Выбор RC-цепочки, защитного диода,диода-стабилитрона, диода-резистора

Содержание

• 1. Общая часть
• 2. Определение параметров защитных цепочек
• 2.1 Диод-стабилитрон
• 2.2 Диод-резистор
• 2.3 Защитный диод
• 2.4 Выбор защитной RC – цепочки
• 2.5 Выбор диодов защитных цепочек
• 3. Влияние защитных цепочек на увеличение токовой нагрузки на коммутируемые контакты
• 4. Защитные цепочки, рекомендуемые для применения
• 5. Способ снижения коммутационных перенапряжений при использовании транзистора в качестве переключающего элемента
• 6. Примеры выбора защиты диодов от коммутационных перенапряжений
• 7. Выбор защитной цепочки
• 8. Выбор параметров защитных цепочек
• 8.1 Выбор диодов
• 8.2 Выбор резисторов
• 9. Список литературы

Общая часть

Коммутации обмоток реле в цепях постоянного тока релейной защиты и автоматики обычно сопровождается значительными перенапряжениями, которые могут представлять опасность для используемых в этих цепях полупроводниковых приборов. Для защиты транзисторов, работающих в режиме переключения, стали применяться защитные цепочки (рис.1), которые присоединяются параллельно обмотке коммутируемого реле (рис.2 – здесь обмотка коммутируемого реле представлена схемой замещения – индуктивностью L, активной составляющей сопротивления R и результирующей межвитковой емкостью С) и снижают перенапряжения, возникающие между зажимами обмотки 1 и 2.

Рис.1 — Защитные цепочки, применяемые для снижения коммутационных перенапряжений

Рис.2 — Защита транзистора VT с помощью защитной цепочки

Однако в настоящее время определению параметров защитных цепочек и оценке их влияния на работу устройств релейной защиты не удаляется достаточного внимания. Кроме того, при разработке и проектировании устройств релейной защиты с применением полупроводниковых диодов, подверженных воздействию коммутационных перенапряжений, защита диодов во многих случаях не предусматривается.

Это приводит к довольно частому выходу диодов из строя и отказу или неправильному действию устройства. Примером цепей, где на диод могут воздействовать перенапряжения, служит схема, изображенная на рис.3. Здесь разделяющий диод VD оказывается под воздействием коммутационного перенапряжения и может быть поврежден при размыкании контактов KI и замкнутом положении контактов K2.Для защиты этого диода к зажимам 1 и 2 обмотки реле К3 должна быть присоединена защитная цепочка. Для защиты диодов могут быть использованы те же защитные средства, которые применяется для защиты транзисторов (рис.1).

Рис.3 — Цепи, в которых разделяющий диод VD может подвергаться воздействию коммутационных перенапряжений

Назначение TVS диодов

Защитные диоды работают на обратимом лавинном пробое полупроводникового перехода, поэтому их справедливо называть лавинными диодами. Лавинно пролетные диоды для защиты от перенапряжений применяются в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. Совместно с газовыми разрядниками и варисторами обеспечивают молниезащиту электрооборудования. Для защиты от импульсного перенапряжения и статическогго электричества в интерфейсах передачи данных применяется одиночный ESD супрессор или многоканальная защитная диодная сборка. Защита цепей питания от превышения тока потребления осуществляется предохранителями. Различают одноразовые плавкие предохранители и многоразовые самовосстанавливающиеся предохранители.

Технические характеристики защитных диодов в SMA

Технические характеристики защитных диодов в SMC

Производитель TVS диодов супрессоров — PANJIT .

Супрессор, он же ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения), он же TVS-диод (Transient Voltage Suppressor), он же защитный диод, он же диодный предохранитель позволяет защитить аппаратуру от превышения напряжения.

У каждого супрессора есть номинальное напряжение (обычно от 6.8 до 440 вольт). Пока напряжение на его выводах не превышает номинальное, он не оказывает никакого влияния на работу схемы. Как только амплитуда электрического импульса превысит номинальное напряжение, супрессор перейдёт в режим лавинного пробоя и ограничит импульс напряжения до номинальной величины.

Супрессоры выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Однонаправленные супрессоры предназначены для работы в схемах с постоянным напряжением одной полярности. Двунаправленные могут работать в цепях с двуполярным или переменным напряжением.

На схемах супрессор обозначается так (слева двунаправленный, справа однонаправленный):

Маркируются супрессоры следующим образом:

Так, например, супрессор с маркировкой P6KE6.8A однонаправленный с номинальным напряжением 6.8 вольт и пиковой мощностью 600 ватт (такие супрессоры применяются в хороших 5-вольтовых зарядных устройствах), а супрессор с маркировкой 1.5KE440CA двунаправленный с номинальным напряжением 440 вольт и пиковой мощностью 1500 ватт (такие супрессоры применяются для защиты устройств, питающихся от сетевого напряжения 230 вольт).

Главные преимущества супрессора — очень короткое время реакции на превышение напряжения и возможность рассеять очень большую мощность без разрушения. Супрессор способен «принимать удар на себя» на короткое время. Для подавления высоковольтных импульсных помех в сети или для срабатывания защиты в блоке питания этого достаточно, если же есть вероятность, что перенапряжение может сохранятся продолжительное время, супрессор применяется вместе с предохранителем, который просто перегорит при продолжительном перенапряжении и защитит схему от выхода из строя.

Определение параметров защитных цепочек

Значения параметров защитных цепочек определяются на основании условия снижения воздействия перенапряжений на защищаемый полупроводниковый прибор до допустимого уровня. Это достигается путем создания дополнительного контура для тока, проходящего в обмотке реле.

Коммутационное перенапряжение Uп, воздействующее на полупроводниковый прибор при переходном процессе, определяется как [Л1]:

Uп= Uс+Е (1)

где:

• Е – напряжение источника питания оперативного тока;
• Uс – коммутационное перенапряжение на обмотке реле.

Перенапряжение Uп должно соответствовать условию [Л2]:

Uп < 0,7*Uдоп (2)

где: Uдоп – максимально допустимое значение напряжения полупроводникового прибора.

На основании равенства (1) максимально допустимое напряжение на обмотке коммутируемого реле в случае применения защитных цепочек:

Uм=0,7Uдоп.-Е (3)

Условие (3) является исходным для определения параметров защитных цепочек:

2.1 Диод-стабилитрон

При использовании защитной цепочки диод-стабилитрон напряжение стабилизации равного Uм, определяемому из равенства (3).

2.2 Диод-резистор

Значения сопротивления резистора при коммутации ряда распространенных в технике релейной защиты и автоматике реле определяются с помощью кривых, изображенных на рис.4, и соответствую точке пересечения кривой Uм=f(Rp) с прямой (0,7*Uдоп.-Е) параллельной оси Rр. Кривые получены путем измерения перенапряжений с помощью лучевого осциллографа с использованием высокоомного омического делителя напряжений. Мощностью резистора не играет существенной роли и может быть принята 1-2 Ватта.

Рис.4 а) — Зависимость Uм=f(Rp) для реле: РП-23/220 (кривая 1), РП-252/220 (кривая 2), реле серий ЭВ100 (без искрогасительного контура, (кривая 3)

Рис.4 б) — Зависимость Uм=f(Rp) для реле РУ21/220

Рис.4 в) — Зависимость Uм=f(Rp) для реле: РПУ-2/220 (кривая 1), РП222-У4/220 (кривая 2), РП255/220 (кривая 3), РП251/220 (кривая 4)

2.3 Защитный диод

При использовании защитного диода Uс=0 и напряжение на защищаемом полупроводниковом приборе согласно (1) Uп=Е.

2.4 Выбор защитной RC – цепочки

Значение сопротивления R (сопротивление резистора RC-цепочки) определяется из условия ограничения токовой нагрузки на коммутирующие контакты от тока заряда емкости Сз (емкость конденсатора RC-цепочки) допустимой нагрузкой, т.е.

Iоз=Е/Rз < Iдоп. (4)

Сопротивление резистора RC-цепочки, исходя из допустимой коммутирующей способности контактов наиболее распространенных в устройствах защиты и автоматики реле, с достаточным запасом может быть принято 2 кОм, а мощность – 1-2 Ватта.

Значение емкости Сз определяется графическим путем и соответствует точке пересечения кривой зависимости Uм=f(Сз) с прямой (0,7*Uдоп.-Е), параллельной оси Сз (см.рис.5).

Номинальное напряжение Uном. емкости Сз должно соответствовать условию Е < 0,7*Uном.

Рис.5 а) — Зависимость Uм=f(Сз) для реле: РП-252/220 (кривая 1), РУ21/220 (кривая 2)

Рис.5 б) — Зависимость Uм=f(Сз) для реле: РП-251/220 (кривая 1), РП222-У4/220 (кривая 2), РПУ-2/220 (кривая 3)

Рис.5 в) — Зависимость Uм=f(Сз) для реле: РП-23/220 (кривая 1), реле серий ЭВ100 (без искрогасительного контура, (кривая 2), РП-255/220 (кривая 3)

2.5 Выбор диодов защитных цепочек

Выбор диодов защитных цепочек производится по максимально допустимому напряжению диодов, исходя из условия:

Е < 0,7*Uдоп. (5)

Влияние защитных цепочек на увеличение токовой нагрузки на коммутируемые контакты

Рассматриваемые защитные цепочки практически не увеличивают токовую нагрузку на коммутирующие контакты: при наличии в защитной цепочке полупроводникового диода увеличение токовой нагрузки происходит на величину обратного тока диода, который, имея значение до нескольких десятков микроампер, весьма мал по сравнению с током в обмотке реле. Дополнительная нагрузка на коммутирующие контакты в случае применения защитной RC – цепочки определяется током активной утечки конденсатора, который также очень мал и может не приниматься в расчет. Следует отметить, что защитные цепочки, снижая величину коммутационных перенапряжений, облегчают условия работы коммутирующих контактов.

Что это такое

В литературе дается следующее определение:

Стабилитрон или диод Зенера это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в электрических цепях. Работает при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя имеет высокое сопротивление перехода. Протекающие при этом токи незначительны. Широко используются в электронике и в электротехнике.

Если говорить простыми словами, то стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в электронных схемах. В цепь он включается в обратном направлении. При достижении напряжения, превышающего напряжение стабилизации, происходит обратимый электрический пробой pn-перехода. Как только оно понизится до номинала, пробой прекращается, и стабилитрон закрывается.

На нижеприведенном рисунке представлена графическая схема для чайников, позволяющая понять принцип действия диода Зенера.

Основными преимуществами является невысокая стоимость и небольшие габариты. Промышленность выпускает устройства с напряжением стабилизации о 1,8 — 400 В в металлических, керамических или корпусах из стекла. Это зависит от мощности, на которую рассчитан стабилитрон и других характеристик.

Для стабилизации высоковольтного напряжения от 0,4 до нескольких десятков кВ, применяются стабилитроны тлеющего разряда. Они имеют стеклянный корпус и до появления полупроводниковых приборов применялись в параметрических стабилизаторах.

Аналогичными свойствами обладают приборы, меняющие свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения – это варисторы. Между стабилитроном и варистором разница заключается в том, что последний обладает двунаправленными симметричными характеристиками. А это значит, что в отличие от диодов, он не имеет полярности. Кратко варистор предназначен для обеспечения защиты от перенапряжения электронных схем.

Для предохранения аппаратуры от скачков напряжения применяют супрессоры. Между стабилитроном и супрессором отличия заключаются в том, что первый постепенно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Второй при достижении определенного порога напряжения открывается сразу. Т.е. его внутреннее сопротивление стремится к нулю. Основное назначение супрессоров — защита аппаратуры от скачков питания.

На рисунке ниже представлено условно графическое обозначение (УГО по ГОСТ) полупроводника и его вольт-амперная характеристика.

На рисунке цифрами указан участок 1-2. Он является рабочим и предназначен для стабилизации напряжения в цепях. Если прибор включить в прямом направлении, то он будет работать как обычный диод.

Рекомендуем посмотреть следующий видеоролик, чтобы подробнее изучить принцип действия стабилитрона, обозначение элементов и область их применения.

Примеры выбора защиты диодов от коммутационных перенапряжений

На рис.П-1а – П-5а изображены применяемые на практике схемы цепей постоянного тока релейной защиты с разделяющими диодами. В некоторых из этих схем разделяющие диоды могут подвергаться воздействию коммутационных перенапряжений.

1. Рис.П-1а При замкнутом положении контактов K1 и размыкании контактов К2 отключается почти весь ток в обмотке реле К4. При этом между зажимами обмотки реле К4 (в обмотке К4 продолжает протекать обратный ток насыщения диода VD, составляющий единицы микроампер) возникает коммутационное перенапряжение, а потенциал положительного зажима обмотки становится намного ниже потенциала отрицательного полюса источника питания. Разделяющий диод VD оказывается под воздействием обратного напряжения, превышающего максимально допустимое напряжение диода Д229Б.

Рис.П-1а — К3,К4 — обмотки реле, соответственно РП255/220, РП251/220; VD, VD1 — диоды D229Б; VD1,R — защитная цепочка

2. Рис.П-2а. Диоды VD1, VD2 подвергаются воздействию коммутационного перенапряжения при замкнутом положении контактов K1 и размыкании контактов К2, так как при этом отключается почти весь ток в обмотке реле К6, и потенциал ее положительного зажима оказывается намного ниже потенциала отрицательного полюса.

Рис.П-2 — К3,К4,К5 — обмотки реле РП252-У4/220; К6 — обмотка реле РПУ-2/220; VD1-VD6 — диоды D229Б; VD5,R4 — искрогасительный контур; VD6,R5 — защитная цепочка

3. Рис.П-3а. При отключении тока в обмотке реле К7 контактами К2, когда контакты К1 находятся в замкнутом положении, переходной процесс происходит аналогично рассмотренному выше. Коммутационное перенапряжение воздействуют на диоды VD1, VD2.

Рис.П-3 — К3 — обмотка указательного реле; К4,К5,К6 обмотки реле РП252-У4/220, К7 — обмотка реле РПУ-2/220; VD1-VD6 — диоды D229Б; R1,R2 — резисторы соответственно, 3000 и 2000 Ом; VD5,R6 — искрогасительный контур; VD6,R7 — защитная цепочка; SX — накладка

4. Рис.П-4. В этой схеме разделяющие диоды не подвергаются воздействию коммутационных перенапряжений.

Рис.П-4 — К3, К4 — обмотки указательных реле; К5 — последовательная обмотка промежуточного реле; К6,К7 обмотки реле РП222-У4/220; VD1, VD2 — диоды D229Б; R — резистор 1000 Ом;

5. Рис.П-5а. Диодно-резисторные цепочки, присоединяемые параллельно обмоткам реле (см. также рис.П-2а, П-3а) и предназначенные для уменьшения искрения на контактах, в какой-то степени ограничивают коммутационное перенапряжения на разделяющих диодах. Использование в этих цепочках двух, вместо одного, последовательно соединенных диодов с параллельно присоединенными к ним резисторами (служащими для равномерного распределения обратного напряжения по диодам) предпринято с той целью, чтобы не допускать пробоя диодов этих цепочек от воздействия перенапряжений.

Однако возможность воздействия коммутационного перенапряжения на диоды-резисторных цепочек в схеме рис.П-5а (а также в схемах П-2а, П-3а) исключена (Предполагается, что перенапряжения не могут также попасть в схеме рис.П-5а со стороны источника питания). Поэтому все эти сравнительно сложные цепочки целесообразно заменить на цепочки диод-резистор (рис.П-2б, П-3б, П-5б). причем, при незначительной вероятности обрыва цепи разделяющих диодов, имеется возможность применить вместо трех одну общую цепочку диод-резистор, присоединив ее параллельно обмотке реле К8 (рис.П-5в).

Общая защитная цепочка диод-резистор, наряду со снижением уровня коммутационных перенапряжений, воздействующих на разделяющие диоды VD1-VD4, способствуют уменьшению искрения на контактах.

Рис.П-5 — К4, К5 — обмотки реле РП223/220; К6,К7,К8 — обмотки реле РП23/220; VD1-VD14 — диоды D229Б; R1 — резистор 1000 Ом;

Принципы действия

Защитный диод обладает специфической ВА характеристикой, отличающейся нелинейностью. При условии, что размер амплитуды импульса окажется больше допустимого, то это повлечёт за собой так называемый «лавинный пробой». Иными словами, размер амплитуды будет нормирован, а все излишки будут выведены из сети через защитный диод.

Рис 1 Защитный диод- принцип работы полупроводника

Принцип работы TVS-диода предполагает, что до момента возникновения опасности диодный предохранитель никоим образом не оказывает влияние на сам прибор и его функциональные свойства. Таким образом, необходимо отметить, что выявляется ещё одно название для защитного диода — лавинный диод.

Существует два типа ограничительных стабилитронов:

Симметричные.

Защитный диод, двунаправленный приспособленный для работы в сетях с переменным током.

Несимметричные.

Применимы только для сетей с постоянным током, поскольку имеют однонаправленный рабочий режим. Способ подключения несимметричного защитного диода не соответствует стандартному. Его анод соединяется с минусовой шиной, а катод — с плюсовой. Положение получается условно перевёрнутым.

Кодировка защитных диодов, относящихся к симметричным, включает в себя литеры «С» или «СА«. У несимметричных диодных предохранителей имеется цветная маркировка в виде полосы на стороне катодного вывода.

Корпус каждого защитного диода также снабжён маркировочным кодом, в сжатом виде отображающим все значимые параметры.

Если входной уровень напряжения у диода увеличится, то стабилитрон в течение очень краткого временного отрезка уменьшит показатель внутреннего сопротивления. Сила тока в этот момент, напротив, возрастёт, а предохранитель перегорит. Поскольку действует защитный диод практически моментально, целостность основной схемы не нарушается. На деле, быстрая реакция на переизбыток напряжения является самым главным достоинством TVS-диода.

Выбор параметров защитных цепочек

8.1 Выбор диодов

Диоды защитных цепочек выбираются на основании условия:

Е < 0,7*Uдоп. (5)

Учитывая, что Е=220 В, выбираем диод типа Д229Б, имеющий Uдоп=400В.

8.2 Выбор резисторов

Значения сопротивления резистора определяются с помощью кривых на рис.4 и соответствуют точке пересечения кривой Uм=f(Rp) с прямой 0,7*Uдоп.-Е=0,7*400-220=60В, параллельной оси Rр.

В схемах, представленных на рис.П-1б, П-2б, П-3б сопротивления резистора защитной цепочки определяется по кривым для реле РП-251, РПУ-2 и соответственно равны R=2,4 кОм, R5=4,2 кОм, R7=4,2 кОм.

Расчетным для схемы на рис.П-5в является случай отключения контактами К3 трех параллельно соединенных обмоток реле К6, К7, К8 при замкнутом положении контактов К1. При этом, если в схеме на рис.П-5в отсутствует защитная цепочка, то диоды VD1, VD2 подвергаются воздействию коммутационного перенапряжения. Сопротивление резистора защитной цепочки определяется как эквивалентное трем параллельно соединенным равным сопротивлениям, одно из которых (Rр) определяется по кривой рис.4 для реле РП-23:

R2=Rр/3=2,2/3=0,773 кОм

В схеме, изображенной на рис.П-5в, заслуживает внимания рассмотрение вопроса о возможности срабатывания реле К8 при размыкании контактов К2. Ответ на этот вопрос в рассматриваемом случае можно получить, сравнив максимальное значение тока, проходящего, а обмотке реле К8 в переходном режиме, с минимальным током срабатывания этого реле. Ток I, проходящий в обмотке реле К8 при размыкании контактов К2, складывается из тока I1, представляющего часть суммы токов в обмотках реле К4, К5 и тока I2 – части суммы токов в обмотках реле К6, К7. максимальные значения токов I1, I2, I определяются следующим образом:

Здесь: Iк4, Iк5, Iк6, Iк7 – токи, проходящие соответственно в обмотках реле К4, К5, К6, К7.

где:

• 220 – напряжение источника питания (В);
• 9300, 9250 – сопротивления постоянному току, соответственно, обмотки реле РП-23 и последовательно соединенной с добавочным резистором обмотки реле РП-223 (Ом).

Минимальный ток срабатывания реле К8 (РП-23):

Таким образом, величина тока, проходящего в обмотке реле К8 при размыкании контактов К2, недостаточна для срабатывания реле (Если Iм > Iср.к8, то реле К8 сработает при выполнении условия tб > tср, где:

• tср – время, в течении которого Iм > Iср.к8;
• tб – время срабатывания реле К8.

Гипотеза двух ударов

В отличие от онкогенов , гены-супрессоры опухолей обычно следуют гипотезе двух совпадений , которая гласит, что оба аллеля, кодирующие определенный белок, должны быть затронуты, прежде чем эффект проявится. Если поврежден только один аллель гена, другой все еще может производить достаточное количество правильного белка для сохранения соответствующей функции. Другими словами, мутантные аллели супрессоров опухолей обычно рецессивны , тогда как мутантные аллели онкогенов обычно доминируют .

Модели подавления опухоли

Гипотеза двух ударов была впервые предложена А.Г. Кнудсоном для случаев ретинобластомы . Он заметил, что 40% случаев заболевания в США были вызваны мутацией в зародышевой линии. Однако у пораженных родителей могут быть дети без заболевания; но здоровые дети стали родителями детей с ретинобластомой. Это указывает на то, что можно унаследовать мутировавшую зародышевую линию, но не проявить болезнь. Кнудсон заметил, что возраст начала ретинобластомы следует , подразумевая, что необходимы два независимых генетических события. Он признал, что это соответствует рецессивной мутации с участием одного гена, но требует биаллельной мутации. Наследственные случаи включают наследственную мутацию и единственную мутацию нормального аллеля. Ненаследственная ретинобластома включает две мутации, по одной на каждый аллель. Кнудсон также отметил, что в наследственных случаях часто развиваются двусторонние опухоли, и они будут развиваться раньше, по сравнению с ненаследственными случаями, когда люди были поражены только одной опухолью.

Есть исключения из правила двух ударов для супрессоров опухолей, такие как определенные мутации в продукте гена p53 . Мутации p53 могут функционировать как доминантно-отрицательные , что означает, что мутировавший белок p53 может препятствовать работе природного белка, продуцируемого немутантным аллелем. Другие гены-супрессоры опухолей, которые не следуют правилу двух ударов, — это те, которые проявляют гаплонедостаточность , включая PTCH в медуллобластоме и NF1 в нейрофиброме . Другой пример — это p27 , ингибитор клеточного цикла, который при мутации одного аллеля вызывает повышенную восприимчивость к канцерогенным веществам.