розсіяти елемент захисту без всяких пошкоджень для себе. Для вказівки енергетичних можливостей захисту досить часто використовують джоулі (Дж), що більш зручно, 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.

   

Рис. 1.1. Вид стандартної форми імпульсу (зменшення струму відбувається по експоненті), використовуваного при випробуваннях для стосунки тривалості фронту до його ширини на рівні 0,5:

tф / tі = 8/20 мкс

Якщо ж вивчати проблему боротьби з перешкодами більш докладно, то слід знати, що, звичайно ж, існують і інші форми перешкод, але тут ми їх розглядати не будемо, так як вони несуть меншу енергію і менш небезпечні для радіоапаратури з точки зору її пошкодження.

Всі електронні пристрої вимагають прийняття спеціальних заходів захисту для обмеження до безпечної величини будь-яких перенапруг, що виникають в ланцюзі живлення або на входах (виходах). Причому, крім можливості розсіяти потужність перешкоди, однією з важливих параметрів є час спрацьовування захисту – від нього залежить ефективність схеми. Електромеханічні захисні пристрої через свого низької швидкодії для захисту від імпульсних перешкод неефективні – час спрацьовування струмових автоматів зазвичай буває більше 10 мс, а для потужних пускателей перевищує 0,2 с.

Принцип роботи всіх пристроїв швидкодіючої захисту полягає в закороченні ланцюга проходження сигналу перешкоди і розсіюванні наявною у неї енергії на захисному елементі, для чого він підключається паралельно відповідного кола.

Слід зазначити, що дорога радіоапаратура вже має всередині елементи захисту від перенапруг (першими їх почали використовувати військові), але часто можливості таких вузлів по розсіюванню потужності перешкоди бувають обмеженими. Тому буває доцільно використовувати ще й багатоступеневу зовнішній захист. В побутову ж радіоапаратуру, з метою зниження її вартості, вузли швидкодіючої захисту зазвичай не встановлюються, а все йде на рівні застосування однокаскадних LC або RC-фільт-трів, які можуть тільки трохи зменшити амплітуду викиду.

Як вже було сказано вище, виконання захисних пристроїв актуально не тільки для вітчизняних, але й зарубіжних мереж. Там існують досить жорсткі норми по швидкодії різних видів захисту, а з січня 1996 року Європейським комітетом з стандартизації (CENELEC) введені стандарти, які забороняють продаж деяких видів апаратури на ринку ЄС без вбудованих елементів, що забезпечують захист від перенапруг.

Багато фірм у нас в країні і за кордоном займається випуском від окремих радіодеталей для цих цілей до вже готових модулів або захисних вузлів, виконаних у вигляді закінченої конструкції. Крім вітчизняних виробників (Прогрес, Інтеркросс та ін), ряд великих закордонних фірм (General Semiconductor, S + M Epcos, SGS-Thomson, Harris, Motorola, Remtech, Krone, General Instruments (Gl) і багато інших) займається випуском широкого переліку захисних компонентів. Попит на таку продукцію досить великий. Адже сьогодні створити надійне електронний пристрій без їх застосування просто неможливо. Тому ми спочатку більш детально познайомимося з сучасною елементною базою, яка застосовується для цих цілей.

Використовувана елементна база

В якості основних компонентів в пристроях швидкодіючої активного захисту радіоапаратури застосовують наступні:

1) розрядники: повітряні і газонаповнені (газоразряднікі);

2) варистори;

3) діоди TRANSIL, TRISIL і TVS (сапрессори);

4) спеціальні електронні модулі протекторів (protector).

Вибір конкретного типу залежить від швидкодії обладнання, яке захищається і допустимої потужності перевантаження, а також необхідної смуги пропускання лінії (зменшення вноситься ємності елементами захисту особливо важливо для високочастотних кабелів, а також в цифрових каналах передачі інформації).

Відкриті повітряні розрядники в радіоапаратурі застосовуються все рідше, так як у них параметри сильно залежать від стану навколишнього середовища (температури, атмосферного тиску та вологості повітря між електродами), що знижує надійність такого вузла.

Робота газоразрядніка (часто званого просто “розрядник”), так само як і повітряного розрядника, заснована на принципі іонізації газу, що знаходиться між електродами і появи дугового розряду, коли напруга збільшиться вище фіксованої порогової величини. При цьому за короткий час (приблизно 1 … 2 мс) опір в ланцюзі розрядника падає з 100 … 10000 МОм до одиниць мОм, і йде по проводах лінії імпульс буде закорочений. Короткочасний струм розрядника може становити значну величину (10 … 100 кА), а поки він замикає ланцюг, залишкове напруга між електродами в різних типів складає від 25 до 150 В.

Найбільш наочно дію газоразрядніка, застосовуваного для захисту радіоапаратури, показує діаграма, наведена на рис. 1.2. Вона пояснює роботу розрядника на змінній напрузі при появі імпульсної перешкоди. Максимальна напруга (Umax), при якому 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.