Защита от повышенного напряжения в сети: Методы защита сети от перенапряжения, видеоинструкция

Методы защита сети от перенапряжения, видеоинструкция

Перенапряжение – это превышение предельно допустимого уровня напряжения в сети на 10 и более процентов.

В зависимости от типа сети допустимые по нормативам значения варьируются в диапазоне:

• однофазная электросеть – от 198 до 242 вольт;
• трехфазная электросеть – от 342 до 418 вольт.

Если напряжения превышает данные показатели, то речь уже идет о перенапряжении сети и нужно принимать защитные меры.

Опасность перенапряжения

Опасность перенапряжение состоит в том, что оно может вызвать в сбои в работе электрического оборудования и привести к частичной или полной его поломке. Оно может стать причиной сгорания холодильников, стиральных машин, телевизоров, компьютеров и других бытовых приборов.

Стоит отметить, что поломка бытовой техники – это не самое страшное последствие перенапряжения. Оно может стать причиной возгорания помещения и человеческих смертей, поэтому важно использовать средства защиты и обезопасить домашнюю электросеть.

Причины возникновения перенапряжения

Наиболее распространенная причина перенапряжения – это отгорание или обрыв нулевого провода, что приводит к тому, что ток циркулирует между фазами и часть потребителей получает пониженное напряжение, а часть – повышенное.

Также часто причиной перенапряжения становится ошибка при подключении кабеля в распределительном щитке – нулевой провод включается на место фазного и в квартиру вместо положенных 220 вольт поступает 380.

Значительную опасность для сети представляет разряд молнии в линии электропередач. В результате ударе возникает импульсное перенапряжение, достигающее нескольких тысяч вольт. Бывают случаи перенапряжения из-за сбоев на электрических подстанциях.

Способы защиты от перенапряжения

Для защиты от повышенного напряжения используются следующие устройства:

• стабилизаторы напряжения;
• реле напряжения;
• ДПН+УЗО;
• УЗИП.

Остановимся на каждом устройстве подробнее.

Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы обеспечивают надежную защиту сети от перенапряжения. Если напряжение выходит за предельно допустимый диапазон, то стабилизатор отключает подключенную группу от сети. Когда напряжения нормализируется, то регулятор включает питание снова. Современные стабилизаторы комплектуются дисплеями, отображающими текущее напряжение и показывающими график его скачков.

В продаже можно встретить различные типы этих устройств:

• феррорезонансные;

• электромеханические;

Существуют различные схемы монтажа регуляторов. Оптимальный вариант – это установка устройства на каждый электроприбор, который необходимо защитить. Эта схема хороша тем, что для каждого потребителя можно подобрать подходящий по точности и мощности стабилизатор. Конечно, этот вариант и самый дорогой, поэтому чаще всего один стабилизатор устанавливается на группу или на всю квартиру. Его мощность рассчитывается путем суммирования мощности всех приборов.

Реле напряжения

Установка реле – это тоже довольно эффективный способ обезопасить домашнюю сеть. При больших перепадах напряжения, реле автоматически отключает потребителя, а при стабилизации – включает. Современные защитные реле выпускаются с микропроцессорами, которые позволяют проводить более тонкую настройку устройства.

Реле, как и стабилизаторы, можно устанавливать на отдельные приборы, на группы и на всю домашнюю сеть. При защите отдельного прибора, он подключается к реле, а оно уже к сети питания. При защите всего дома или группы приборов, реле устанавливается на распределительном щитке.

Датчик повышенного напряжения (ДПН) + устройство защитного отключения (УЗО)

ДНП – это датчик повышенного напряжения, а УЗО – устройство защитного отключения. ДНП проводит мониторинг работы сети и если значения напряжения превышают норму, то УЗО размыкает сеть.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)

УЗИП – это устройство защиты от импульсных напряжений. УЗИП применяется для защиты сети от импульсного перенапряжения, в особенности, от попадания молнии в ЛЭП. Устройство можно устанавливать, как на часть, так и на всю сеть.

В последнем случае УЗИП устанавливается возле каждого электрического потребителя и на вводе в электрический щит.

Видео

как реле обеспечивает защиту электроприборов, как защитить сеть 380 В

Электрические приборы сегодня присутствуют в каждом доме. Удобство их использования и срок службы напрямую зависит от подаваемого напряжения. Зачастую в бытовых сетях происходят скачки, из-за которых современная электроника выходит из строя. Уберечь её от поломок помогут специальные приборы, такие как реле защиты от перенапряжения, устройство защитного отключения и другие.

Причины и последствия перенапряжения

Сетевое перенапряжение может быть чревато поломкой дорогостоящих приборов. Есть несколько факторов, по которым величина напряжения в сети резко меняется:

• Неверное соединение проводов в щите. Случается это чаще всего из-за банальной невнимательности. Если подлежащие соединению провода были перепутаны, это приведёт к возникновению скачка.
• Разрыв нулевого провода. Именно он отвечает за то, чтобы в сети было правильное ровное напряжение без перепадов. Его разрыв непременно повлечёт за собой сбой, при котором один участок электрической цепи получит 220 В, а другой — 380 В.
• Просчёт операторов. В процессе работы на подстанциях иногда специалисты производят несогласованное регулирование подаваемого тока.
• Электропитание от одной линии. Такие линии обладают заводом очень большой величины. Когда всё оборудование, подключённое к ней, одномоментно запускается, внутри сети происходит резкий подъём тока.
• Природные факторы. В первую очередь к таким факторам относится гроза. Разряд молнии, попадающий в линию электропередач, провоцирует импульсное напряжение, достигающее десятков тысяч вольт. Чтобы не нарушить работу электрических приборов в такой ситуации следует в обязательном порядке обесточивать их во время грозы либо заранее позаботиться об установке молниезащиты.

Современные приборы, работающие от электросети, создаются с учётом возникновения небольшого перенапряжения. Если его величина не превосходит 1000 В, то благодаря встроенной защите поломки не случаются

. Но в случаях когда перепад превышает установленную норму, наступает короткое замыкание, проявляющееся в перегреве проводов, пробоях изоляционной оболочки, появлению искр. Подобная ситуация весьма опасна для человека.

Стабилизатор тока

Опасность короткого замыкания заключается в том, что оно может вызвать возгорание оборудования и пожар. Именно поэтому защита от перенапряжения сети 220 В, применяемого в быту, чрезвычайно важна. Для этих целей потребители часто используют стабилизатор напряжения. При его выборе необходимо учитывать следующие характеристики:

• Тип сети. По числу проводов они делятся на однофазные (с двумя проводами) и трехфазные (с четырьмя проводами).
• Мощность. Перед приобретением стабилизатора следует посчитать суммарную нагрузку всех устройств, которые планируется защитить. Показатель мощности защитного прибора должен на ступень превосходить полученное число.
• Пусковой ток. Этот параметр необходимо брать во внимание при защите устройств с асинхронными двигателями (насосов, холодильников). Для их бесперебойной работы требуется стабилизирующее устройство с запасом до 25%.

Что касается необходимого числа стабилизирующих приборов, то оно зависит от того, сколько электрических устройств работает в одной сети. Система, состоящая из 2−3 маломощных электроустройств, будет эффективно работать при наличии одного стабилизатора, встроенного в неё на входе.

Если в электросистему входит много мощных постоянно функционирующих дорогостоящих устройств, каждое из них придётся защищать отдельным стабилизатором.

Защитное реле и УЗО

Уменьшенным вариантом стабилизатора является реле защиты от перенапряжения. В зависимости от модификации оно может иметь вид:

• Удлинителя. Имеет несколько розеток, защищённых одним предохранителем.
• Электрической вилки (модель «Зубр»). Присоединяется к квартирной розетке, имеет цифровое табло, на котором высвечивается уровень напряжения в данный момент.
• Отдельного модуля, устанавливающегося на DIN-рейку в электрощитке (модель «Барьер»). Способен обезопасить всю технику в пределах одной квартиры (дома). Для этого его потребуется установить внутри распределительной коробки.

Все модели защитных реле имеют схожую схему работы и могут обезопасить как отдельное устройство (компьютера, телевизора и др.), так и несколько приборов. Преимущество реле перед стабилизатором заключается в быстроте его действия. Скорость срабатывания однофазного прибора в случае перенапряжения в сети 220 В составляет несколько наносекунд.

С помощью трехфазного реле может быть обеспечена защита от перенапряжения в сети 380 вольт, которое используется для работы городского транспорта (метро, трамваев, троллейбусов).

Ещё одна возможность обезопасить домашнюю электросеть — приобрести устройство защитного отключения (УЗО), отличающееся высоким качеством при достаточно невысокой стоимости. В процессе его работы происходит сравнение величины тока в фазном и нулевом проводнике. При наличии высокой разницы между показателями срабатывает автоотключение. Для полноценной защиты от опасных скачков тока УЗО должно дополняться специальным датчиком, сигнализирующим о перенапряжении и отключающим электропитание приборов.

Стабилизация сетей 380 вольт

Электросетям, работающим под напряжением в 380 В, отводится важная роль. С их помощью обеспечивается работа общественного транспорта (троллейбусов, электричек, метро), работают уличные фонари, электрифицируются частные дома в посёлках. Защита высоковольтных линий имеет свои особенности:

• Должно постоянно отслеживаться распределение электричества по фазам.
• Для предохранения от перепадов лучше использовать несколько однофазных приборов, чем один трехфазный. Таким образом удастся сохранить электропитание в сети при выходе из строя одного стабилизирующего прибора. Ремонт такого прибора обойдётся дешевле.
• Работа электродвигателей в высоковольтной системе должна быть защищена трехфазными стабилизирующими устройствами.

При выборе стабилизирующих агрегатов, обеспечивающих защиту высоковольтных систем, следует обращать внимание на их основные характеристики. Как и в случае с сетями 220 вольт, основными параметрами считаются мощность, скорость срабатывания, срок службы, удобный интерфейс, регулировка настроек, стоимость.

Универсальная схема защиты от понижения или повышения напряжения.

Всем привет, конструируя всевозможные, низковольтные конструкции, иногда возникает необходимость использования специальных узлов, которые защищают схему при превышении или понижении питающего напряжения.

Приведённая схема является очень универсальной и может быть использована например для контроля заряда на аккумуляторе, для защиты источников питания, в частности преобразователей напряжения от повышенного или пониженного входного напряжения.

Схему можно использовать, как в качестве датчика оповещения, так и внедрить в реальную конструкцию, например в преобразователь напряжения, который отключиться если питающее напряжение выше или ниже нормы.

Рассмотрим простой пример, у вас есть повышающий преобразователь на вход, которого нельзя подавать выше 16 вольт и ниже 9. Если подаваемое напряжение выше 16 вольт, может нарушиться работа определенных узлов, также это приводит к нарушению расчетного напряжения на обмотках трансформатора.

При низком же входном напряжении, менее 9 вольт, а такое может быть если аккумулятор разряжен, управляющее напряжение на затворах силовых ключей будет менее 9 вольт, что приведет к неполному отпиранию ключей, как следствие сопротивление открытого канала увеличивается, в итоге повышенный нагрев, а при большой нагрузке выход из строя силовых транзисторов.

Также, инвертор не снабжённой такой защитой, может разрядить аккумулятор в хлам и стать причиной выхода его из строя, из-за глубокого разряда. Любой серьёзный инвертор имеет защиту от повышенного и пониженного входного питания.

Рассмотрим схему и принцип её работы.

Имеем компаратор LM339 — это четыре отдельных компаратора в едином корпусе,

в нашей схеме я задействовал всего два канала, на остальных двух можно построить например защиту от коротких замыканий и перегрева.

Кстати компаратор LM339 можно найти на платах некоторых компьютерных блоков питания, микросхема стоит рядом с шин-контроллером.

Первая часть схемы обеспечивает защиту от повышенного питания,

выход компараторов дополнен транзистором, для управления нагрузкой, также данный транзистор является инвертором.

В коллекторную цепь транзистора подключается нагрузка,

звуковой индикатор, светодиод,

обмотка реле или полевой транзистор,

для управления более мощными нагрузками, если это необходимо.

Имеется источник опорного напряжения в лице стабилитрона ZD1, опорное напряжение через делитель в виде подстроечного многооборотного резистора R3 подаётся на неинвертирующий вход компаратора (7), на инвертирующий вход (6), через делитель подано часть напряжения, которое нужно мониторить.

Введите электронную почту и получайте письма с новыми поделками.

Компаратор отслеживает это напряжение, если оно по каким-то причинам становится больше, увеличивается и напряжение на инверсном входе, компаратор понимает, что между его входами напряжение изменилась и моментально выдаёт на выходе низкий уровень сигнала или массу питания.

Почему массу? Если посмотреть на внутреннюю структуру компаратора,

то всё становится ясно, внутренний выходной транзистор, обратной проводимости, подключён эмиттером к массе, при его отпирании на выходе получим массу питания.

Именно поэтому на выходе схемы я добавил дополнительный транзистор прямой проводимости, он сработает при наличие отрицательного сигнала на базе, а на его коллекторе мы получим плюс питания, то есть транзистор инвертирует сигнал и это нужно например для управления мощным N-канальным силовым мосфетом.

Вторая схема устроена и работает точно таким же образом,

только входы подключены наоборот, в данном случае компаратор сработает, если входное напряжение ниже выставленного порога.

По поводу порога срабатывания, его можно выставить путём вращения подстроечного резистора, по факту он меняет опорное напряжение.

Пример использования — защита от повышенного напряжения для отключения аккумулятора при полном заряде, если у вас есть не автоматическое зарядное устройство, оно может перезарядить аккумулятор, что может привести к плачевным последствиям.

Если устройство дополнить такой схемой, то достаточно выставить порог срабатывания равным напряжению полностью заряженного аккумулятора и устройство автоматически отключится, когда аккумулятор заряжен.

Приведенная схема может работать в достаточно широком диапазоне входных напряжений от пяти до тридцати пяти вольт, ограничено напряжением питания компаратора и токо-гасящим резистором для стабилитрона R1. Именно этот вариант с указанными компонентами рассчитан для работы в диапазоне напряжений, где-то от 6 до 20 вольт, я планировал использовать её для защиты мощного преобразователя напряжения.

Ток покоя схемы всего 10 миллиампер, срабатывает схема очень четко и мгновенно, порог срабатывания можно выставить с точностью до 100 милливольт.

Архив проекта с печатной платой — скачать.

Автор; АКА Касьян

Защита от перенапряжения в сети

Стандарт напряжения сети

Не всегда в нашей сети наблюдается напряжение равное 220 В, зачастую оно ниже нормы или значительно выше ее. Многие замечали тот момент, когда лампочки ярко вспыхивали или тускнели. По разным причинам электросеть может колебаться от 150 до 380 В и более.

Как результат такое изменение в сети приводит к поломке дорогостоящих электроприборов и техники. Куда дешевле поставить схему защиты от перенапряжения. Стандартное напряжение однофазной сети должно быть 220 В ±10% или 198 – 242 В. Стандарт трехфазной сети будет 380 В ±10% или 342 – 418 В, при которых гарантируется нормальная работа оборудования.

Причины перенапряжение в сети

1.Возможен вариант, когда «грамотный» электрик в домовом или подъездном электрощите вместо нуля N подключит другую фазу. Результат тот же – отказ техники и ламп освещения.

2.Гроза так же может вывести из строя всю вашу электротехнику. Перенапряжение в сети может достичь несколько тысяч вольт, при ударе молнии в линию электропередач. Поэтому во время грозы лучше отключать электроприборы от сети и желательно установить молниезащиту в доме.

3.Кроме того большие перепады в сети могут возникнуть во время работы электросварки, регулировки напряжения на подстанции, при нахождении рядом крупного завода с большим потреблением электроэнергии. Причин возникновения перенапряжения в сети достаточно много, которые могут еще привести к пожару, создать опасность для здоровья. Поэтому важно иметь защиту от перенапряжения в сети. Похожих устройств не мало, и установить их не трудно.

Устройство защиты от перенапряжения

Таких устройств защиты может быть много. Рассмотрим самые популярные из них – это стабилизаторы напряжения, реле напряжения с УЗО, для защиты от импульсных помех УЗИП.

Стабилизатор напряжения инверторный

1.Стабилизаторы напряжения устраняют перепады напряжения и стабилизируют его на выходе до 220 В ± 10%. На входе стабилизатора напряжение может меняться от 150 до 260 В. Однако релейные и симисторные стабилизаторы имеют шаг переключения обмоток трансформатора 8 В, поэтому каждый такой переход напряжения может отразиться как моргание ламп освещения.

Лучшим вариантом будет выбор инверторного стабилизатора, который плавно регулирует выходное напряжение, бесшумный и имеет порог стабилизации напряжения от 100 В до 300 В. Точность выходного стабилизированного напряжения 220 ± 5%. Установив такой стабилизатор можно не беспокоиться за превышение сети и за импульсное перенапряжение. При появлении сети все стабилизаторы автоматически включаются.

Реле контроля напряжения

2.Реле напряжения также хорошо отслеживает возникшие перенапряжения сети, и подает команду на УЗО, которое отключит сеть. Реле напряжения нужно ставить вместе с УЗО. Схема защиты от перенапряжения в сети на реле напряжения и УЗО можно легко поставить в квартирный или домовой электрощит.

3.Устройства защиты от импульсных помех или УЗИП хорошо справляется с импульсным перенапряжением возникших при грозе. Такая защита устанавливается на вводе сети в дом.

Как видите из этих устройств можно выбрать защиту от перенапряжения в сети и обезопасить свою электротехнику от поломок.

Как защита от перенапряжения обеспечивает электрическую безопасность дачи и частного дома

Продолжаем рассматривать с позиции электрика-домашнего мастера случаи возникновения грозовых разрядов, которые могут воздействовать на отдельно стоящее здание, нанося вред жилищу.

Будем считать, что оно оборудовано защитой. Если же ее нет, то ситуация еще больше осложниться.

Принципы работы молниезащиты описаны в предыдущей статье, посвященной электрической безопасности дачи и частного дома, когда создается блокирование проникновения высоковольтных разрядов внутрь здания и отвод их на потенциал земли.

Однако, часть их преобразуется или индуктируется, способна проникать через различные токопроводящие элементы внутрь дома. Вот с воздействием этих импульсов мы и будем разбираться в этой статье.

Что такое УЗИП

Устройства защиты от импульсных перенапряжений кратко называют УЗИП или ОПС (ограничители перенапряжения сети). Причем под термином «перенапряжение» для жилого дома понимают превышение номинальной величины 220 либо 380 вольт более установленного норматива.

Устранять подобные неисправности призваны также реле контроля напряжения, но они созданы для работы в других условиях, когда возникают аварийные ситуации в электрической системе подвода питания с повышением напряжения до 400 вольт. Для ликвидации высоковольтных импульсов они не предназначены.

УЗИП монтируют в вводном электрощите здания и подключают между вводом электроэнергии и главной заземляющей шиной. При возникновении последействий разрядов молнии на входном оборудовании происходит пробой, открытие схемы УЗИП и отвод перенапряжения через ГЗШ на потенциал земли.

Категории УЗИП

По месту установки устройства импульсной защиты от повышенного напряжения делят на 3 класса: I (B), II (C), III (D).

Класс I (B)

Защита предохраняет от проникающих через молниезащиту высоковольтных разрядов при ударах молнии в дом или питающую линию электропередачи. Ее устанавливают на вводном электрическом щите здания.

Работа УЗИП при разряде молнии в молниеприемник

При ударе высоковольтного импульса в молниеприемник он проходит по молниеотводу к контуру заземления, разветвляясь на два потока в месте подключения РЕ шины:

1. примерно 50% тока уходит на потенциал земли;
2. столько же идет на питающую линию, разделяясь на два дополнительных маршрута (при пробое УЗИП) через PEN проводник и фазный провод — 25/25%.

Сила молнии редко превышает 100 кА, поэтому рабочий ток УЗИП на 25 кА считается достаточным.

Работа УЗИП при разряде молнии в ВЛ

На питающей ВЛ и трансформаторной подстанции уже стоят собственные разрядники. Они срабатывают при высоковольтном ударе и срезают часть импульса перенапряжения. На УЗИП вводного щита дома поступит уже пониженная мощность молнии и через него тоже пойдет ток импульса, но только срезанный.

Как и в предыдущем случае, уменьшенный импульс молнии разойдется на контур земли и PEN проводник.

Если ВЛ находится в плохом техническом состоянии, то ее разрядники не сработают, а весь ток молнии поступит на ввод дома и пройдет через УЗИП. В этой ситуации защита здания, рассчитанная напряжение на 6 кВ, не выдержит повышенный потенциал разряда и сгорит.

Чтобы исключить подобную ситуацию необходимо:

• иметь четкое представление о техническом состоянии питающей ВЛ и ее защите;
• при плохом качестве линии добиться от электроснабжающей организации установки надежных разрядников на ближайшей к дому опоре, которые будут выполнять защитную функцию.

Класс II (C)

Осуществляется защита схемы токораспределения системы электропроводки здания при возникновении коммутационных помех. Дополнительное назначение — вторая ступень защиты от ударов молнии.

Монтируется в распределительном щите дома.

Класс III (D)

Выполняется дополнительная защита подключенных потребителей от оставшихся импульсов напряжения с фильтрацией помех высокой частоты.

Устанавливают около потребителей электроэнергии.

Классификация электрооборудования по рабочему напряжению

Практическими экспериментами выявлено, что через установленную молниезащиту при ее пробое в электрическую схему здания вероятность проникновения импульсов разрядов более 6 киловольт составляет около 10%. Этот показатель взят за основу расчета и проектирования электроприборов, создания защит от высоковольтного перенапряжения, как наиболее вероятного.

Устройства защиты от импульсного перенапряжения бытовой электрической сети создаются для работы с этими группами напряжений.

Категория электроприборов №1

Изготавливаются с изоляцией, обеспечивающей защиту от импульсов напряжения, не превышающих 1,5 кВ. Устанавливаются внутри электрических приборов, работающих со сложной электронной схемой или полупроводниковыми элементами.

Категория электроприборов №2

Изоляция защищает от импульсов до 2,5 кВ. Применяется для бытовых электрических приборов, электрифицированного инструмента домашнего мастера: дрелей, перфораторов и подобных устройствах.

Категория электроприборов №3

Создаются с защитой изоляции от импульсов до 4 кВ. Она устанавливается на розетках и выключателях, электродвигателях, электрических плитах, электропроводке, внутри распределительных щитов.

Категория электроприборов №4

Изоляция выдерживает проникновение импульсов до 6 кВ. Ею снабжаются автоматические выключатели, разрядники, счетчики электроэнергии.

Поскольку электрические приборы ГРЩ своей изоляцией способны сами выдерживать импульсы напряжения до 6 кВ, то их защиту с помощью УЗИП не выполняют. А вот все остальные бытовые потребители нуждаются в защите — снижении возникающих перенапряжений до 1,5 кВ, как минимум. Эту задачу УЗИП и обеспечивает.

Алгоритмы работы УЗИП разных стандартов

Первоначальные конструкции устройств защит от импульсного перенапряжения создавались для поэтапного снижения уровня высоковольтных разрядов с 6 до 4, 2,5 и 1,5 кВ. Они делились на 3 ступени, когда первая уменьшала уровень с 6 до 4, а третья — с 2,5 до 1,5.

Техническое развитие не стоит на месте. Сейчас производители освоили выпуск универсальных конструкций, которые способны совмещать в едином корпусе различные возможности УЗИП разных классов:

• I, II и III;
• I и II;
• II и III.

Если для эффективной работы защиты раньше требовалось между разными классами соблюдать дистанцию по монтажу УЗИП отличных моделей или размещать между ними дроссельные индуктивные сопротивления, то при использовании новых приборов эта необходимость отпадает.

При установке УЗИП в домашней сети необходимо:

Как выбрать УЗИП для частного дома

Последовательность действий домашнего мастера-электрика для правильного подбора устройств защиты от импульсного перенапряжения представлена картинкой.

Заостряем внимание на том, что установка УЗИП в доме бессмысленна и запрещена правилами при отсутствии:

1. надежного заземляющего устройства дома:
2. разрядников на питающей ВЛ и ТП.

Ко второму случаю следует отнести и плохое техническое состояние воздушной ЛЭП. Следует знать, что сейчас идет интенсивная замена открытых проводов ВЛ изолированными СИП (самонесущие изолированные провода). Такие линии называют ВЛИ.

Когда реконструкция ВЛИ выполнена на всем ее протяжении, а не на отдельных участках, прямой удар молнии в фазный провод практически нереален. Работает слой изоляции. Энергетики на подобных линиях усиленно следят за качеством разрядников, поддерживают их в рабочем состоянии.

Выбор схемы включения УЗИП для дома зависит от:

• системы заземления здания TN-C-S либо TT;
• местных условий жилища;
• способов подключения к ВЛ;
• наличия внешней молниезащиты.

Но, это материал очередной статьи, которая готовится к публикации. Подписывайтесь на рассылку, чтобы своевременно получить уведомление о ее выходе.

Для закрепления материала рекомендуем к просмотру видеоролик владельца Staaaarsky «Демонстрация работы УЗИП».

Более полную информацию предоставляет вебинар компании ABB «Устройства защиты от импульсных перенапряжений».

Возможно, у вас появились вопросы или желание прокомментировать статью. Воспользуйтесь подготовленной формой.

Сейчас самое благоприятное время поделиться прочитанным материалом с друзьями в соц сетях с помощью специальных кнопок.

Полезные товары

Ключевые преимущества операционных усилителей с защитой от перенапряжения на входе в системах

Краткое описание идеи

Вредные среды, которые встречаются во многих современных приложениях, требуют, чтобы интегральные схемы выдерживали высокое напряжение и ток. Разработчикам систем необходимо выбрать высокопроизводительные ИС для использования в этих агрессивных средах. Производители ИС указывают абсолютные максимальные характеристики для каждой интегральной схемы; эти характеристики должны соблюдаться для обеспечения надежной работы и соответствия опубликованным спецификациям.Что делать, если сильный сигнал или электростатический разряд (ESD) случайно попадает на любой вход операционного усилителя, который используется в передней части сигнальной цепи, связывающей датчики и сигналы реального мира? Подача напряжения на входные контакты, выходящего за рамки настройки источника питания стандартного усилителя, может быть способом повредить или разрушить операционный усилитель.

Большинство операционных усилителей имеют внутренние диоды защиты от электростатического разряда на входных контактах (рис. 1), позволяющие работать с ИС на этапе сборки печатной платы. Эти диоды небольшие, чтобы минимизировать емкость и утечку, и не предназначены для выдерживания постоянных входных токов, превышающих несколько миллиампер. Внутренние p-n-переходы к устройству возбуждают и позволяют току течь от входов к источникам питания, когда входной вывод операционного усилителя находится примерно на ± 0,5 В выше / ниже шин питания. Этот ток короткого замыкания может быстро возрасти до опасного уровня, если его не ограничить. Опытные разработчики плат научились использовать схемы защиты, чтобы предотвратить необратимые повреждения в таких непредвиденных ситуациях. Но добавление схемы внешней защиты перед высокопроизводительными ИС приведет к ошибкам и ухудшит характеристики всей схемы.

Рисунок 1. Типовая защита входных контактов операционного усилителя

Отсутствие схемы защиты может привести к повреждению. Как уже упоминалось, эти внутренние диоды ESD позволяют входам немного подниматься выше и ниже источников питания (обычно на один V _BE ) перед включением. Но это падение V _BE зависит от процесса и температуры и может варьироваться от детали к детали. На рисунке 2 показана температурная зависимость внутренних диодов CMOS AD8646.

Рис. 2. Прохождение тока начинается при различных уровнях перенапряжения в зависимости от температуры

Итак, как разработчики систем должны защищать свои операционные усилители в приложениях общего назначения? Общий совет по ограничению силы тока, протекающего в деталь при включении ESD-диода, заключается в добавлении внешнего последовательного резистора за счет дополнительных тепловых шумов и других негативных факторов, о которых будет сказано далее в статье.Для обеспечения оптимальных характеристик постоянного и переменного тока также рекомендуется сбалансировать уровни импеданса источника. Кроме того, если есть вероятность того, что входное напряжение может превысить любой из источников питания более чем на VBE, разработчикам рекомендуется защищать свои схемы диодами Шоттки, MOV или протекторами каналов. На рисунке 3 ниже показана традиционная схема защиты от перенапряжения и сверхтока с помощью внешнего последовательного резистора и диодов Шоттки.

Рисунок 3. Типичная рекомендуемая схема защиты для приложений общего назначения

Диоды

Шоттки включаются быстрее, чем внутренние диоды, поэтому внутренние блоки никогда не достигают своего порогового значения. Отвод токов короткого замыкания извне устраняет потенциальное напряжение, защищая операционный усилитель. RS выбран так, чтобы максимальный ток не превышал 5 мА для худшего случая V _IN .

Хотя рекомендованная выше схема защиты хорошо работает для приложений общего назначения, она не подходит для высокоточного преобразования сигнала.Добавленные извне компоненты вносят ошибки в тракт прохождения сигнала, уменьшают общую схему преобразования сигнала и ухудшают точность измерения. Например, ошибки, вызванные введением внешнего ограничивающего последовательного резистора, e _nTOTAL , включают тепловой шум резистора, шум напряжения из-за тока шума усилителя, протекающего через резистор, и падение напряжения из-за протекающего тока смещения усилителя. через этот резистор. Общая ошибка смещения, В _OS (всего) , представленная в результате этого резистора:

Проблемы, о которых следует позаботиться, относительно ограничивающих диодов на входе выводов операционного усилителя:

• Дополнительный полюс на пути сигнала из-за крышки диодного перехода и R _S
• Токи утечки диодов, которые удваиваются на каждые 10 ° C
• Изменение прямого падения напряжения в зависимости от температуры
• Генерируемый токовый шум (I _n ), который может мешать измерению

Чтобы свести к минимуму упомянутые ошибки, можно использовать диоды с очень малой утечкой, такие как JPAD20, которые очень дороги.Помимо снижения производительности, указанный выше метод защиты с помощью внешних компонентов занимает дополнительную площадь на плате и требует дополнительных затрат. Это может быть особенно важно в приложениях с большим количеством каналов. Кроме того, указанная выше схема защиты не во всех случаях защищает усилитель. Например, что, если кто-то случайно закоротит любой из входных контактов операционного усилителя сразу после блока защиты на более высокое напряжение питания. Он также не защищает операционный усилитель в случае неправильной последовательности включения питания.Список других возможных проблем упомянут в пунктах ниже:

• Случайное замыкание входа усилителя на более высокое напряжение питания
• Преобразователь, вырабатывающий напряжение выше, чем на шинах питания усилителя
• Отключение питания или отключение питания операционного усилителя
• Неправильная последовательность включения
• Вход появляется перед питанием на выводах питания

Еще одна проблема с широко используемыми схемами внешней защиты заключается в том, что входы должны выходить за пределы шины на одно падение диода, прежде чем сработает схема защиты.В этом случае избыточный ток будет течь в блок питания. Типичный источник питания не любит, когда на его выходные контакты подается ток, и теряет стабилизацию. Это может создать нежелательные эффекты для других цепей, питающихся от того же источника питания.

Преодолевая недостатки широко используемых методов защиты, усилители Analog Devices с защитой от перенапряжения обеспечивают защиту во всех вышеупомянутых ситуациях. Чтобы исключить необходимость во внешних схемах защиты, проектировщикам следует искать интегрированные решения защиты, которые могут выдерживать эти ошибки.Например, ADA4096, который выдерживает напряжение 62 В над отрицательной шиной (т. Е. VEE) на своих входных контактах, направит ток в случае возникновения перенапряжения на нижний источник питания (почти во всех случаях VEE).

Рис. 4. Полная сеть защиты входа ADA4091-x, маломощного операционного усилителя RRIO с однополярным питанием

Усилители с защитой от перенапряжения ADI обладают множеством других преимуществ. Вот несколько преимуществ усилителей с защитой от перенапряжения, таких как ADA4091-x и ADA4096-x:

• Защита входной дифференциальной пары
• Защита от чередования фаз
• Внешняя защита рельсов
• Защита от электростатического разряда
• Система защиты источника питания

Разработанный для высокопроизводительных приложений, ОУ с защитой от перенапряжения на входе имеет огромное преимущество в том, что пользователи будут знать общую комбинацию ошибок операционного усилителя и схемы защиты от перенапряжения, как указано в технических данных устройства. Нет необходимости в дополнительных внешних компонентах и, следовательно, нет ошибок. Это очень желательно для приложений преобразования сигналов высокой точности.

Таблица 1. Операционные усилители с защитой от перенапряжения на входе

Деталь	Рабочее напряжение питания (В S )	Входное напряжение	Элемент	В OS (мкВ)	ISY (мкА)
OP191	2.От 7 В до 12 В	VEE — 10 В ≤ VIN ≤ VCC + 10 В	RRIO	500	420
ADA4091-2, ADA4091-4	от 2,7 В до 36 В	VEE — 12 В ≤ VIN ≤ VCC + 12 В 1	RRIO	350	250
ADA4096-2, ADA4096-4	от 3,0 В до 36 В	VEE — 32 В ≤ VIN ≤ VCC + 32 В 2	RRIO	250	75
ADA4092-4	2. От 7 В до 36 В	VEE — 12 В ≤ VIN ≤ VCC + 12 В 1	RRIO	1500	250
1 VCC = 15 В, VEE = −15 В 2 Действительно для всех рабочих напряжений питания

Общие преимущества, помимо отсутствия ухудшения качества сигнала и сохранения чистоты пути прохождения сигнала, следующие:

• Технические характеристики — это все, что вы получаете на операционные усилители, а также схему защиты от перенапряжения
  • Характеристики постоянного и переменного тока
  • Характеристики дрейфа и шума
• Защита при включении и выключении
• Более дешевое решение
• Решение для экономии места

В современных высокопроизводительных приложениях размещение защитных устройств извне приводит к ошибкам, которые невозможно предсказать, рассчитать или откалибровать. Эти внешние источники ошибок ухудшают схему преобразования сигнала. Операционные усилители с внутренней защитой обеспечивают огромную экономию затрат, экономию площади печатной платы и лучшую защиту при сохранении точного состояния сигнала. Технические характеристики этих продуктов и их поведение подробно описаны в технических паспортах производителей.

Защита от перенапряжений

• 1. Защита от перенапряжений

2. Что такое перенапряжения? Согласно стандарту IEEE для координации изоляции, перенапряжение определяется как: напряжение между одной фазой и землей или между двумя фазами, пиковое значение которого превышает соответствующее пиковое значение максимального напряжения системы.Перенапряжения можно классифицировать по форме и продолжительности как временные или переходные. 3. Что такое перенапряжения? Временное перенапряжение: колебательное перенапряжение между фазой и землей или между фазой и верхней фазой, которое имеет место в заданном месте относительно большой продолжительности (секунды, даже минуты), незатухающее или слабо затухающее. Временное перенапряжение обычно возникает в результате переключения или сбоев (например, сброс нагрузки, однофазное замыкание, замыкание на землю с высоким сопротивлением или незаземленной системы) или из-за нелинейностей (феррорезонанс, гармоники) или того и другого.Они характеризуются амплитудой, частотой колебаний, общей длительностью или декрементом. 4. Что такое перенапряжения? Переходное перенапряжение: кратковременное сильно затухающее, колебательное или неосциллирующее перенапряжение, длительность которого составляет несколько миллисекунд или меньше. Переходное перенапряжение классифицируется как один из следующих типов: грозовое перенапряжение; коммутационное перенапряжение. Очень быстрое фронтальное перенапряжение, кратковременное перенапряжение. 5. Что такое перенапряжения? Молниеносное перенапряжение: тип переходного напряжения, при котором быстрое переднее напряжение создается молнией или неисправностью.Такое перенапряжение обычно бывает однонаправленным и очень непродолжительным. Типичная форма волны показана на рисунке. 6. Что такое перенапряжения? Коммутационное перенапряжение: переходное перенапряжение, при котором генерируется медленное переднее, кратковременное, однонаправленное или колебательное, сильно затухающее напряжение (обычно в результате переключения или неисправности). Типичная форма сигнала показана на рисунке 7. Что такое перенапряжения? 8. Что такое перенапряжения? Очень быстрое переднее кратковременное перенапряжение: переходное перенапряжение, при котором генерируется кратковременное, обычно однонаправленное, напряжение (часто при срабатывании выключателя GIS или при переключении двигателя).Высокочастотные колебания или часто накладываются на однонаправленную волну. Типичная форма волны показана на рисунке. 9. Что такое перенапряжения? 10. Причины перенапряжения Перенапряжения в энергосистеме можно условно разделить на две основные категории: 1) внутренние причины (i) коммутационные перенапряжения (ii) нарушение изоляции (iii) искрение заземления (iv) резонанс 2) внешние причины, например, молния 11 Причины перенапряжения Внутренние причины не вызывают скачков * большой величины. Опыт показывает, что скачки напряжения из-за внутренних причин вряд ли увеличивают напряжение в системе вдвое по сравнению с нормальным значением.Как правило, перенапряжения, вызванные внутренними причинами, устраняются путем обеспечения надлежащей изоляции оборудования в энергосистеме. Однако очень сильные скачки напряжения из-за молнии могут увеличить напряжение в системе в несколько раз по сравнению с нормальным значением. Если оборудование в энергосистеме не защищено от скачков молнии, эти скачки могут нанести значительный ущерб. Фактически, в энергосистеме защитные устройства от перенапряжений в основном предназначены для защиты от грозовых перенапряжений. * Внезапное повышение напряжения в энергосистеме на очень короткий промежуток времени известно как скачок напряжения.12. Факты о молниях. Удар может вызвать в среднем 100 миллионов вольт электрического тока с силой тока до 100 000 ампер. Может генерировать 54000 oF. Каждую секунду где-то на земле ударяет молния. 13. Механизм разряда молнии. Во время грозы грозовые тучи заряжаются, как гигантские конденсаторы в небе. Верхняя часть облака положительна, а нижняя часть отрицательна. Когда в облаке происходит разделение зарядов, с разделением также связано электрическое поле.. 14. Механизм разряда молнии. Сила или напряженность электрического поля напрямую связана с количеством накопленного заряда в облаке. По мере того как электрическое поле становится все более и более интенсивным — настолько интенсивным, что электроны на поверхности земли отталкиваются все глубже в землю сильным отрицательным зарядом в нижней части облака. Это отталкивание электронов заставляет поверхность Земли приобретать сильный положительный заряд. 15. Механизм разряда молнии 16.Механизм разряда молнии Все, что сейчас нужно, — это токопроводящий путь, по которому нижняя часть отрицательного облака может контактировать с положительной поверхностью земли. Сильное электрическое поле, будучи несколько самодостаточным, создает этот путь. 17. Механизм грозового разряда. Когда электрическое поле становится очень сильным (порядка десятков тысяч вольт на дюйм), создаются условия для того, чтобы воздух начал разрушаться. Электрическое поле заставляет окружающий воздух разделяться на положительные ионы и электроны — воздух ионизируется.18. Механизм грозового разряда. Важность этого разделения состоит в том, что теперь электроны могут двигаться гораздо легче, чем до разделения. Таким образом, этот ионизированный воздух (также известный как плазма) намного более проводящий, чем предыдущий неионизированный воздух. Ионизация воздуха или газа создает плазму с проводящими свойствами, аналогичными свойствам металлов. После процесса ионизации начинает формироваться путь между облаком и землей. 19. Механизм грозового разряда. Когда начинается процесс ионизации и образуется плазма, путь не создается мгновенно.Фактически, обычно существует множество отдельных путей ионизированного воздуха, выходящего из облака. Эти пути обычно называют шаговыми лидерами. Лидеры шагов продвигаются к Земле поэтапно, что не обязательно должно приводить к прямой линии к Земле. 20. Механизм разряда молнии По мере приближения лидеров к Земле объекты на поверхности начинают реагировать на сильное электрическое поле. Объекты достигают облака с помощью «растущих» положительных лент. Эти ленты также имеют пурпурный цвет и кажутся более заметными на острых краях.Дальше — настоящая встреча шагового лидера и стримера. 21. Механизм разряда молнии 22. Механизм разряда молнии После того, как лидер ступени и стример встречаются, ионизированный воздух (плазма) завершает свой путь к Земле, оставляя проводящий путь от облака к Земле. Когда этот путь завершен, ток течет между землей и облаком. Этот разряд тока — естественный способ нейтрализовать разделение зарядов. 23. Механизм разряда молнии 24.Механизм разряда молнии 25. Механизм разряда молнии 26. Подробнее о явлении молнии Молния — это разряд электрической энергии. Это может произойти: Между ячейками в том же шторме, что и Межоблачная молния, или внутри облака, что и внутриоблачная молния (80%), от облака до воздуха (1%) от облака до земли (19%) 27. Подробнее о явлении молнии Во время столкновения между тяжелыми крупами частицы и более легкие кристаллы льда: Отрицательный заряд переносится на крупу (приобретаются электроны) Положительный заряд переносится на кристаллы льда (удаляются электроны) Граупель падает на дно облака, принося с собой отрицательный заряд Кристаллы льда переносятся наверх Уровни грозы 28.Подробнее о феномене молнии ++ +++ — — — — — + —— ++ + ++ Сильный отрицательный заряд в основании грозы вызывает положительный заряд на поверхности за счет отталкивания электронов — 29. Подробнее Явление молнии Если электрическое поле или разница между областями отрицательного и положительного заряда достаточно велики, изолятор между областями заряда (воздух) выходит из строя, и между областями положительного и отрицательного заряда может возникнуть разряд молнии. Пробивное напряжение для воздуха составляет около 10 000 В / м 30.Подробнее о феномене молнии Удар молнии начинается, когда электрические поля превышают напряжение пробоя. Первоначально потоки электронов устремляются от нижней границы облака к земле с шагом от 50 до 100 метров. Начинайте и останавливайте шаги по мере продвижения ступенчатого лидера к земле. Это происходит в течение нескольких микросекунд и относительно незаметно. 31. Подробнее о феномене молнии Ступенчатый лидер движется с шагом ~ 50 м. 32. Подробнее о Явлении молнии Стример: когда ступенчатый лидер приближается к земле в пределах 100 м или около того… Положительный заряд движется от земли вверх к ступенчатому лидеру — их называют стримерами. Ленты могут исходить практически от любого остроконечного объекта на земле: Деревья Антенны Трава Флагштоки Телефонные столбы Люди Действительно высокие Башни Электрические поля сильнее вокруг остроконечных объектов. 33. Еще о феномене молнии Растяжка, поднимающаяся из части дерева. Обратный ход был создан, когда ступенчатый лидер встретился со стримером из другой части дерева. 34. Подробнее о феномене молнии Удар: электрический ток силой около 20 000 ампер течет, осаждая электроны на земле. Ток, генерируемый за короткий промежуток времени, нагревает окружающую среду примерно до 30 000 K (поверхность солнца ~ 6000 K) 35. Спасибо

Категории перенапряжения — Janitza electronics

Электрические распределительные системы и нагрузки становятся все более сложными. Это также приводит к увеличению вероятности переходного перенапряжения. В частности, силовые электронные модули (например, преобразователи частоты, фазовый регулятор и управление задним фронтом, переключатели мощности с ШИМ-управлением) генерируют временные пики напряжения в сочетании с индуктивными нагрузками, которые могут быть значительно выше, чем соответствующее номинальное напряжение.Чтобы гарантировать безопасность пользователя, в стандарте DIN VDE 0110 / EN 60664 определены четыре категории перенапряжения (от CAT I до CAT IV).

Категория измерений указывает допустимые диапазоны применения измерительных и испытательных устройств для электрического оборудования и систем (например, тестеры напряжения, мультиметры, испытательные устройства VDE) для применения в областях сетей низкого напряжения.

Категории и цели применения, определенные в МЭК 61010-1:

Следующие категории и цели применения определены в IEC 61010-1:

CAT I	Измерения в токовых цепях, которые не имеют прямого подключения к электросети (работа от батареи), e.г. устройства с классом защиты 3 (работа с защитным низким напряжением), устройства с батарейным питанием, электрика автомобиля
CAT II	Измерения в токовых цепях, имеющих прямое соединение с низковольтной сетью посредством вилки, например бытовая техника, переносные электроприборы
CAT III	Измерения внутри здания (статические нагрузки при прямом фиксированном подключении, распределительном соединении, фиксированных установочных устройствах в распределительной системе), e.г. подраспределение.
CAT IV	Измерения на источнике низковольтной установки (счетчик, основное соединение, первичная максимальная токовая защита), например счетчики выручки, ВЛ низкого напряжения , коробка подъезда ЖКХ

Рис . : Графическое изображение категорий CAT

Эта категория особенно важна для безопасности во время измерений, потому что цепи с низким сопротивлением показывают более высокие токи короткого замыкания и / или измерительное устройство также должно выдерживать помехи в виде переключения нагрузки и других переходных перенапряжений, не подвергая опасности пользователя. поражением электрическим током, огнем, образованием искр или взрывом.Из-за низкого импеданса сети общего пользования наибольшие токи короткого замыкания достигаются на вводе в дом. Внутри дома максимальные токи короткого замыкания снижаются за счет последовательного сопротивления системы. Технически соответствие категории обеспечивается, например, за счет защиты контактов вилок и розеток, изоляции, достаточных зазоров и путей утечки, разгрузки от натяжения и защиты кабелей от перегиба, а также достаточного сечения кабеля.

На практике:

Наш опыт и понимание показывают, что многие пользователи недостаточно знакомы с этим предметом. В некоторых приложениях предмет категорий перенапряжения может привести к необходимости перехода с UMG 604 с 300 В CAT-III на UMG 508 с категорией перенапряжения 600 В CATIII, т. Е. Вместо скачка измерительного напряжения 4000 В Достигнуто повышение измерительного напряжения до 6000 В на 50%! Однако это также может привести к смещению точки измерения, что означает дополнительную безопасность человека и машины!

Комбинация категории CAT и определенного уровня напряжения дает скачок измерительного напряжения.

Номинальные напряжения систем (сетей) электроснабжения с различными видами ограничения перенапряжения

.