保护 REA 免受网络中的高压冲击。方案、说明

保护电子设备免受网络中高压脉冲的影响。无线电电子电气工程百科全书

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作者介绍了大多数读者鲜为人知的问题 - 保护家用设备免受 400 V 供电网络中的单一高压（超过 220 V）电压脉冲的影响，讨论其实施方案，并报告工业生产的保护装置组件。

对于专家来说，220 V x 50 Hz 交流供电网络中存在达到 1000 V 或更高的电压脉冲并不是新闻。对于广大电力消费者来说，这些冲动是一个启示。本文讨论了保护设备免受网络中出现的持续时间从十分之一微秒到几毫秒的脉冲影响的可能性。较长的电压浪涌（超过 50 Hz 正弦波的半周期）可通过此处未介绍的其他方法消除。这些脉冲出现的原因各不相同，并在文献中进行了描述，例如[1]。

供电网络中的高压脉冲能量可达数千焦耳。使用 LC 和 RC 滤波器、网络变压器绕组之间的屏蔽以及其他方法来降低电源电路中的脉冲噪声的众所周知且广泛使用的方法通常不能在微电路的电源引脚处提供必要的脉冲能量降低。值得注意的是，能量高达毫焦耳的脉冲实际上会到达微电路，这很有可能损坏设备。

用于限制电子设备的各种电路中、特别是配电网络配电板上的脉冲水平的其他已知方法涉及气体放电和半导体器件的使用。气体放电装置，在实践中通常称为火花隙，由于其速度相对较低并且相当笨重，因此并不总能提供所需的结果。

广泛用于降低脉冲噪声的半导体器件包括金属氧化物压敏电阻、通用半导体器件和特种半导体限压器。压敏电阻是具有急剧非线性电流-电压特性的电阻器；其电阻随着施加电压的增加而显着降低。通用半导体器件是指齐纳二极管、脉冲二极管和肖特基势垒二极管以及防护二极管。

对于特殊的半导体限压器（将进一步讨论），其电流-电压特性与齐纳二极管类似。它们与齐纳二极管和其他通用半导体器件的主要区别在于它们耗散大脉冲功率的能力。现代压敏电阻虽然在响应时间方面略逊于所考虑的限制器，但在可制造性和成本方面与它们竞争。然而，压敏电阻的特性在暴露于每个干扰脉冲后一段时间内会恶化。半导体限幅器则没有这种现象。考虑到保护电子设备需要具有最大速度和特性稳定性的器件，因此应优先考虑。

美国GSI公司在90年代初生产了上千种半导体限压器，最大允许脉冲功率可达60kW，限压电压为0,7～3000V。目前同类限压器的功率可达CIS 还生产 30 kW 的功率，电压范围为 3...1000 V。

限制器的工作原理是，如果施加到其上的反向电压超过阈值电平，则打开其闭合的 pn 结。换句话说，限制器的行为与齐纳二极管类似，但其中的隧道雪崩过程的特点是只有多数载流子携带电荷，因此不存在少数载流子的不必要的积累。这主要负责限制器的高性能。

限幅器的电流-电压特性(CVC)如图1所示。 XNUMX. 与齐纳二极管一样，它是不对称的。

保护 REA 免受网络中的高压冲击

为了限制两个符号的脉冲，可以方便地将两个限制器背对背串联。该对的电流-电压特性是对称的（图2）。

保护 REA 免受网络中的高压冲击

商业化生产的半导体限压器通常根据以下特性进行评估：

Rimp max - 给定脉冲形状和占空比 (K3) 以及环境温度 Tam.avg 下的脉冲最大允许功耗。该参数的值通常针对对数级别 1 ms 的指数脉冲持续时间来指示。脉冲最大值，上升时间为10μs，K3小于0,01%，确保晶体或器件主体消耗的平均功率不超过允许值；
Irev max——最大反向电压下流过的反向最大电流；
Urev max——反向最大电压，不应超过工作值（此时不应限制工作电压）； UobP max 的值通常取等于器件开启电压的0,8；
Uopen和Iopen——器件开启电压和电流，对应于电流-电压特性工作支路上的拐点；
极限。 imp——限制电压——限制脉冲电流最大值时的脉冲反向电压，取决于最大允许脉冲耗散功率；
Ipr.imp.max——直接脉冲最大电流——给定形式、填充因子和环境温度下允许的正向电流；
Upr.imp.max - 电流 Ipr.imp.max 时限制器两端的直接脉冲最大压降；
Cogr - 限制系数等于比率 Ulim。 imp 最大/Uopen； Kogr 的变化范围为最大脉冲功率 Rimp max 时的大约 1,3 到 1,2 Rimp max 时的 0,5；
ton - 设备向相反方向打开的切换时间（对于对称限制器 ton < 10-9 s）。

根据这些特性的值，消费者可以选择保护电子设备所需的电压限制器。对称（双臂）限制器连接到与有效负载并联的交流网络。正常网络模式下，其双臂均闭合，两个半周期仅有很小的反向电流流过。换句话说，限制器不会以任何方式暴露自己，消耗一些非常小的功率（百分之一瓦）。

一旦网络中出现高压电压脉冲，超过限幅器的Uopen，其双臂就会打开，一个正向，一个反向。这样，脉冲就会被阻挡，此时的负载电压不会超过Ulim。

应该注意的是，Rimp max 的值取决于熄灭脉冲的持续时间，并且在 τi = 0,1...10 ms 范围内，大约与比率 1/τi 成正比。随着环境温度 Tamb 的升高。平均从 40 СС 到 100 СС，最大 Rimp 耗散功率必须大约按 0,024 Tamb 的比例降低。星期三

为了降低从 220 V 网络到微电路电源引脚的路径上的高压脉冲幅度，最好在电源中包含限制器 [2]。

如果电源网络中出现脉冲，其能量大于所应用的限制器的允许极限，则它就像稳定电流太大的齐纳二极管一样，会过热并发生故障。从这一刻起，连接到网络的设备将不再受到保护。

因此，使用限制器的一个显着缺点是缺乏有关其在受到强大脉冲后的性能或故障的信息。为了指示对称限幅器的工作状态，它由两个单片组成，并连接三个否决二极管和两个限流电阻的电路（图3）。

保护 REA 免受网络中的高压冲击

健康指示器的一个特点是在非标准模式下使用 LED。如果限幅器VD1、VD2工作正常，且网络电压半周为正（图中上部网线上的正-），则电流自由流过限幅器VD1，正向断开，流过限幅器VD1。 LED HL2。此时限制器VDXNUMX关闭。

因此，几乎所有电源电压都以相反的方向施加到 HL3R2 电路和否决二极管。因此，LED HL3 朝相反方向打开*；通过它的电流受到电阻器 R2 的限制。这样，大约2mA的电流从正极线流向负极线流经整个电路。这足以确保“绿色”LED HL1 发出明显的光芒。 HL2 LED 不亮是因为施加到 HL2R1 电路的电压过低（小于 3 V）。

当网络电压极性改变时，也会发生相同的过程，只是VD1和VD2、R2和R1、HL3和HL2交换位置。也就是说，限制器的可用性通过指示器的绿色信号来确认。在一些情况下，所描述的指示器可以同时用作电源电压存在的指示器。

很容易看出，如果限制器VD1出现故障（断线），“绿色”LED HL1熄灭，“红色”LED HL2亮起，如果限制器VD2损坏，“红色”LED HL3亮起。

所描述的模块名为 ZA-0，由 JSC“计算机技术和工业电子”（莫斯科）与 NPK“Kvark”（塔什干）共同开发，并投入批量生产。模块外观如图（图4）所示。

保护 REA 免受网络中的高压冲击

模块的主要特点

环境温度25℃时脉冲最大允许功率，kW，不小于……1,5
环境温度25℃时分闸限制器交流电压幅值V（分闸电流1mA）......400±20
限制系数，......1,2...... 1,3
LED的光强，mcd，不小于...... 0,5
在没有高压脉冲的情况下从网络消耗的功率，W，不再......0,5
外壳尺寸**，mm，不超过......32x12x10
重量，g，不超过...... 10

模块主体由塑料通过铸模制成。根据 GOST 4.2，气候调节 UHL 放置类别 15150。在防电击保护方面，根据 GOST 2757.0，该产品属于 II 类。

ZA-0 模块除了安装在 REA 电源中外，还建议广大用户和无线电爱好者在实验室、办公室和公寓中使用，以保护插入 220 V 交流电源插座的工业和家用电子设备为此，开发了一种可选产品，命名为ZA-01。在这里，模块主体配备了标准引脚，可以将其插入房间内任何空闲的插座。

ZA-0保护模块的开发得到了“能源电子”科学技术基金会的批准，协助开发了产品的量产。

功率为 5 kW (ZA-1) 和 30 kW (ZA-2) 的保护模块以及带插头的这些产品版本（ZA-11 和 ZA-21）正在投入生产。这些模块应该用于一千瓦半模块无法承受高压网络脉冲的情况。还开发了用于保护直流网络的模块，设计用于 1,5 至 30 kW 的脉冲功率和 6,8 至 450 V 的开启电压。

在使用ZA-0防护模块及基于其的产品的第一阶段，供应商将为客户免费更换故障模块。如果模块再次出现故障，我们将建议消费者购买功能更强大的设备。如有必要，JSC“计算机技术和工业电子”（莫斯科电话：330-06-38）将对消费者网络进行研究，并提出保护电子设备的建议。

* LED（以及许多其他电子元件）的这一特性早已被无线电业余爱好者注意到、研究和广泛使用。例如，参见 I. Nechaev 的文章“LED 作为齐纳二极管”，载于“Radio”，1997 年，第 3 期，第 51 页。 XNUMX.

** 不包括引线长度 - 9... 12 mm 和突出 LED 外壳的高度 - 3... 5 mm。

文学

Cherepanov V.P.、Khrulev A.K.、Bludov I.P. 用于保护电子设备免受电气过载影响的电子设备。目录。 - M.：无线电和通信，1994 年（第 17-21 页）。
Kolosov V.A. 固定电子设备的电源。设计理论与实践。 - M.：无线电和通信，1992 年（第 111、112 页）。

作者：V. Kolosov，莫斯科，A. Muratov，塔什干，乌兹别克斯坦

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