Geçici Bastırma Cihazları / Transient Suppression Devices

Devrelerimize güç sağlamak için kullandığımız AC veya DC güç kaynaklarının hem temiz hem de iyi düzenlenmiş kaynaklar olduğunu düşünmek isteriz. Bununla birlikte, bir mikrodenetleyici projesinin parçası olarak AC endüktif yüklerin anahtarlanması veya DC röle kontaklarının ve DC motorların anahtarlanmasının tümü, bakımı zor olan bir güç kaynağı kalitesi üretmek için birleşir.

Bu endüktif anahtarlama geçişleri, motor, solenoid bobin veya röle bobini gibi bir tür endüktif veya reaktif yük aniden kapatıldığında meydana gelir. Manyetik alanının hızla çökmesi, kararlı durum kaynağının üzerine bindirilen geçici bir voltajı indükler. Bu endüktif anahtarlama voltajı geçişleri 1000 volta ulaşabilir.

Geçici olaylar, daha önce depolanmış endüktif veya kapasitif bir enerjinin aniden serbest bırakılması nedeniyle elektrik devrelerinde meydana gelen çok dik voltaj adımlarıdır. Bu da yüksek bir geçici voltaj veya dalgalanma oluşmasına neden olur. Bazı anahtarlama hareketlerinden dolayı devreye bu ani enerji salınımı, teorik olarak herhangi bir sonsuz değerde olabilen dik bir enerji darbesi şeklinde bir geçici voltaj yükselmesi yaratır.

Geçici Bastırma

Bu yüksek dv/dt geçici anahtarlama artışı ya çok kısa bir süre için (mili saniye veya mikro saniye) var olabilir ya da sık sık kısa süreler içinde, örneğin günde iki ya da üç kez rastgele ortaya çıkabilir. .

Ayrıca voltaj geçişlerinin her zaman sıfır voltta veya bir döngünün başında başlamadığını, ancak başka bir voltaj seviyesinin üzerine bindirilebileceğini de anlamalıyız. Her iki durumda da, geçici olaylar kötüdür çünkü elektronik ekipmana zarar verebilirler ve bu nedenle bastırılmaları ve kontrol edilmeleri gerekir.

Geçici bastırma cihazları, ark kontaklarından filtrelere, katı hal yarı iletken cihazlara kadar birçok formda olabilir. Metal-oksit Varistör veya MOV gibi ayrık yarı iletken geçici bastırma cihazları, istenmeyen ve potansiyel olarak yıkıcı geçici olaylar üzerinde sıkı kontrol uygulanmasını mümkün kılan çeşitli enerji soğurma ve voltaj derecelendirmelerinde mevcut oldukları için açık ara en yaygın olanlardır. voltaj yükselmeleri.

Geçici akım bastırma cihazları, bir devre boyunca yayılmasını önleyen bir geçici akımın enerji değerini azaltmak veya azaltmak için yükle seri olarak kullanılabilir veya geçici akımı genellikle toprağa yönlendirmek için yüke paralel olarak kullanılabilir. Bu nedenle artık gerilimi sınırlayın veya sabitleyin.

Geçici gerilimin zayıflaması, genellikle yük devresine seri bağlanmış alçak geçiren filtreler kullanılarak gerçekleştirilir. Bir voltaj geçişi meydana geldiğinde, genellikle hızlı hareket eden, yüksek frekanslı bir yükselmedir. Bu nedenle filtre bu yüksek frekans geçişini azaltır veya bloke ederken yine de düşük frekanslı gücün veya sinyal bileşeninin bozulmadan devam etmesine izin verir. Geçici zayıflatıcılara iyi bir örnek, şebeke filtreli uzatma kablolarıdır.

Bir geçici akımın yönlendirilmesi, genellikle voltaj kenetleme tipi bir cihaz kullanılarak veya yaygın olarak levye tipi cihaz olarak adlandırılanlar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu paralel bağlı cihazlar, içlerinden akan akım, Ohm Yasası tarafından verildiği gibi, terminalleri boyunca gerilime doğrusal olmadığı için doğrusal olmayan bir empedans özelliği sergiler.

Geçici Bastırma

MOV gibi bir voltaj kenetleme cihazı, cihazdan geçen akıma veya terminalindeki voltaja bağlı olarak değişken bir empedansa sahiptir. Normal kararlı durum çalışma koşulları altında, cihaz yüksek bir empedans sunar ve bu nedenle bağlı devre üzerinde hiçbir etkisi yoktur.

Bununla birlikte, bir voltaj geçişi meydana geldiğinde, cihazın empedansı, üzerindeki voltaj arttıkça cihazdan çekilen akımı artırarak değişir. Sonuç, geçici voltajın belirgin bir şekilde sıkıştırılmasıdır. Bir kenetleme cihazının volt-amper özelliği genellikle zamana bağlıdır, çünkü akımdaki büyük artış, cihazın çok fazla enerji harcamasına neden olur.

Levye cihazları, anahtarlama tipi bir açma eyleminin bir sonucu olarak aşırı voltaj yükselmelerini bir devreden uzaklaştıran başka bir tür geçici bastırma cihazıdır. Levye cihazları, normal kararlı durum koşulları altında devre üzerinde hiçbir etkileri olmadığı için çalışma açısından bir zener diyotuna benzer. Bir geçici olay algılandığında, geçici olayı paralel bağlı yükten uzaklaştıran çok düşük bir empedans yolu sunarak hızla “AÇIK” duruma geçerler.

Daha sonra ayrık geçici bastırma cihazları, bağlantı ve çalışma türlerine bağlı olarak üç temel kategoriye ayrılabilir.

  • Seri (engelleme) bağlı Düşük Geçişli Filtreler.
  • Paralel (şöntleme) bağlı Gerilim Kıskaçları ve Gerilim Kırpıcıları.
  • Paralel (şöntleme) bağlı Crowbar cihazları.

ve bu şu şekilde gösterilebilir:

Geçici Bastırma Cihazları

Geçici Bastırma
Geçici Bastırma Cihazları

Seri Geçici Bastırma Filtreleri

Seri Geçici Bastırma Filtreleri Bir AC güç hattındaki geçici olaylar, normal şebeke voltajının birkaç volt ile birkaç kilo-volt arasında değişebilir. Bu geçici akımları azaltan veya bloke eden bastırma cihazları, bağlı yüke seri olarak 100 Hz’lik bir filtre takarak şebekeden kaynaklanan bu geçici akımları etkin bir şekilde ortadan kaldırmak için filtre devrelerini kullanır.

Bir hızlı anahtarlama geriliminin frekans bileşeni, AC kaynağının yavaş hareket eden temel frekansından çok daha yüksek olabilir. Bu nedenle, bu istenmeyen geçişleri azaltmak ve kontrol etmek için bariz bir seçim, kaynak ve yük arasında düşük geçişli bir filtre bölümü kullanmaktır.

LC filtresi gibi düşük geçişli filtreler, herhangi bir yüksek frekans geçişini azaltmak ve düşük frekanslı gücün veya sinyalin bozulmadan geçmesine izin vermek için kullanılabilir. Geçici olay bastırma filtresinin en basit biçimi, herhangi bir yüksek frekanslı geçici olayı azaltmak için doğrudan güç hattının karşısına yerleştirilmiş bir direnç-kapasitör RC filtresidir.

AC güç uygulamaları için tasarlanan filtreler genellikle, zayıflama derecesi filtredeki LC aşamalarının sayısına bağlı olan çok aşamalı LC filtreleri oluşturmak için endüktanslar ve kapasitörlerden oluşur. Tipik bir seri bağlı AC ana şebeke geçici bastırma filtresi aşağıda gösterilmiştir.

Tipik Geçici Bastırma Filtresi

Geçici Bastırma
Tipik Geçici Bastırma Filtresi

Bu temel iki aşamalı düşük geçişli AC filtre, frekans aralığı boyunca hattan hatta ve hattan toprağa arasında yüksek bir ekleme kaybı sağlar. Herhangi bir yüksek frekanslı geçici akımı ve gürültünün bağlı yüke ulaşmasını durdurarak etkili geçici voltaj koruması sunar. Ayrıca bu şebeke güç filtreleri, voltaj yükselmelerini ve geçici akımları azaltmanın yanı sıra, güç kaynağı tarafından verilen radyo frekansı parazitlerini veya emisyonlarını ortadan kaldırmaya yardımcı olabilir.

Gerilim Sıkıştırma Geçici Bastırıcılar

Voltaj kıskaçları, bir devre boyunca bir geçici akımın genliğini sınırlamak için kullanılır. Bir voltaj kenetleme cihazı, önceden ayarlanmış bir eşik voltajı aşıldığında iletmeye başlar, daha sonra aşırı voltaj eşik seviyesinin altına düştüğünde iletken olmayan bir moda geri döner. Böylece aşırı gerilim yükselmeleri, kenetleme cihazı tarafından güvenli bir seviyeye indirilir.

Voltaj kenetleme cihazları genellikle kaynağın karşısına ve onu istenmeyen yüksek dv/dt voltaj geçişlerine karşı korumak için yüke paralel olarak yerleştirilir. Bir voltaj kıskaç, bir DC kaynağı boyunca bir zener diyot kadar basit bir şey olabilir, ancak çift yönlü AC kaynakları için, aşırı voltaj koruması için metal oksit varistörü (MOV), bastırma diyotları veya voltaja bağlı direnç (VDR) kullanmamız gerekir.

Voltaj kenetleme cihazlarının aşırı gerilim akımlarını yönlendirdiğini, bir filtrede olduğu gibi absorbe etmediklerini, bu nedenle geçici akımı yönlendirmek için kullanılan yolun devre için kendi problemlerini üretmediğinden veya yaratmadığından emin olmak için özen gösterilmelidir.

Zener Diyot Geçici Bastırıcılar

Zener diyotları, DC kaynaklarında (tek yönlü) koruma için kullanılır, çünkü bunlar ileri kutuplu yönlerinde normal diyotlar gibi davranırlar, ancak bozulurlar ve ters kutuplu yönlerinde hareket ederler. Böylece bir zener diyotun ters arıza gerilimi, VZ referans veya kenetleme gerilimi seviyesi olarak kullanılabilir.

VZ zener diyotları, ters yönde ve zener arıza geriliminin altında, beslemeye yüksek empedans gösterir ve çok az kaçak akım iletir. Bununla birlikte, zener üzerindeki voltaj, zener voltajından daha büyük olduğunda, aşırı voltaj geçişine çok düşük bir empedans yolu sergileyerek üzerindeki voltaj arttıkça iletimi kademeli olarak artarak bozulmaya başlar.

Zener Geçici Bastırma

Geçici Bastırma
Zener Geçici Bastırma

Bir kaynağa veya korunan bileşenlere bağlandığında, zener diyot, ters arıza voltajının altında yüksek bir empedansa ve ters arıza voltajının üzerinde düşük bir empedansa sahip olduğu için geçici bir voltaj görünene kadar etkili bir şekilde “görünmez” olur.

Zener arıza çalışma modundayken, yani bir geçici olayı bastırırken, diyot, ani yükselmeyi güvenli bir seviyeye sınırlamak için aşırı voltajı anında kelepçeler ve ardından geçici voltaj zener voltajının, VZ altına düştüğünde normale döner. . Daha sonra kenetleme gerilimi, VC, bu nedenle, zenerin ters arıza gerilimine eşittir. Bu kenetleme özellikleri nedeniyle, zener diyot, potansiyel olarak zarar verici akımları korunan yükten uzağa kıstırdığı için geçici olayları bastırmak için kullanılır.

Zener diyotun aşırı gerilim akımı ve güç kapasitesi, bağlantı alanı ile yaklaşık olarak orantılıdır. Çoğu zener diyotu, düşük güç ve voltaj seviyelerinde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Daha yüksek voltaj seviyelerinde çalışmak ve daha yüksek dalgalanma akımlarını hasar görmeden emmek üzere tasarlanmış Zener diyotları, Çığ Diyotları olarak bilinir.

Daha önce, tek bir zener diyotun, ileriye dönük diyot özelliklerinden dolayı, kararlı durum DC kaynaklarında yalnızca geçici bastırma için kullanılabileceğini söylemiştik. Ancak iki zener diyotu “arka arkaya” bağlayarak, çift yönlü bir AC kaynağında kenetleme özelliklerini kullanabiliriz.

Zener Geçici Bastırma

Geçici Bastırma
Zener Geçici Bastırma

İki zener diyotu arka arkaya bağlayarak, artık hem pozitif yarı döngüyü bir zener diyotuyla aşırı gerilim geçişlerinden hem de diğeriyle negatif yarı döngüyü koruyabiliriz.

Her iki zener diyotu da aynı ters arıza voltajına sahipse, bir zener diyotu etkili bir şekilde ters önyargı modundayken diğeri ileri önyargıda olacağından, kutuplardan birinin geçici voltajı aynı zener voltaj seviyesinde kenetlenir. modu.

Bir AC kaynağının geçici olarak bastırılması için iki arka arkaya zener diyotu kullanılabilirken, geçici voltaj bastırıcı (TVS) cihazları, tek bir cihazda yerleşik olarak bulunan ve onları AC güç uygulamaları için ideal kılan karşıt bağlantılara sahip olarak mevcuttur. Çift yönlü çığ diyotları, çeşitli voltaj ve güç seviyelerinde mevcuttur.

MOV Geçici Bastırıcılar

Zener diyotlar ve hızlı kurtarma çığ diyotları aşırı gerilimleri kenetlemede hızlı hareket eder ve etkili olsa da, en yaygın aşırı gerilim bastırma kenetleme tekniği metal oksit varistörlerinin veya MOV’ların kullanılmasıdır. Metal oksit varistörleri, yüksek voltaj değerlerinin yanı sıra, daha yavaş bir hızda olsun, çok daha büyük aşırı akım akımlarını işleme kapasitesine sahiptir ve aşırı voltaj geçişleri gibi aşırı voltajlardan korumak için hem DC hem de AC güç hatlarında kullanılabilir.

MOV, yük veya korunacak bileşenle paralel (şönt) olarak yerleştirilmiş yarı iletken gerilime bağlı değişken bir dirençtir. MOV’lar düşük voltajda yüksek dirence ve yüksek voltajda düşük dirence sahiptir ve doğrusal olmayan voltaj-akım özellikleri, onları güç hattı dalgalanmalarına ve aşırı voltaj geçişlerine karşı korumada faydalı kılar.

MOV’lar arka arkaya zener diyotlara benzer şekilde davranırlar, çünkü üzerindeki voltaj arttıkça geçici akımın iletimi ile çift yönlü voltaj kenetleme için kullanılabilirler. Bu küçük disk şeklindeki metal oksit tipi varistörler, her iki yönde de yüksek arıza voltajları sunar ve daha yüksek miktarda enerji emebilir, genellikle watt yerine joule olarak derecelendirilirler.

MOV Geçici Bastırma

Geçici Bastırma
MOV Geçici Bastırma

Bir voltaj kenetleme cihazı olan metal oksit varistörleri, terminallerindeki voltaj önceden belirlenmiş arıza değerinin altında olduğunda, daha çok voltaja bağlı bir direnç (VDR) gibi davranarak çok yüksek dirençler sunar. Her iki polaritenin de yüksek geçici voltajına maruz kaldığında, cihazın elektriksel özellikleri değişir ve voltajı güvenli bir seviyeye sıkıştırarak direnci çok küçük olur.

Daha sonra metal oksit varistörünün geçici bir bastırma cihazı olarak kullanıldığında asıl amacı, çoğu uygulamada olduğu gibi, üzerinde oluşan voltajı güvenli bir seviyeye kenetlemektir, cihaz korunacak devre veya cihaza paralel olarak yerleştirilir.

Crowbar Geçici Bastırıcılar

Paralel (şönt) bağlı geçici bastırma cihazının başka bir türü, levye koruması olarak bilinir. Elektronik levye cihazları, yalnızca birkaç voltluk bir voltaj düşüşüyle ​​sonuçlanan iletken bir açık-durumu tetikleyerek önceden ayarlanmış bir eşik voltajı aşıldığında çalışır, bu nedenle levye adı .

Levye cihazları ve devreleri, bir tetikleme voltajına ulaşıldığında etkin bir şekilde kısa devre oluşturur ve genellikle sabit bir çıkış voltajı, örneğin sabit bir 12 volt veya 5 volt üretmek üzere tasarlanmış stabilize güç kaynaklarında bulunur, ancak aynı zamanda aşağıdakiler için de kullanılabilir. bir devreyi veya yükü geçici aşırı gerilimlerden koruyun.

Yarı iletken tabanlı aktif levye devreleri, yük ile paralel (şönt) olarak yerleştirilir ve çok büyük darbe akımlarını zayıflatma yeteneğine sahiptir. Tristörler, düşük “durumda” voltaja sahip oldukları ve voltaj seviyelerini zarar verici seviyelerin çok altında tutabildikleri için genellikle levye devrelerinde kullanılır. Ateşlendikten sonra, çok düşük empedanslı tip anahtar olarak hareket ettikleri için önemli miktarda geçici enerjiyi kendi aralarında toprağa yönlendirebilirler.

Buradaki dezavantaj, özellikle bir DC sisteminde, güç kaynağı tarafından kısa devre yapıldığından, levye kelepçesini “AÇIK” konuma getirmek için ek komütasyon devresi sağlanmazsa, bu kısa devrenin devre sigortalarının veya devre kesicilerin çalışmasına neden olabilmesidir. levye cihazı ve çıkış voltajı bu nedenle sıfır olacaktır. Aşağıdaki basit levye sıkma devresini düşünün.

Temel Crowbar Sıkma Devresi

Geçici Bastırma
Temel Crowbar Sıkma Devresi

Burada, kaynağın karşısına bir tristör veya SCR yerleştirilir ve yük, R1 ve R2 dirençleri tarafından kurulan voltaj bölücü devresi ile, tristör kapısını normal çalışma sırasında “AÇIK” olarak tetiklenmeyecek kadar düşük bir seviyede önyargıya ayarlayacak şekilde ayarlanır. O zaman SCR kesilir ve iletken değildir.

Bununla birlikte, bir aşırı voltaj geçişi meydana geldiğinde ve önceden belirlenmiş bir seviyenin üzerine çıktığında, rezistör R2 boyunca voltaj düşüşü de artar ve SCR’nin kapısını iletime tetiklemek için yeterli hale gelir, bu da sırayla yükü koruyan voltaj geçişini kıstırır. Buradaki sorun, yük aşırı gerilimden korunurken güç kaynağını korumayarak güç kaynağının sigortasının atmasıdır. O zaman, güç kaynağının kısa devre edilmesiyle oluşturulan geçici akımdan yükün koruması, onu tetikleyen olaydan daha büyük olabilir.

AC güç kaynaklarının aşırı voltaj koruması için tristörlerin kullanılmasının yanı sıra, triyaklar bir kazayağı cihazı olarak kullanılabilir ve benzer şekilde iletime tetiklenebilir. AC kaynaklarının kazayağı koruması için tristör veya triyak kullanmanın avantajı, bunların her yarım döngüde otomatik olarak kapanmalarıdır.

Bu nedenle, bir milisaniyenin küçük bir kesri kadar kısa süreli bir geçici olay, levye cihazını tetiklerse, manevra eylemi yalnızca bağlı olduğu AC güç hattını en az bir yarım döngü için kısa devre yapar ve bu sigorta için çok hızlı olabilir. – üflemek için bağlantı.

Zener Crowbar Geçici Bastırıcılar

Aşırı voltaj durumunu tespit etmek için bir zener diyot kullanarak yukarıdaki temel levye devresinin geçici algılamasını ve performansını iyileştirebiliriz. Burada rezistif voltaj bölücü devre gösterildiği gibi bir zener diyot ile değiştirilmiştir.

Zener Crowbar Sıkma Devresi

Geçici Bastırma
Zener Crowbar Sıkma Devresi

DC besleme gerilimi, VS, bir geçici olay algılama bileşeni gibi davranan ve zener gerilimi, VZ derecesi, SCR’nin açıldığı gerilim seviyesini belirleyen zener diyotu tarafından izlenir. DC besleme voltajı, zener diyotun ters öngerilim değerinden düşük olduğunda, zener diyotu iletmez, bu nedenle SCR kapısına hiçbir voltaj veya akım uygulanmaz, bu nedenle iletken olmayan “KAPALI” kalır.

Besleme voltajı, bir aşırı voltaj geçici durumunda olduğu gibi zener voltaj derecesinin üzerine çıkarsa, zener diyotu, kapı akımının SCR’ye akmasına izin vererek, “AÇIK” duruma getirir ve yük besleme voltajını kısa devre yapar ve sigortayı atar. Daha sonra yük, zener voltajının üzerindeki geçici voltajlardan korunur, zener diyot olarak VZ, SCR’nin kendisi şönt akımının büyük kısmını taşıyacağından, SCR’nin “AÇIK” duruma gelmesi için kapı akımını taşır.

Bu zener kazayağı devresi, temel voltaj bölücü şebekesinde bir gelişme olsa da, zener kırılma voltajındaki diz keskin bir yükselme yerine eğri olduğu için yumuşak bir açma hareketinden muzdariptir. Tek bir amplifikatör devresi veya op-amp devresi şeklinde algılama ve tetikleme devresine bir miktar voltaj kazancı eklenerek değiştirilebilen ve daha da geliştirilebilen temel levye devresi.

Bu amaçla, yerleşik bir aşırı voltaj tetikleyicisine sahip tristörler, tek yönlü veya çift yönlü geçişleri ve voltaj dalgalanmalarını levye etmek için tasarlanmıştır. 15 voltluk güç kaynaklarını korumak için tasarlanmış RCA SK9345 serisi IC levyeleri, 112 voltu koruyan SK9346 ve SK9347 hangi 115 volt beslemesini korur.

Hepsi, yerleşik bir zener diyotu, transistörleri ve bir SCR’yi içeren entegre bir devre kullanır. MC3423 aşırı voltaj levye algılama devresi, harici bir levye SCR ile kullanılmak üzere tasarlanmış tek bir IC’dir.