Protection de REA contre les impulsions haute tension dans le réseau. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Les auteurs présentent un problème peu connu de la plupart des lecteurs - la protection des équipements ménagers contre les impulsions de tension haute tension (plus de 400 V) uniques dans le réseau d'alimentation 220 V, parlent de ses options de mise en œuvre, rendent compte des composants des dispositifs de protection produits par l'industrie.

La présence d'impulsions de tension atteignant 220 V ou plus dans le réseau d'alimentation en courant alternatif 50 V x 1000 Hz n'est pas nouvelle pour les spécialistes. Pour un large éventail de consommateurs d'électricité, ces impulsions sont une découverte. L'article envisage les possibilités de protection des équipements contre les impulsions se produisant dans le réseau d'une durée allant de quelques dixièmes de microseconde à quelques millisecondes. Les surtensions plus longues - plus d'un demi-cycle d'une sinusoïde avec une fréquence de 50 Hz - sont éliminées par d'autres moyens qui ne sont pas couverts ici. Les raisons de l'apparition de ces impulsions sont différentes et sont décrites dans la littérature, par exemple dans [1].

L'énergie des impulsions haute tension dans le réseau d'alimentation peut atteindre plusieurs kilojoules. Les méthodes connues et largement utilisées pour réduire le bruit impulsionnel dans les circuits de puissance utilisant des filtres LC et RC, des écrans entre les enroulements des transformateurs de réseau et d'autres méthodes ne fournissent souvent pas la réduction nécessaire de l'énergie des impulsions au niveau des broches d'alimentation des microcircuits. On note que des impulsions d'énergies allant jusqu'au millijoule atteignent en fait les microcircuits, qui sont tout à fait capables de désactiver l'équipement.

D'autres méthodes bien connues pour limiter le niveau des impulsions dans divers circuits d'équipements électroniques, en particulier sur les panneaux électriques des réseaux de distribution, sont associées à l'utilisation de dispositifs à décharge gazeuse et à semi-conducteurs. Les dispositifs à décharge gazeuse, en pratique souvent appelés éclateurs, ne fournissent pas toujours le résultat souhaité en raison de la vitesse relativement faible et sont plutôt encombrants.

Les dispositifs à semi-conducteurs largement utilisés pour réduire le bruit transitoire comprennent les varistances à oxyde métallique, les dispositifs à semi-conducteurs à usage général et les suppresseurs de tension à semi-conducteurs spéciaux. Les varistances sont des résistances avec une caractéristique courant-tension fortement non linéaire, leur résistance diminue considérablement avec l'augmentation de la tension appliquée. Par dispositifs semi-conducteurs à usage général, on entend les diodes Zener, les diodes pulsées et à barrière Schottky, les défenseurs.

Pour les limiteurs de tension à semi-conducteurs spéciaux, qui seront discutés ci-dessous, la caractéristique courant-tension est similaire à la diode Zener. Leur principale différence par rapport aux diodes Zener et aux autres dispositifs à semi-conducteurs à usage général est leur capacité à dissiper une grande puissance pulsée. Les varistances modernes, légèrement inférieures aux limiteurs considérés en termes de temps de réponse, les concurrencent en termes de fabricabilité et de coût. Cependant, les caractéristiques des varistances se détériorent pendant un certain temps après l'impact de chaque impulsion parasite. Les limiteurs à semi-conducteurs n'ont pas ce phénomène. Considérant que des dispositifs avec une vitesse maximale et une stabilité des caractéristiques sont nécessaires pour protéger les équipements électroniques, ils doivent être privilégiés.

Au début des années 90, GSI (USA) a produit plus d'un millier de variétés de suppresseurs de tension à semi-conducteurs avec une puissance d'impulsion maximale autorisée allant jusqu'à 60 kW et une tension limite de 0,7 à 3000 V. À l'heure actuelle, des limiteurs similaires d'une puissance allant jusqu'à 30 kW pour une tension comprise entre 3 ... 1000 V sont également produits dans la CEI.

Le principe de fonctionnement du limiteur est d'ouvrir sa jonction pn fermée si la tension inverse qui lui est appliquée dépasse le niveau de seuil. En d'autres termes, le limiteur se comporte de manière similaire aux diodes zener, cependant, la caractéristique du processus tunnel-lavion est que seuls les porteurs majoritaires portent les charges, il n'y a donc pas d'accumulation indésirable de porteurs minoritaires. Ceci est principalement dû à la vitesse élevée du limiteur.

La caractéristique courant-tension (VAC) du limiteur est illustrée à la fig. 1. Comme la diode Zener, elle est asymétrique.

Pour limiter les impulsions des deux signes, il convient d'activer deux limiteurs de manière anti-séquentielle. Le CVC d'une telle paire est symétrique (Fig. 2).

Les suppresseurs de tension à semi-conducteur disponibles dans le commerce sont généralement évalués selon les caractéristiques suivantes :

• Rmp max - puissance de dissipation maximale autorisée des impulsions pour une forme et un rapport cyclique (K3) d'impulsions et une température ambiante donnés Tacr.av Indique le plus souvent la valeur de ce paramètre avec une durée d'impulsion exponentielle de 1 ms au niveau logp. imp max, avec une durée de front de 10 μs et K3 inférieur à 0,01 %, garantissant que la dissipation de puissance moyenne admissible par le cristal ou le boîtier de l'appareil n'est pas dépassée ;
• Iobr max - courant maximal inverse circulant à la tension inverse maximale ;
• Urev max - tension maximale inverse, qui ne doit pas dépasser la valeur de fonctionnement (la tension de fonctionnement ne doit pas être limitée dans ce cas); la valeur de UoR max est généralement prise égale à 0,8 de la tension d'ouverture de l'appareil ;
• Uopen et Iopen - la tension et le courant d'ouverture de l'appareil, correspondant au point d'inflexion sur la branche de travail de la caractéristique courant-tension;
• Ulim. imp - tension de limitation - tension inverse d'impulsion à la valeur maximale du courant d'impulsion de limitation, en fonction de la puissance d'impulsion dissipée maximale autorisée ;
• Ipr.imp.max - courant maximal d'impulsion directe - courant continu admissible pour une forme, un cycle de service et une température ambiante donnés ;
• Upr.imp.max - chute de tension maximale d'impulsion directe à travers le limiteur au courant Ipr.imp.max. ;
• Kogr - coefficient de restriction égal au rapport Ulimit. imp max / Uouverture ; Kogr varie d'environ 1,3 à la puissance d'impulsion maximale Rimp max à 1,2 à 0,5 Rimp max ;
• ton - temps d'enclenchement pendant lequel l'appareil s'ouvre dans le sens opposé (pour les limiteurs symétriques ton < 10-9 s).

Selon les valeurs de ces caractéristiques, le consommateur peut choisir le limiteur de tension nécessaire pour protéger les équipements électroniques. Un limiteur symétrique (à deux bras) est connecté au réseau AC en parallèle avec la charge utile. Dans le mode normal du réseau, ses deux bras sont fermés et seul un très faible courant inverse le traverse aux deux demi-périodes. Autrement dit, le limiteur ne se dévoile en rien, consommant une - très petite - puissance (centièmes de watt).

Dès qu'une impulsion de tension haute tension apparaît dans le réseau qui dépasse Uouverture du limiteur, ses deux bras s'ouvrent, l'un dans le sens direct, l'autre dans le sens opposé. En conséquence, l'impulsion sera bloquée et la tension à la charge à ce moment ne dépassera pas Ulimit.

Il convient de noter que la valeur de Rimp max dépend de la durée de l'impulsion chi supprimée et dans τi = 0,1...10 ms est approximativement proportionnelle au rapport 1/τi. Lorsque la température ambiante augmente, Tacr. cf de 40 à 100CC, la puissance dissipée Rmp max doit être réduite environ proportionnellement à 0,024 Tacr. cf.

Pour réduire l'amplitude des impulsions haute tension sur le chemin du réseau 220 V vers les bornes d'alimentation des microcircuits, il est conseillé d'inclure des limiteurs dans l'alimentation [2].

Si des impulsions apparaissent dans le réseau d'alimentation, dont l'énergie est supérieure à celle autorisée pour le limiteur appliqué, elle, comme la diode zener, avec trop de courant de stabilisation, surchauffera et tombera en panne. À partir de ce moment, les équipements connectés au réseau ne seront plus protégés.

Par conséquent, un inconvénient important de l'utilisation de limiteurs est le manque d'informations sur leurs performances ou leur défaillance après exposition à des impulsions puissantes. Pour donner une indication de l'état correct du limiteur symétrique, il est composé de deux simples et un circuit de trois diodes veto s et de deux résistances de limitation de courant y est connecté (Fig. 3).

Une caractéristique de l'indicateur de santé est l'utilisation de LED dans un mode non standard. Avec des limiteurs réparables VD1 et VD2 et un demi-cycle positif de la tension secteur (plus - sur le fil supérieur du réseau selon le circuit), le courant circule librement à travers le limiteur VD1, ouvert dans le sens direct, et à travers la LED HL1. Le limiteur VD2 est fermé à ce moment.

En conséquence, presque toute la tension secteur est appliquée au circuit HL3R2 et à la diode veto - dans le sens opposé. Par conséquent, la LED HL3 s'ouvre dans le sens opposé * ; le courant qui le traverse limite la résistance R2. Ainsi, un courant d'environ 2 mA traverse tout le circuit du fil positif au fil négatif. Cela suffit pour fournir une lueur perceptible de la LED "verte" HL1. La LED HL2 ne s'allume pas car trop peu de tension (moins de 2 V) est appliquée au circuit HL1R3.

Lorsque la polarité de la tension secteur est inversée, les mêmes processus se produisent, seuls VD1 et VD2, R2 et R1, HL3 et HL2 changent de place. C'est-à-dire que l'état de fonctionnement des limiteurs est confirmé par le signal vert de l'indicateur. Dans certains cas, l'indicateur décrit peut simultanément servir d'indicateur de présence de tension secteur.

Il est facile de voir que lorsque le limiteur VD1 tombe en panne (casse), la LED "verte" HL1 s'éteint et la LED "rouge" HL2 s'allume, et lorsque le limiteur VD2 est endommagé, la LED "rouge" HL3 s'allume.

Le module décrit, nommé ZA-0, a été développé à Computer Engineering and Industrial Electronics OJSC (Moscou) en collaboration avec NPK Quark (Tachkent) et maîtrisé en production en série. L'apparence du module est montrée sur la photo (Fig. 4).

Principales caractéristiques du module

• Puissance maximale admissible d'impulsion, kW, pas moins de, à une température ambiante de 25°С......1,5
• L'amplitude de la tension alternative d'ouverture des limiteurs, V, à une température ambiante de 25 ° C (courant d'ouverture 1 mA) ..... 400 ± 20
• Coefficient de restriction,......1,2... 1,3
• Intensité lumineuse des LED, mcd, pas moins de ...... 0,5
• Puissance consommée du réseau en l'absence d'impulsions haute tension, W, pas plus de ...... 0,5
• Dimensions du boîtier**, mm, pas plus de......32x12x10
• Poids, g, pas plus de ...... 10

Le corps du module est réalisé en plastique par coulage dans un moule. Version climatique UHL, catégorie de placement 4.2 selon GOST 15150. En termes de protection contre les chocs électriques, le produit appartient à la classe II selon GOST 2757.0.

Le module ZA-0, en plus de l'installation dans les alimentations pour REA, est recommandé pour un large éventail d'utilisateurs et de radioamateurs pour une utilisation dans les laboratoires, les bureaux et les appartements pour protéger les appareils électroniques industriels et domestiques branchés sur les prises de courant alternatif 220 V. À cet effet, une version du produit a été développée, qui a reçu le nom de ZA-01. Ici, le boîtier du module est équipé de broches standards qui permettent de le brancher sur n'importe quelle prise libre de la pièce.

Le développement du module de protection ZA-0 a été approuvé par le Fonds scientifique et technique "Energy Electronics", qui a aidé au développement de produits en production de masse.

Des modules de protection pour 5 kW (ZA-1) et 30 kW (ZA-2), ainsi que des variantes de ces produits avec prises (ZA-11 et ZA-21) sont en cours de maîtrise en production. Ces modules doivent être utilisés dans les cas où ceux d'un kilowatt et demi ne peuvent pas supporter les impulsions du secteur à haute tension. Des modules pour la protection des réseaux à courant continu ont également été développés, conçus pour une puissance d'impulsion de 1,5 à 30 kW et une tension d'ouverture de 6,8 à 450 V.

Lors de la première étape d'utilisation des modules de protection ZA-0 et des produits basés sur ceux-ci, le fournisseur fournira aux clients un remplacement gratuit des modules défaillants par de nouveaux. Si les modules échouent à nouveau, le consommateur sera invité à acheter des appareils plus puissants. Si nécessaire, JSC "Génie informatique et électronique industrielle" (tél. à Moscou 330-06-38) effectuera une étude du réseau du consommateur et fera des propositions pour la protection de REA.

* Cette caractéristique des LED (et d'un certain nombre d'autres composants électroniques) a longtemps été remarquée, recherchée et largement utilisée par les radioamateurs. Voir par exemple l'article de I. Nechaev "LED as a zener diode" dans "Radio", 1997, n° 3, p. 51.

** Sans tenir compte de la longueur des câbles - 9 ... 12 mm et de la hauteur des boîtiers LED en saillie - 3 ... 5 mm.

littérature

1. Cherepanov V. P., Khrulev A. K., Bludov I. P. Dispositifs électroniques pour la protection des équipements électroniques contre les surcharges électriques. Annuaire. - M. : Radio et communication, 1994 (p. 17-21).
2. Kolosov V. A. Alimentation électrique de REA fixe. Théorie et pratique du design. - M. : Radio et communication, 1992 (p. 111, 112).

Auteurs : V. Kolosov, Moscou, A. Muratov, Tachkent, Ouzbékistan

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