วิธีการใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก AC แบบไฮบริดสำหรับการป้องกันไฟกระชากที่ได้รับการปรับปรุง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นที่แพร่หลายและก้าวหน้าอย่างรวดเร็วด้วยวงจรที่มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น โดยที่การป้องกันส่วนหน้ามีความสำคัญอย่างมากเมื่อเข้าถึงโครงสร้างพื้นฐานทางไฟฟ้า ซึ่งอาจมีหรือไม่มีการป้องกันแรงดันไฟกระชากและการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวที่ทันสมัยที่สุด สภาวะชั่วคราวเหล่านี้อาจเป็นผลมาจากฟ้าผ่า การสลับ หรือเหตุการณ์ไฟกระชากที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งอาจทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันไฟเกินและกระแสไฟเกินที่อาจสร้างความเสียหายหรือทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนเสียหายได้

เทคโนโลยีป้องกันไฟกระชากต้นทุนต่ำที่มีอยู่ เช่น ท่อปล่อยก๊าซ (GDT) และวาริสเตอร์ออกไซด์ของโลหะ (MOV) จะเบี่ยงเบนหรือจำกัดพลังงานไฟกระชาก จึงป้องกันไม่ให้เข้าถึงอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน อุปกรณ์แต่ละอย่างมีข้อดีต่างกันไป แต่อุปกรณ์ทั้งสองนี้มีขีดจำกัดของจำนวนชั่วคราวที่สามารถจัดการได้ก่อนที่จะล้มเหลว นอกจากนี้ GDT อาจไม่ปิดกระแสอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ MOV อาจล้มเหลวเนื่องจากการระบายความร้อนหลังจากการเปิดใช้งานเหตุการณ์ชั่วคราวจำนวนหนึ่ง

ในการจับภาพสิ่งที่ดีที่สุดของทั้ง GDT และ MOV ในขณะที่ลดข้อบกพร่องลง ส่วนประกอบของเทคโนโลยีไฮบริดได้ถือกำเนิดขึ้นในอุปกรณ์ที่รวมเป็นหนึ่งเดียวโดยมีขนาดทางกายภาพที่เล็กกว่าสำหรับการป้องกันไฟกระชากในระดับที่กำหนด แม้ว่าลักษณะที่เสริมกันของส่วนประกอบแบบผสานรวมจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของทั้งสองอย่างและยืดอายุการดำเนินงาน เพื่อให้มีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีการจับคู่องค์ประกอบ GDT และ MOV อย่างระมัดระวัง ติดตั้งอย่างถูกต้อง อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแบบไฮบริด IsoMOV™ เหล่านี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการรับรองความสอดคล้องตามมาตรฐาน IEC/UL62368-1 ซึ่งเป็นมาตรฐานตามความเป็นอันตรายสำหรับเทคโนโลยีสารสนเทศและอุปกรณ์ภาพและเสียง

บทความนี้จะกล่าวถึงวิธีการทำงานของเครื่องป้องกันไฟกระชาก GDT และ MOV โดยย่อ ก่อนที่จะตรวจสอบคุณลักษณะของตัวอย่างเครื่องป้องกันแบบไฮบริด IsoMOV ในโลกแห่งความเป็นจริงจาก Bourns สรุปโดยแสดงวิธีการใช้เทคโนโลยี IsoMOV เพื่อให้เป็นไปตาม IEC/UL62368-1

SPD ทำงานอย่างไร

ส่วนประกอบป้องกันไฟกระชากทำงานในหนึ่งในสองวิธี - อาจทำงานเป็นสวิตช์ เปลี่ยนทิศทางไฟกระชากลงกราวด์ (บางครั้งเรียกว่าชะแลง) หรืออาจจำกัดแรงดันไฟกระชากโดยการหนีบแรงดันสูงสุดให้อยู่ในระดับที่ลดลงโดยการดูดซับและกระจายพลังงานชั่วคราว

GDT เป็นตัวอย่างของเครื่องมือจำกัดชะแลง ประกอบด้วยช่องว่างของประกายไฟในก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยา เช่น อาร์กอน และเดินสายผ่านสายไฟ หากระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแรงดันพังทลายของ GDT โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์จะอยู่ในสถานะ "ปิด" อิมพีแดนซ์สูง หากเกิดชั่วคราวเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้าให้สูงกว่าแรงดันพังทลายของ GDT GDT จะเข้าสู่สถานะนำไฟฟ้าหรือ "เปิด" (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แสดงเป็นรูปคลื่นแรงดันและกระแสสำหรับ GDT ที่กำลังเปิดใช้งาน เมื่อแรงดันพังทลายเกิน แรงดันจะตกลงไปประมาณ 10 โวลต์ และกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก (แหล่งรูปภาพ: Bourns)

เนื่องจาก GDT มีสายผ่านอินพุตพลังงาน โดยทั่วไปจะทำให้แหล่งพลังงานสั้นลง ซึ่งจะกระตุ้นฟิวส์ เซอร์กิตเบรกเกอร์ หรืออุปกรณ์ป้องกันแบบอนุกรมอื่นๆ ซึ่งจะเป็นการป้องกันวงจรด้านล่างของ GDT โปรดทราบว่าในสถานะปิด แรงดันไฟฟ้าจะสูงและกระแสไฟฟ้าจะต่ำ ในสถานะเปิด สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นและพลังงานที่กระจายไปนั้นมีขนาดเล็กมาก ยกเว้นในช่วงเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะ การรีเซ็ตสถานะของ GDT จำเป็นต้องลดแรงดันไฟขาเข้าให้ต่ำกว่าแรงดันไฟตก ในกรณีที่อินพุตของสายไฟไม่ต่ำพอ GDT อาจไม่รีเซ็ตและดำเนินการต่อด้วยกระแส "ตาม" โดยเปิดไว้ ความเป็นไปได้ที่ GDT จะยังคงอยู่เป็นข้อจำกัดที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีป้องกันไฟกระชากประเภทนี้

MOV เป็นอุปกรณ์จับยึด เช่นเดียวกับ GDT ที่จะถูกวางขวางสายไฟเอาไว้ ในการทำงานปกติ MOV จะอยู่ในสถานะอิมพีแดนซ์สูงและดึงกระแสไฟรั่วเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ลักษณะแรงดันกระแสของ MOV แสดงการหนีบสองขั้ว (แหล่งรูปภาพ: Bourns)

ในกรณีที่เกิดแรงดันไฟกระชาก อิมพีแดนซ์ของ MOV จะลดลงและดึงกระแสมากขึ้น ทำให้กำลังไฟลดลง สิ่งนี้จะลดและจำกัดแรงดันไฟฟ้าของชั่วคราว เมื่อสิ้นสุดชั่วคราว อิมพีแดนซ์ MOV จะเพิ่มขึ้นและกลับสู่สถานะปกติ MOV ได้รับการจัดอันดับตามจำนวนเหตุการณ์ชั่วคราวที่สามารถทนได้ หลังจากเหตุการณ์ชั่วคราวหลายครั้ง กระแสไฟรั่วของ MOV อาจเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มพลังงานที่กระจายออกจากอุปกรณ์ ทำให้อุปกรณ์ร้อนขึ้น การให้ความร้อนจะเพิ่มกระแสไฟรั่วและอาจทำให้ MOV เข้าสู่ทางหนีความร้อน ส่งผลให้อุปกรณ์ล้มเหลวอย่างรุนแรง

เทคโนโลยีป้องกันไฟกระชากเหล่านี้ไม่เหมาะอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม หากวาง GDT และ MOV ไว้เป็นชุด ๆ กันในสายไฟ ลักษณะการทำงานที่เสริมกันจะชัดเจน ในการทำงานปกติ GDT จะปิด และไม่มีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลใน MOV ในระหว่างที่เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว ไฟ GDT จึงวาง MOV ไว้ในวงจร MOV จะยึดไฟกระชากชั่วคราว เมื่อผ่านช่วงชั่วคราวไปแล้ว MOV จะดับลง ลดกระแสผ่าน GDT ทำให้ปิดได้เช่นกัน

เพื่อให้ GDT และ MOV อยู่ในซีรีส์ ต้องมีการจับคู่คุณลักษณะอย่างระมัดระวังเพื่อให้เสริมซึ่งกันและกันอย่างแม่นยำ การใช้งานแบบไม่ต่อเนื่องนั้นขึ้นอยู่กับตัวแปรที่หลากหลายตั้งแต่การออกแบบไปจนถึงการผลิต การทดสอบ และการบรรจุหีบห่อ ทำให้นักออกแบบหาคู่ที่เหมาะสมได้ยาก เพื่อจัดการกับความท้าทาย ตัวป้องกันแบบไฮบริด IsoMOV ของ Bourns ได้รวมชุด MOV และองค์ประกอบ GDT ที่จับคู่อย่างระมัดระวังเข้าไว้ในแพ็คเกจเดียวที่มีขนาดเล็กกว่าส่วนประกอบแต่ละชิ้นมาก (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: IsoMOV SPD เกิดจากการรวม GDT ระหว่างสอง MOV (a) สัญลักษณ์แผนผังประกอบจะแสดงทางด้านขวาใน (b) (แหล่งรูปภาพ: Bourns)

การตอบสนองแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวแบบคอมโพสิตของตัวป้องกันไฮบริด IsoMOV ในรูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบทั้งสองทำงานร่วมกันอย่างไร

รูปที่ 4: การตอบสนองแรงดันไฟฟ้าของตัวป้องกันไฮบริด IsoMOV แสดงส่วนประกอบ GDT ที่พังทลายลงเพื่อเปิดใช้งานส่วนประกอบ MOV ปกป้องวงจรดาวน์สตรีม (แหล่งรูปภาพ: Bourns)

องค์ประกอบทั้งสองของตัวป้องกันแบบไฮบริดของ IsoMOV ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมให้ทนต่อแรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุด (MCOV) โดยอิสระ ตามที่กล่าวไว้ GDT จะปิดกั้นกระแสไฟรั่วของ MOV เมื่อไม่มีกระแสไฟชั่วคราว แม้จะผ่านช่วงเวลาชั่วคราวหลายครั้ง GDT ก็ยังตัดระดับกระแสไฟฟ้ารั่วไหลของ MOV ที่เพิ่มขึ้น MOV ป้องกันกระแสไฟที่ตามมาหลังจากเกิดไฟกระชากชั่วขณะ จึงช่วยปกป้อง GDT รูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์ IsoMOV จะเพิ่มความจุไฟกระชากต่อหน่วยพื้นที่เมื่อเทียบกับ MOV เดียว

จากมุมมองของวิศวกรออกแบบ อุปกรณ์ IsoMOV มอบการป้องกันขั้นสูงในแพ็คเกจรวมขนาดเล็กที่ลดจำนวนส่วนประกอบและพื้นที่บอร์ดให้เหลือน้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น ISOM3-175-B-L2 เป็นตัวป้องกันไฮบริด IsoMOV ที่มี MCOV 175 โวลต์รูตกำลังสองเฉลี่ย (V_RMS) สามารถรองรับไฟกระชากขนาด 3 กิโลแอมแปร์ (kA) ได้อย่างน้อย 15 แรงดันไฟกระชากสูงสุด 470 โวลต์ (รูปที่ 5) มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 13.2 มิลลิเมตร และหนา 6.1 มิลลิเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางจะแปรผันตามความสามารถกระแสไฟฟ้าสูงสุด และความหนาจะเพิ่มขึ้นตาม MCOV ที่เพิ่มขึ้น

รูปที่ 5: ISOM3-175-B-L2 คือตัวอย่างรูปแบบกะทัดรัดของตัวป้องกันแบบไฮบริดของ IsoMOV แม้ว่าจะมี MOV สองชุดและ GDT หนึ่งชุด แต่ก็วัดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 13.2 มม. และความหนา 6.1 มม. (ที่มาของภาพ Bourns)

ตระกูล Bourns IsoMOV ประกอบด้วยพิกัดกระแสที่กำหนดที่แตกต่างกันสามแบบคือ 3 kA, 5 kA และ 8 kA โดยมีพิกัด MCOV ตั้งแต่ 175 ถึง 555 V_RMS อุปกรณ์ระดับกลาง ได้แก่ ISOM5-300-B-L2, 300 V_RMS, อุปกรณ์ 5 kA ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 17 มม. และความหนา 7.1 มม. ที่ปลายกระแสสูงคือ ISOM8-555-B-L2 ซึ่งเป็นอุปกรณ์ 8 kA ที่มีไฟ 555 V_RMSMCOV มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 23 มม. และหนา 9.4 มม. อุปกรณ์เหล่านี้ทั้งหมดมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ -40°C ถึง +125°C

ตัวป้องกันแบบไฮบริด IsoMOV ของ Bourns นำเสนอระดับการกระชากที่ล้ำสมัยในรูปแบบที่ประหยัดพื้นที่ เมื่อเทียบกับการใช้ MOV และ GDT แยกกัน มีกระแสรั่วไหลต่ำเป็นพิเศษ และซีรีส์ GDT ช่วยยืดอายุการใช้งานของ MOV นอกจากนี้ IsoMOV SPD ทั้งหมดยังระบุเป็นส่วนประกอบ UL1449 ประเภท 4 ทำให้ง่ายต่อการออกแบบให้เป็นอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก

ใช้การป้องกันตามระดับ IEC/UL62368-1

ส่วนประกอบ IsoMOV เป็นโซลูชันที่มีประโยชน์สำหรับการปฏิบัติตาม IEC/UL62368-1 มาตรฐานความปลอดภัย IEC/UL 62368-1 ใหม่สำหรับอุปกรณ์เทคโนโลยีการสื่อสารข้อมูลและภาพและเสียง อิงตามหลักการวิศวกรรมความปลอดภัยตามอันตราย (HBSE) เพื่อความปลอดภัยทางกายภาพของผู้ใช้อุปกรณ์และการใช้มาตรการความปลอดภัย โดยจะระบุแหล่งพลังงานที่อาจเป็นอันตรายและกระบวนการที่พลังงานสามารถส่งไปยังผู้ใช้ ทั้งในการทำงานปกติและภายใต้สภาวะที่ผิดพลาด

การออกแบบการป้องกันอินพุตไฟฟ้าที่แนะนำในรูปที่ 6 รวมถึงอุปกรณ์ป้องกันจากสายถึงกลาง แนวถึงพื้นป้องกัน และเป็นกลางถึงพื้นป้องกัน

รูปที่ 6: วงจรป้องกันอินพุตกำลังไฟที่แนะนำซึ่งสอดคล้องกับ IEC/UL62368-1 มีอุปกรณ์ป้องกันตั้งแต่สายถึงกลาง แนวถึงพื้นป้องกัน และเป็นกลางถึงพื้นป้องกัน (ที่มาของภาพ: Bourns)

GDT ที่ต่ออนุกรมกับ MOV หรือ IsoMOV ระหว่างสายและกราวด์หรือเป็นกลางถึงกราวด์จำเป็นเพื่อป้องกันไฟฟ้าช็อตที่อาจเกิดขึ้นหากใช้ MOV เพียงอย่างเดียว หากไม่ได้ต่อกราวด์ป้องกันไว้ กระแสไฟรั่วของ MOV เพียงอย่างเดียวอาจสูงพอที่จะทำให้ได้รับบาดเจ็บได้หากผู้ใช้สัมผัสกับเส้นทางกราวด์ที่แยกจากกัน การวาง GDT เป็นอนุกรมจะช่วยลดกระแสไฟรั่ว

อันตรายที่เกี่ยวข้องกับ MOV และอุปกรณ์ที่มี MOV ได้แก่ การช็อตเนื่องจากกระแสไฟฟ้ารั่วไหลมากเกินไป และความเป็นไปได้ที่จะเกิดไฟไหม้ เนื่องจากโหมดความล้มเหลว MOV จึงถือเป็นแหล่งที่มาของการจุดไฟที่อาจเกิดขึ้น (PIS) ซึ่งกำหนดให้การออกแบบมีขั้นตอนเพื่อลดความเป็นไปได้ของการจุดระเบิดและป้องกันการแพร่กระจายของไฟ

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์และต้องเป็นไปตามการทดสอบเฉพาะที่กำหนดโดยมาตรฐาน ตัวอย่างเช่น MCOV ของ MOV ต้องมีอย่างน้อย 1.25 เท่าของขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของช่วงแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ สำหรับอุปกรณ์ที่มีช่วงกำลังไฟฟ้าเข้าตั้งแต่ 85 ถึง 250 โวลต์ AC MCOV ขั้นต่ำสำหรับ MOV การป้องกันสายในอุปกรณ์นั้นควรเป็น 313 โวลต์ วงจรป้องกันสายที่มี MOV ข้ามสายจะต้องผ่านการทดสอบตามแรงดันไฟฟ้าของสายเป็นสองเท่าของพิกัดที่ระบุ กระแสอินพุตถูกจำกัดตามลำดับโดยตัวต้านทานเป็นค่า 0.125, 0.25, 0.5, 1 และ 2 A เนื่องจาก MOV เป็นแหล่งไฟที่อาจเกิดขึ้น การทดสอบจะดำเนินต่อไปจนกว่า MOV จะล้มเหลว การทดสอบนี้ไม่จำเป็นสำหรับ MOV ที่มี MCOV มากกว่าสองเท่าของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่กำหนด เนื่องจากมีความเป็นไปได้ต่ำมากที่ MOV จะล้มเหลวภายใต้เงื่อนไขเหล่านั้น

สรุป

ตัวป้องกันแบบไฮบริดของ IsoMOV ให้การป้องกันที่ดีและกะทัดรัดมากขึ้นสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ในขณะที่อุปกรณ์เหล่านี้ก้าวหน้าขึ้น ขนาดถูกย่อลงและเพิ่มอัตราเร่ง ขัดกับเบื้องหลังด้านอายุการใช้งานหรือโครงสร้างพื้นฐานที่มีการปกป้องที่แย่ และมาตรฐานการปกป้องผู้ใช้ที่พัฒนาตลอดเวลา นอกจากประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมและการประหยัดพื้นที่แล้ว พวกมันยังมีช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น การรั่วไหลต่ำ และความสามารถในการจัดการพลังงานสูง แม้ว่าจะมีประโยชน์อย่างยิ่งต่อการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่ต้องเผชิญไฟกระชากสูง แต่ก็สามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์เทคโนโลยีการสื่อสารข้อมูลและภาพและเสียงเพื่อให้ตรงตามมาตรฐาน IEC/UL62368-1 ตามมาตรฐาน Hazard Based Safety Engineering (HBSE)