В каждом доме есть дорогостоящая электронная техника. Любые приборы на полупроводниковых элементах имеют слабую изоляцию. Так что небольшое повышение напряжение может сжечь электронику. Часто изменение напряжения в бытовых сетях происходит импульсно, то есть напряжение резко повышается на доли секунды, а потом возвращается до нормального уровня.
Импульсы напряжения бывают грозовые и коммутационные.
Грозовые скачки напряжения появляются при ударах молний прямо в электроустановку или линию передачи, или же близко возле них. Грозовые разряды могут причинить вред бытовым сетям, даже если удар в электросеть произойдет на удалении до 20 км.
Коммутационные скачки напряжения создаются при коммутации электрооборудования с реактивными элементами. То есть при включении оборудования, которое построено с использованием большого количества конденсаторов, а также имеет мощные катушки индуктивности и трансформаторы.
Самые высокие коммутационные скачки напряжения создают электродвигатели и конденсаторные батареи.
Для обеспечения надежной защиты от импульсных напряжений должны быть обеспечены три ступени защиты в сетях до 1000 В. В каждой ступени защиты применяются разные по конструкции и по параметрам устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Первая ступень защиты должна быть установлена на понижающей подстанции или непосредственно у входа в здание. В качестве УЗИП применяются чаще всего разрядники иногда и мощные варисторы.
Режимы работы УЗИП первой ступени самые тяжелые – величины импульсных токов 25-100 кА, крутизна фронта волны 10/350 мкс, длительность фронта волны 350 мкс. Быстросъемные УЗИП с ножевыми контактами здесь практически не применяются. Потому что импульсные токи величиной 25-50 кА, при разряде молний, создают огромные электродинамические силы, которые легко вырывают съемные части устройства. Кроме того, при разрывании соединения, через воздушный зазор зажигается плазменная дуга, разрушающая ножевые контакты.
Наиболее предпочтительно на первом участке применять воздушные разрядники. Тем более что серийно варисторы для импульсных токов свыше 20 кА не выпускаются. Так как мощные варисторы делаються с большими выводами, которые выполняют роль радиаторов, рассеивая чрезмерное тепло.
Вторая ступень защиты необходима для удаления остаточных, меньших по амплитуде, импульсов после первой ступени. Каждый хозяин дома сам определяет, нужна эта ступень защиты или нет. Устанавливается защита на вводе электричества в дом, в отдельном электрощите.
В качестве УЗИП для второй ступени используются защитные элементы с ножевыми контактами. Внешне защитные элементы с ножевыми контактами представляют собой две отдельные части. Одна часть – гнездо с ножевыми контактами, которое закрепляется на DIN-рейку в электрощите. Другая часть – съемный модуль, который является непосредственно варистором. Защитный варистор должен выдерживать импульсные токи в границе 15-20 кА, с крутизной волны 8/20 мкс. Съемные модули могут быть оснащены индикатором срабатывания, по которому можно определить исправность устройства. Более дорогие модели имеют терморасцепители в своей конструкции, защищающие от перегрева варистор, при длительном протекании импульсных токов.
Третья ступень защиты устанавливается внутри всех электронных бытовых приборов. В качестве УЗИП для бытовых электроприборов применяются только небольшие варисторы, рассчитанные на крутизну волны 1,2/50 мкс, 8/20 мкс и на импульсные токи до 15 кА. Варисторы с монтажными выводами припаиваются внутри прибора на плату или закрепляется отдельно и подключаются отдельными проводами.
Схема включения.
Все варисторы подключаются параллельно нагрузке, правильнее их будет включать между фазовым проводом и проводом заземления.
В трехфазной сети, при подключении нагрузки «звездой», варисторы включаются между каждой фазой и проводом заземления. А при подключении нагрузки «треугольником», варисторы устанавливаются между фазами.
Варисторы, как нелинейные элементы, при повышенном напряжении резко уменьшают свое сопротивление практически до нуля, и поэтому не могут длительно выдерживать повышенные импульсные токи. Поэтому рекомендуется защитить УЗИП второй ступени защиты плавкими предохранителями, которые нужно подключить последовательно с устройством защиты в разрыв фазового провода.
Правильно выбирать варисторы по напряжению срабатывания. При этом напряжении элемент снижает свое сопротивление и гасит опасное импульсное напряжение. Информация о напряжении срабатывания и о крутизне волны импульса наноситься на поверхность варистора или указывается в техническом паспорте к нему.
В тандеме с данной статьей полезно ознакомиться с видео-дополнением:
В каждом доме есть дорогостоящая электронная техника. Любые приборы на полупроводниковых элементах имеют слабую изоляцию. Так что небольшое повышение напряжение может сжечь электронику. Часто изменение напряжения в бытовых сетях происходит импульсно, то есть напряжение резко повышается на доли секунды, а потом возвращается до нормального уровня.
Импульсы напряжения бывают грозовые и коммутационные.
Грозовые скачки напряжения появляются при ударах молний прямо в электроустановку или линию передачи, или же близко возле них. Грозовые разряды могут причинить вред бытовым сетям, даже если удар в электросеть произойдет на удалении до 20 км.
Коммутационные скачки напряжения создаются при коммутации электрооборудования с реактивными элементами. То есть при включении оборудования, которое построено с использованием большого количества конденсаторов, а также имеет мощные катушки индуктивности и трансформаторы.
Самые высокие коммутационные скачки напряжения создают электродвигатели и конденсаторные батареи.
Для обеспечения надежной защиты от импульсных напряжений должны быть обеспечены три ступени защиты в сетях до 1000 В. В каждой ступени защиты применяются разные по конструкции и по параметрам устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Первая ступень защиты должна быть установлена на понижающей подстанции или непосредственно у входа в здание. В качестве УЗИП применяются чаще всего разрядники иногда и мощные варисторы.
Режимы работы УЗИП первой ступени самые тяжелые – величины импульсных токов 25-100 кА, крутизна фронта волны 10/350 мкс, длительность фронта волны 350 мкс. Быстросъемные УЗИП с ножевыми контактами здесь практически не применяются. Потому что импульсные токи величиной 25-50 кА, при разряде молний, создают огромные электродинамические силы, которые легко вырывают съемные части устройства. Кроме того, при разрывании соединения, через воздушный зазор зажигается плазменная дуга, разрушающая ножевые контакты.
Наиболее предпочтительно на первом участке применять воздушные разрядники. Тем более что серийно варисторы для импульсных токов свыше 20 кА не выпускаются. Так как мощные варисторы делаються с большими выводами, которые выполняют роль радиаторов, рассеивая чрезмерное тепло.
Вторая ступень защиты необходима для удаления остаточных, меньших по амплитуде, импульсов после первой ступени. Каждый хозяин дома сам определяет, нужна эта ступень защиты или нет. Устанавливается защита на вводе электричества в дом, в отдельном электрощите.
В качестве УЗИП для второй ступени используются защитные элементы с ножевыми контактами. Внешне защитные элементы с ножевыми контактами представляют собой две отдельные части. Одна часть – гнездо с ножевыми контактами, которое закрепляется на DIN-рейку в электрощите. Другая часть – съемный модуль, который является непосредственно варистором. Защитный варистор должен выдерживать импульсные токи в границе 15-20 кА, с крутизной волны 8/20 мкс. Съемные модули могут быть оснащены индикатором срабатывания, по которому можно определить исправность устройства. Более дорогие модели имеют терморасцепители в своей конструкции, защищающие от перегрева варистор, при длительном протекании импульсных токов.
Третья ступень защиты устанавливается внутри всех электронных бытовых приборов. В качестве УЗИП для бытовых электроприборов применяются только небольшие варисторы, рассчитанные на крутизну волны 1,2/50 мкс, 8/20 мкс и на импульсные токи до 15 кА. Варисторы с монтажными выводами припаиваются внутри прибора на плату или закрепляется отдельно и подключаются отдельными проводами.
Схема включения.
Все варисторы подключаются параллельно нагрузке, правильнее их будет включать между фазовым проводом и проводом заземления.
В трехфазной сети, при подключении нагрузки «звездой», варисторы включаются между каждой фазой и проводом заземления. А при подключении нагрузки «треугольником», варисторы устанавливаются между фазами.
Варисторы, как нелинейные элементы, при повышенном напряжении резко уменьшают свое сопротивление практически до нуля, и поэтому не могут длительно выдерживать повышенные импульсные токи. Поэтому рекомендуется защитить УЗИП второй ступени защиты плавкими предохранителями, которые нужно подключить последовательно с устройством защиты в разрыв фазового провода.
Правильно выбирать варисторы по напряжению срабатывания. При этом напряжении элемент снижает свое сопротивление и гасит опасное импульсное напряжение. Информация о напряжении срабатывания и о крутизне волны импульса наноситься на поверхность варистора или указывается в техническом паспорте к нему.
В тандеме с данной статьей полезно ознакомиться с видео-дополнением:
Удар молнии в соседнюю опору электропередач или просто рядом с вашим домом событие не очень приятное. Для мастера-электронщика работа в этом случае часто неблагодарная. Не рядовой случай, когда после всех объяснений и рассказов о целесообразности ремонта слышим в конце недовольное: «А почему так дорого?», «А я у другого мастера спросил и мне сказали, что сгореть должно было меньше» и всякий подобный бред жадины-профана, который не ценит чужой труд. Вариант, когда после вскрытия пациента наблюдаем пробитый "трансик" или обугленный варистор много приятнее для обеих сторон.
Современные полупроводники крайне чувствительны к превышениям допустимого напряжения и причина этого не только природные явления. Список причин можно продолжать — от доморощенного сварщика-соседа, до перекомутаций на линии. Нас больше интересует не сами причины, а как с ними бороться. Коротко об этом.
Смешной ответ: «220 вольт», — кому-то не режет слух. Вариант: «Переменный», — тоже не много лучше, потому как без нагрузки тока нет. А какое напряжение? Может быть уже и не 220 вольт – стандарт однако изменился.
Когда мы говорим о напряжении бытовой сети, то речь идёт о действующем значение переменного напряжения – 220 (230) В. Амплитудное значение будет больше приблизительно в 1.4 раза – 311 (325) В. Учитывая допуск в 10 процентов, получим допустимый разброс амплитуды — от 280 до 342 (292 — 358) вольт. Вот эти 358 В – законно допустимая амплитуда переменного напряжения в нашей розетке. Но и это не всё. Может меняться частота, а синусоида не всегда имеет правильную форму. Перенапряжения различной природы суровая реальность и их допустимые параметры тоже регламентируют.
Для этого в цепи питания ставят входные фильтры, разрядники, супрессоры и варисторы (первый эшелон защиты на входе радиоаппаратуры).
Входной LC-фильтр неотъемлемая часть любого импульсного БП (его отсутствие говорит о «качестве» изделия). Основное назначение – не пропускать высокочастотные помехи от работы самого БП в сеть.
Разрядник – устройство с искровым промежутком, может быть как элементом печатного монтажа так и отдельным устройством (газонаполненный, с элементами гашения дуги). Разрядники имеют относительно большое время срабатывания (несколько миллисекунд), при срабатывании искровой промежуток со временем увеличивается из-за обгорания контактов, имеют большой разброс параметров, которые к тому же сильно зависят от внешней среды.
Супрессор (он же защитный диод (стабилитрон), диодный предохранитель, TVS-диод, трансил). В цепи переменного тока используются симметричные супрессоры. При превышении порогового напряжения, внутреннее сопротивление супрессора резко падает. Результат зависит от мощности вредного импульса – нагреется и остынет или сгорит вместе с предохранителем.
Варистор Вольтамперная характеристика (ВАХ) очень похожа на ВАХ супрессора. Соответственно и принцип работы схож. Сопротивление варистора зависит от приложенного к нему напряжения. На участке малых токов (несколько миллиампер) варистор практически не влияет на работу защищаемого устройства. Защитные свойства он проявляет на участке больших токов – когда приложенное к нему напряжение превысит определённый порог.
При превышении этого порога, варистор резко уменьшает собственное сопротивление до десятков ом. Высокочастотные импульсы перенапряжения не проникают на вход устройства, а преобразуются в тепловую энергию нагрева самого варистора. Если энергия этих импульсов больше допустимой, то варистор закорачивает входную цепь и сгорает вместе с плавким предохранителем.
При возникновении высоковольтного импульса сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не влияет на работу последнего в нормальных условиях, но гасит импульсы опасного напряжения
Знания схемотехники входных цепей питания радиоаппаратуры и принципов работы элементов этих цепей несомненно нужны. Но обычному ремонтёру важнее знать как это проверить и чем заменить. Обугленный варистор потерял свою маркировку и вопрос что ставить взамен возникает не только у новичков (ведь цепи защиты бывают разные). Просто выпаять и забыть – не наш вариант!
Самый распространённый вариант – варистор на 470 вольт. Вспоминаем цифру сверху – 358 вольт в предполагаемом максимуме. Запас 112 вольт? Не совсем так. Варисторы имеют класс точности, и 10 процентов это лучший вариант. Считаем 20 процентов. Получаем возможный нижний предел напряжения срабатывания – 376 вольт. Теперь понятна логика производителя. Но и это не всё. Вариант ставим что есть на складе никто не отменял, главное, чтобы не было ложных срабатываний. Здесь необходимо понимание основного назначения варистора – защита от высоковольтных импульсных перенапряжений. Отвал нулевого провода в вашем доме и в результате неисправная аппаратура, а варистор целый — не редкость. Высоковольтные перенапряжения случайны и результат их воздействия непредсказуем. И если штатно варистор рассеивает высоковольтные импульсы, но когда-то наступает случай, что он не выдерживает мощности паразитного импульса и сгорает. Горит с переходом в проводящее состояние. По этой причине обязательна защита плавким предохранителем. Такая вот обязательная защита защиты.
На практике (особенно для себя любимого) лучше использовать варисторы на 390В или 430В постоянного напряжения. Воздействие высоковольтных импульсов очень не полезно для электролитов (а они чаще всего на 400В, а в дешевом ширпотребе даже на 350В).
Как проверить варистор? Сразу напрашивается вариант собрать простейшую цепь из резистора для ограничения тока, варистора, нагрузки и повышающего трансформатора с возможностью регулирования напряжения. Важно выяснить точно напряжение перехода в проводящее состояние. Вариант проще – подключаем нашу цепочку к мегоометру с напряжением 500 вольт, и убеждаемся в срабатывании варистора. Косвенная проверка – измерить ёмкость варистора. Я не ошибся, именно ёмкость.
Маркировка на варисторе — это не всегда напряжение (иногда это условный код), а если и напряжение то не всегда одно и то же. Разные производители маркируют варисторы по-разному. Используются как максимальное значение рабочего действующего синусоидального напряжения (EPCOS), иногда действующее значение синусоидального напряжения при котором происходит отпирание варистора, а китайцы ставят постоянное напряжение отпирания. Надо обязательно читать документацию конкретного производителя.
Для примера: варистор EPCOS/TDK с маркировкой 241 это фактически аналог 431 у китайского TKS с маркировкой TVR оба отпираются постоянным напряжением около 430В.
Напряжение отпирания варистора величина не точная. Классический разброс составляет -15%. +20%. А у лучших производителей — не менее 10%. И зависимость от температуры никто не отменял.
Отличия варисторов от супрессоров.
Супрессор проигрывает варистору в поглощаемой энергии. Варистор тем и хорош, что тепло в нем выделяется по всей толщине материала и отсутствуют локальные перегревы. Супрессор обладает отличным быстродействием, но легко перегревается и выходит из строя при миллисекундных импульсах. Энергию варистор при коротких перенапряжениях, не рассеивает (не успевает), а поглощает.
Варисторы применяются в схемах с большой мощностью импульса, но относительно низким значением скорости его нарастания (крутизна фронта). К примеру, тиристорные преобразователи.
Супрессоры — в схемах с большей крутизной, но меньшей длительностью. Это преобразователи на основе IGBT или MOSFET-транзисторов. Работа транзисторов в ключевом режиме характеризуется малой длительностью выбросов напряжения (не более сотен нс; очень редко мкс), но при этом крутым фронтом импульса.
Стабилитроны тоже можно применять, то только в низковольтных транзисторных схемах с малыми скоростями изменения напряжения.
Короткие выводы:
1. Варисторы хорошо защищают сети питания радиоаппататуры от коротких высоковольтных выбросов напряжения, которые физически не поглощаются входными фильтрующими конденсаторами. Но не являются защитой от перенапряжений ниже напряжения открывания самого варистора.
2. Супрессоры хорошо использовать для защиты силовых ключей от переходных процессов и пиковых перенапряжений короткими импульсами.
3. При выборе варистора в качестве замены ориентируемся на напряжение открывания варистора. Обращать внимание на производителя, смотреть документацию по конкретному прибору.
4. Для защиты от перенапряжений в сети (не высоковольтных импульсных) хорошее решение применять ограничители напряжения и ограничители тока короткого замыкания (это для себя, а клиенту как совет).
P.S Всё, что выше никак не учебник и не претендует на полноту. Целенаправленно не перечислены все параметры рассмотренных элементов. Замечания на рассмотренную тему будут полезны не только автору.
