Am dori să ne gândim că sursele de alimentare AC sau DC pe care le folosim pentru alimentarea circuitelor noastre sunt surse curate și bine reglate. Dar, comutarea sarcinilor inductive AC sau comutarea contactelor releului DC și a motoarelor DC, ca parte a unui proiect de microcontroler, toate combină pentru a produce o calitate a alimentării cu energie care este dificil de întreținut.

Aceste tranziții de comutare inductivă apar atunci când o anumită formă de sarcină inductivă sau reactivă, cum ar fi un motor, o bobină solenoid sau o bobină de releu, este comutată off brusc. Căderea rapidă a câmpului său magnetic induce o tensiune tranzitorie care se suprapune peste alimentarea la starea de echilibru. Aceste tranziții de tensiune de comutare inductivă pot ajunge la 1000 de volți.

Tranzițiile sunt niște trepte de tensiune foarte abrupte care apar în circuitele electrice datorită eliberării bruște a unei energii stocate anterior, fie inductivă, fie capacitivă, ceea ce duce la crearea unei tranziții de înaltă tensiune sau la o supratensiune. Această eliberare bruscă a energiei înapoi în circuit datorită unei anumite acțiuni de comutare creează un vârf de tensiune tranzitorie sub forma unui impuls abrupt de energie, care poate fi teoretic de valoare infinită.

Acest vârf ridicat de comutare tranzitorie dv/dt poate exista fie pentru o perioadă foarte scurtă de timp (milisecunde sau microsecunde), fie el poate să apară atât de des pe perioade scurte de timp, de exemplu, aleatoriu, de două sau trei ori pe zi.

Trebuie să ne dăm seama că tranzițiile de tensiune nu pornesc întotdeauna la zero volți sau la începutul unui ciclu, dar pot fi suprapuse pe un alt nivel de tensiune. În orice caz, tranzițiile sunt rele, deoarece pot deteriora echipamentul electronic și, prin urmare, trebuie să fie suprimate și controlate.

Dispozitivele de suprimat tranziții pot lua mai multe forme de la contacte cu arc, la filtre, la dispozitive semiconductoare. Dispozitivele de suprimare tranziții, semiconductoare discrete, cum ar fi varistorul cu oxid de metal sau MOV (Metal-Oxide Varistor), sunt de departe cele mai comune deoarece sunt disponibile într-o varietate de ratinguri de absorbție a energiei și de tensiune care fac posibilă exercitarea unui control strict asupra tranzițiilor nedorite și potențial distructive sau asupra vârfurilor de tensiune.

Dispozitivele de suprimat tranziții pot fi utilizate în serie cu sarcina, pentru atenuarea sau reducerea valorii energetice a unei tranziții, împiedicând propagarea acesteia printr-un circuit sau pot fi utilizate în paralel cu sarcina pentru a îndepărta tranzițiile, de obicei la masă, și astfel a limita sau fixa tensiunea reziduală.

Atenuarea unei tranziții de tensiune este de obicei realizată utilizând filtre low-pass conectate în serie cu circuitul de sarcină. Atunci când apare o tranziție de tensiune, este de obicei un vârf în mișcare rapidă, de înaltă frecvență, astfel încât filtrul atenuează sau blochează această tranziție de înaltă frecvență, permițând în același timp componentei de semnal sau putere de joasă frecvență să continue neperturbată. Un bun exemplu de atenuator de tranziții este cordonul de prelungire filtrat la rețea.

Îndepărtarea unei tranziții este realizată, de obicei, folosind un dispozitiv de tip fixare-tensiune sau prin utilizarea a ceea ce este numit în mod obișnuit un dispozitiv de tip "crowbar". Aceste dispozitive conectate paralel au o caracteristică de impedanță neliniară, deoarece curentul care trece prin ele nu este liniar cu tensiunea pe terminalele lor, așa cum este dat de Legea lui Ohm.

Dispozitivele Crowbar sunt alt tip de dispozitiv de suprimare tranziții, care îndepărtează vârfurile de tensiune departe de un circuit, ca urmare a unei acțiuni de comutare-ON. Dispozitivele Crowbar sunt similare în funcționare cu o diodă zener, deoarece în condiții normale staționare nu au niciun efect asupra circuitului. Când se detectează o tranziție, ele comută rapid "ON", oferind o cale de impedanță foarte scăzută, care îndepărtează tranziția de sarcina conectată paralel.

Deci, dispozitivele discrete de suprimare tranziții pot fi împărțite în trei categorii de bază în funcție de tipul de conectare și de funcționare.

• Filtre Low Pass conectare serie (blocare).

• Fixatoare de tensiune și limitatoare de tensiune conectate paralel (șuntare).

• Dispozitive Crowbar conectate paralel (șuntare).

• iar acest lucru poate fi prezentat ca:

Dispozitive de suprimare tranziții

Filtre serie de suprimare tranziții

Tranzițiile pe o linie de putere AC poate varia de la câțiva volți până la peste câțiva kilovolți deasupra tensiunii normale de rețea. Dispozitivele de suprimare care atenuează sau blochează aceste tranziții utilizează circuite de filtrare pentru a elimina efectiv aceste tranziții născute pe rețea prin introducerea unui filtru de 100 Hz în serie cu sarcina conectată.

Componenta de frecvență a unei tranziții de tensiune comutată rapid poate fi mult mai înaltă decât frecvența fundamentală de mișcare lentă a sursei AC. Astfel, o alegere evidentă de a atenua și de a controla aceste tranziții nedorite este de a utiliza o secțiune de filtru low-pass între sursă și sarcină.

Filtrele low-pass, cum ar fi un filtru LC, pot fi utilizate pentru a atenua orice tranziție de înaltă frecvență și permit ca puterea sau semnalul de joasă frecvență să treacă neperturbate. Cea mai simplă formă de filtru de suprimare tranziții este aceea a unui filtru RC rezistor-condensator plasat direct pe linia de alimentare pentru a atenua orice tranziții de frecvențe înalte.

Filtrele destinate aplicațiilor de alimentare AC cuprind, în general, inductanțe și condensatoare pentru a forma filtre LC multietaje a căror grad de atenuare depinde de numărul de etaje LC din filtru. Un filtru de suprimare tranziții de rețea AC, conectat în serie, este prezentat mai jos.

Filtru tipic de suprimare tranziții

Acest filtru AC low-pass de bază cu două etaje asigură o pierdere mare de inserție între linie-linie și linie-masă în întreaga gamă de frecvențe oferind protecție eficientă la tensiuni tranzitorii prin oprirea oricărei tranziții de înaltă frecvență și a zgomotului de a ajunge la sarcina conectată. Aceste filtre pe alimentarea de rețea pot contribui la eliminarea oricărei interferențe de radio-frecvență sau a emisiilor emanate de sursa de alimentare.

Suprimarea tranzițiilor prin fixarea tensiunii

Fixatoarele de tensiune sunt utilizate pentru a limita amplitudinea unei tranziții pe un circuit. Un dispozitiv de fixare a tensiunii începe să conducă la depășirea unei tensiuni de prag prestabilite, apoi revine la un regim neconductor când supratensiunea scade sub nivelul pragului. Astfel, vârfurile de supratensiune sunt tăiate la un nivel sigur de dispozitivul de fixare.

Dispozitivele de fixare a tensiunii sunt, în general, plasate pe partea de alimentare și în paralel cu sarcina pentru a o proteja împotriva oricărei tranziții înalte de tensiune dv/dt nedorite. Un fixator de tensiune poate fi la fel de simplu ca o diodă zeneră pe o sursă DC, dar pentru surse AC bidirecționale trebuie să folosim MOV, diode supresoare sau rezistor dependent de tensiune (VDR) pentru protecția la supratensiune.

Rețineți că dispozitivele de fixare a tensiunii deviază curenții de supratensiune, nu le absorb ca în cazul unui filtru, așa că trebuie să aveți grijă cu calea folosită pentru a devia tranzițiile, să nu producă sau să creeze propriile ei probleme pentru circuit.

Suprimarea tranzițiilor cu dioda Zener

Diodele Zener sunt folosite pentru protecția surselor DC (unidirecționale), deoarece ele se comportă ca diode normale în direcția polarizării directe, dar străpung și conduc în direcția polarizării inverse. Astfel, tensiunea de străpungere inversă a diodei zener VZ poate fi utilizată ca nivel de referință sau de tensiune fixată.

În direcția inversă și sub tensiunea ei de străpungere zener VZ, dioda Zener prezintă o impedanță mare la sursă și conduce curent de scurgere foarte mic. Dar, atunci când tensiunea pe zener este mai mare decât tensiunea zener, acesta începe să străpungă, conducția sa crescând treptat, pe măsură ce crește tensiunea pe ea, prezentând o cale de impedanță foarte scăzută la tranziția de supratensiune.

Atunci când este conectată pe o sursă sau pe componentele protejate, dioda zener este efectiv invizibilă până când apare o tensiune tranzitorie, deoarece are o impedanță ridicată sub tensiunea de străpungere inversă și o impedanță scăzută deasupra ei.

Când zenerul se află în modul de străpungere al funcționării, adică atunci când suprimă o tranziție, dioda fixează instantaneu supra-tensiunea pentru a limita vârful la un nivel sigur și apoi revine la normal după ce tensiunea tranzitorie este sub tensiunea zenerului VZ. Deci, tensiunea de fixare VC este, prin urmare, egală cu tensiunea de străpungere inversă a zenerului. Datorită acestor caracteristici de fixare, dioda zener este utilizată pentru a suprima tranziții, deoarece fixează curenți potențial dăunători departe de sarcina protejată.

Curentul de supratensiune și capabilitatea de putere a diodei zener sunt aproximativ proporționale cu aria joncțiunii ei. Cele mai multe diode zener sunt proiectate să funcționeze la nivele scăzute de putere și tensiune. Diodele Zener concepute pentru a funcționa la nivele de tensiune mai ridicate și absorb curenții de supratensiune mai mari fără deteriorare sunt cunoscute sub numele de Avalanche Diode (diode de avalanșă).

Am spus mai devreme că o singură diodă zener poate fi utilizată numai pentru suprimarea tranzițiilor la sursele DC de stare constantă datorită caracteristicilor diodei polarizate direct. Dar prin conectarea a două diode zener "back-to-back" putem folosi caracteristicile lor de fixare într-o sursă AC bidirecțională.

Prin conectarea a două diode zener spate-în-spate putem acum să protejăm atât alternanța pozitivă de tranziții de supratensiune cu o diodă zener, cât și alternanța negativă cu cealaltă.

Dacă ambele diode zener au aceeași tensiune de străpungere inversă, atunci o tensiune tranzitorie a fiecărei polarități va fi fixată la același nivel de tensiune a zenerului deoarece o diodă zener va fi efectiv în modul său de polarizare inversă, în timp ce cealaltă va fi în modul de polarizare directă.

În timp ce două diode zener back-to-back pot fi utilizate pentru suprimarea tranzițiilor unei surse AC, dispozitivele de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) sunt disponibile cu joncțiuni opuse integrate într-un singur dispozitiv, făcându-le ideale pentru aplicații de putere AC. Diodele de avalanșă bidirecționale sunt disponibile într-o gamă de nivele de tensiune și putere.

Suprimarea tranzițiilor cu MOV

În timp ce diodele zener și diodele de avalanșă cu recuperare rapidă acționează rapid și eficient la supratensiunile de fixat, cea mai comună tehnică de suprimare a supratensiunii este utilizarea de varistoare sau MOV. Pe lângă tensiunile lor nominale înalte, MOV sunt capabile să manevreze curenți de supratensiune mult mai mari, fie într-un ritm mai lent, și pot fi utilizate atât în ​​liniile de putere DC, cât și AC, pentru a le proteja de extremele de tensiune, cum ar fi tranzițiile.

MOV este un rezistor semiconductor variabil, dependent de tensiune, care este plasat în paralel (șunt) cu sarcina sau componenta de protejat. MOV are o rezistență ridicată la tensiune joasă și rezistență scăzută la tensiune înaltă, iar caracteristicile lor neliniare tensiune-curent le fac utile în protejarea împotriva supratensiunilor și a tranzițiilor de supratensiune de pe liniile de putere.

MOV se comportă într-o manieră similară cu diodele zener back-to-back deoarece ele pot fi utilizate pentru fixarea bidirecțională a tensiunii, cu conducția tranziției crescând, pe măsură ce crește tensiunea pe el. Aceste tipuri mici din oxid de metal sub formă de disc de varistoare oferă tensiuni de străpungere ridicate în ambele direcții și pot absorbi cantități mai mari de energie, fiind adesea evaluate în jouli decât în ​​wați.

Fiind un dispozitiv de fixare a tensiunii, MOV oferă rezistențe foarte mari atunci când tensiunea la bornele sale este sub valoarea sa de străpungere predeterminată, acționând mai mult ca un rezistor dependent de tensiune (VDR). Când este expus la o tensiune tranzitorie ridicată a fiecărei polarități, caracteristicile electrice ale dispozitivului se schimbă, iar rezistența sa devine foarte mică, fixând tensiunea la un nivel sigur.

Atunci, scopul principal al varistorului cu oxid de metal, atunci când este utilizat ca dispozitiv de suprimare tranziții, este de a fixa tensiunea care apare pe el la un nivel sigur deoarece, în majoritatea aplicațiilor, dispozitivul este plasat în paralel cu circuitul sau dispozitivul care trebuie protejat.

Suprimarea tranzițiilor cu Crowbar

Un alt dispozitiv de suprimare tranziții conectat paralel (șunt) este cunoscut sub numele de protecție crowbar. Dispozitivele crowbar electronice conduc atunci când o tensiune de prag presetată este depășită, prin declanșare la o stare-ON conductivă care rezultă într-o cădere de tensiune de doar câțiva volți, de aici numele crowbar.

Dispozitivele și circuitele Crowbar creează efectiv un scurtcircuit atunci când se atinge o tensiune de declanșare și se găsesc frecvent în surse de alimentare stabilizate care au fost proiectate să producă o tensiune de ieșire fixă, de exemplu 12 V sau 5 V constanți, dar pot proteja un circuit sau sarcină de tranziții de supra-tensiune.

Circuitele crowbar active, bazate pe semiconductor, sunt plasate în paralel (șunt) cu sarcina și sunt capabile să atenueze curenți de supratensiune foarte mari. Tiristoarele sunt folosite, în general, în circuitele crowbar, deoarece au o tensiune scăzută în "stare-ON" și pot menține nivele de tensiune mult sub nivelul de avarie. Odată amorsate, acestea pot îndepărta o cantitate substanțială de energie tranzitorie la masă prin ele însăși, deoarece acționează ca un comutator de tip impedanță foarte scăzută.

Dezavantajul este că acest scurtcircuit poate determina funcționarea siguranțelor circuitului sau a întrerupătorului de circuit dacă nu este prevăzut un circuit suplimentar de comutare pentru a comuta "OFF" fixarea crowbar când este "ON", mai ales într-un sistem DC, deoarece sursa de alimentare este scurtcircuitată de dispozitivul crowbar și tensiunea de ieșire va fi, prin urmare, zero. Luați în considerare circuitul simplu crowbar de mai jos.

Aici este amplasat un tiristor sau SCR pe alimentare și sarcină cu circuitul divizor de tensiune stabilit de rezistoarele R1 și R2 setate pentru a polariza poarta tiristorului la un nivel suficient de scăzut pentru ca acesta să nu fie declanșat "ON" în timpul funcționării normale. Deci SCR este deconectat și neconductor.

Dar, atunci când o tranziție de supra-tensiune apare și crește peste un nivel predeterminat, căderea de tensiune pe rezistorul R2 crește și ea și devine suficientă pentru a declanșa poarta SCR în conducție care, la rândul ei, fixează tensiunea tranzitorie protejând sarcina. Problema aici este că, în timp ce sarcina este protejată de supratensiune, ea nu protejează alimentarea cu energie și, prin urmare, arde siguranța sursei de alimentare. Atunci, protecția sarcinii la tranziții, creată prin scurtcircuitarea sursei de alimentare, poate fi mai mare decât evenimentul care a declanșat-o.

Pe lângă utilizarea tiristoarelor, pentru protecția la supra-tensiune a surselor de alimentare AC, triacul poate fi utilizat ca dispozitiv crowbar și declanșat în conducție în mod similar. Avantajul utilizării tiristorului sau triacului pentru protecția crowbar a surselor AC este acela că ele vor comuta OFF automat la fiecare alternanță.

Deci, dacă o tranziție cu durată scurtă de o fracțiune de milisecundă declanșează dispozitivul crowbar, acțiunea de șuntare va scurtcircuita numai linia de putere AC la care este conectată pentru cel puțin o alternanță, care poate fi prea rapidă pentru arderea siguranței.

Suprimare tranziții cu Zener Crowbar

Putem îmbunătăți detectarea tranzițiilor si performanța circuitului crowbar de bază, de mai sus, folosind o diodă zener pentru a detecta o condiție de supra-tensiune. Aici circuitul divizor de tensiune rezistiv a fost înlocuit cu o diodă zener, așa cum este arătat.

Tensiunea de alimentare DC, VS este monitorizată prin dioda Zener, care acționează ca o componentă de detectare tranziție, și a cărui tensiune zener nominală VZ determină nivelul de tensiune la care SCR se aprinde. Când tensiunea de alimentare DC este mai mică decât valoarea nominală de polarizare inversă a diodei zener, dioda zener nu conduce astfel încât nu este aplicată nici o tensiune sau curent la poarta SCR, rămânând comutat "OFF", neconducând.

Dacă tensiunea de alimentare crește peste valoarea nominală de tensiune a zenerului ca în cazul unei tranziții de supra-tensiune, dioda zener începe să conducă permițând curentului porții să curgă în SCR, comutându-l "ON" și scurtcircuitând tensiunea de alimentare și arzând siguranța. Atunci, sarcina este protejată de tensiuni tranzitorii peste tensiunea zener VZ, deoarece dioda zener permite doar curentul de poartă pentru ca SCR să comute "ON", prin SCR circulând cea mai mare parte a curentului de șunt.

În timp ce acest circuit crowbar-zener este o îmbunătățire a rețelei divizoare de tensiune de bază, el suferă de o acțiune de comutare-ON ușoară, deoarece "genunchiul=knee" la tensiunea de străpungere a zenerului este mai degrabă curbată decât o creștere accentuată. Circuitul crowbar de bază poate fi modificat și îmbunătățit în continuare, prin adăugarea unui câștig de tensiune la circuitul de detecție și declanșare sub forma unui singur circuit amplificator sau a unui circuit A.O.

În acest scop, tiristoarele cu un declanșator de supra-tensiune încorporat au fost proiectate pentru protecție crowbar la trazienți și supra-tensiuni uni-sau bi-direcționale. Cum ar fi seria RCA SK9345 de crowbar IC care sunt proiectate să protejeze sursele de alimentare de 15 V, SK9346 care protejează surse de 112 V și SK9347 care protejează surse de 115 volți.

Toate utilizează un circuit integrat cu o diodă Zener încorporată, tranzistoare și un SCR. Circuitul MC3423 de detectare crowbar a supra-tensiunilor este un singur IC conceput pentru a fi utilizat cu un SCR crowbar extern.

Rezumat Dispozitive de suprimare tranziții

Pe măsură ce folosim mai multe dispozitive electronice în viața noastră de zi cu zi, suntem din ce în ce mai dependenți de dispozitivele de protecție împotriva supra-tensiunii, pentru rolul lor în protejarea echipamentelor noastre de vârfuri de tensiuni și supra-tensiuni. Supra-tensiunile tranzitorii sunt de obicei cauzate de circuite de comutare inductive sau capacitive care eliberează vârfuri bruște de înaltă tensiune.

Aceste vârfuri de tensiune și supratensiuni pot avea o energie înaltă pentru o perioadă scurtă de timp sau intermitent pentru perioade scurte de timp și sunt suprapuse peste o formă de undă de rețea AC.

Circuitele de protecție la supra-tensiune pot avea mai multe forme de la filtre conectate în serie care sunt proiectate să treacă tensiunile și curenții de frecvența liniei de alimentare în timp ce rejectează armonicile și zgomotul nedorite de înaltă frecvență, la circuitele de fixare și crowbar conectate în paralel care disipează supra-tensiunea la masă.

Cel mai simplu tip de filtru de linie-alimentare AC este un condensator plasat pe sursa de tensiune. Impedanța condensatoarelor se modifică rezultând atenuarea tranzițiilor de înaltă frecvență. În majoritatea aplicațiilor, dispozitivul de suprimare tranziții este plasat în paralel cu sarcina protejată sau în paralel cu unele componente de protejat.

Scopul principal al unui circuit de suprimare a tensiunii este de a fixa tensiunea la un nivel sigur. Cele mai obișnuite forme de dispozitive de fixare a tensiunii sunt varistoarele cu oxid de metal MOV și diodele Zener. MOV sunt cele mai potrivite pentru protejarea surselor AC bidirecționale de alimentare, în timp ce diodele zener sunt cele mai potrivite pentru sursele DC cu consum redus de energie.

Circuitele crowbar solid-state folosesc un SCR sau un triac deoarece un "crowbar" scurtcircuitează rapid tensiunea tranzitorie pe sursa de alimentare pentru a arde siguranța, ca protecție la supratensiune. Dispozitivele de protecție tranziție/supratensiune hibride combină crowbar cu un fixator, sau un fixator/crowbar cu un filtru, într-un singur modul și există multe combinații diferite posibile.

Circuit Crowbar