Защита от перенапряжения сети

Защита от перенапряжения сети для дома (220 и 380 вольт)

В современных бытовых приборах используется чувствительная электроника, что делает эти устройства уязвимыми перед перепадами напряжения. Поскольку устранить их не представляется возможным, необходима надежная защита. К сожалению, ее организация не входит в сферу обязанностей службы ЖКХ, поэтому заниматься этим вопросом приходится самостоятельно. Благо защитные устройства приобрести сегодня не проблема. Прежде чем перейти к описанию и принципу действия таких приборов, кратко расскажем о причинах, вызывающих скачки напряжения, и их последствиях.

Что такое перепад напряжения и его природа?

Под этим термином подразумевается краткосрочное изменение амплитуды напряжения электросети, с последующим восстановлением, близким к первоначальному уровню. Как правило, длительность такого импульса исчисляется я миллисекундами. Существует несколько причин для его возникновения:

1. Атмосферные явления в виде грозовых разрядов, они способны вызвать перенапряжение в несколько киловольт, что не только гарантированно выведет электроприборы из строя, а и может стать причиной пожара. В данном случае жителям многоэтажек проще, поскольку организация защиты от таких предсказуемых явлений входит в обязанности поставщиков электричества. Что касается частных домов (особенно с воздушным вводом), то их жильцы должны самостоятельно заниматься этим вопросом или обращаться к специалистам.
2. Скачки при коммутационных процессах, когда происходит подключение-отключение мощных потребителей.
3. Электростатическая индукция.
4. Подключение определенного оборудования (сварка, коллекторный электродвигатель и т.д.).

На рисунке ниже наглядно продемонстрирована величина грозового (U_гр) и коммутационного импульса (U_к) по отношению к номинальному напряжению сети (U_н).

Для полноты картины следует упомянуть и о долгосрочном повышении и понижении напряжения. Причиной первого является авария на линии, в результате которой происходит обрыв нулевого провода, что вызывает повышение до 380 вольт. Нормализовать ситуации никакими приборами не получится, потребуется ждать устранения аварии.

Длительное снижение напряжения можно часто наблюдать в сельской местности или дачных поселках. Это связано с недостаточной мощностью трансформатора на подстанции.

В чем заключается опасность перепадов?

В соответствии с допустимыми нормами, допускается отклонение от номинала в диапазоне от -10% до +10%. При скачках напряжение может существенно выйти за установленные границы. В результате блоки питания бытовой техники подвергаются перегрузке и могут выйти из строя или существенно сократить свой ресурс. При высоких или длительных перепадах велика вероятность возгорания проводки, и, как следствие, пожара.

Пониженное напряжение также грозит неприятностями, особенно к этому критичны компрессоры холодильных установок, а также многие импульсные блоки питания.

Защитные устройства

Существует несколько видов защитных устройств различающихся как по функциональности, так и по стоимости, одни из них обеспечивают защиту только одному бытовому прибору, другие – всем имеющимся в доме. Перечислим хорошо зарекомендовавшие себя и наиболее распространенные защитные устройства.

https://www.youtube.com/watch?v=e86nhzDoncM

Сетевой фильтр

Наиболее простой и доступный по деньгам вариант защиты маломощного бытового оборудования. Отлично зарекомендовал себя при бросках до 400-450 вольт. На более высокие импульсы устройство не рассчитано (в лучшем случае оно примет удар на себя, спасая дорогостоящую аппаратуру).

Основной элемент защиты у такого устройства – варистор (полупроводниковый элемент изменяющий сопротивление в зависимости от приложенного напряжения). Именно он выходит из строя при импульсе более 450 В. Вторая важная функция фильтра – защита от высокочастотных помех (возникают при работе электродвигателя, сварки и т.д.) отрицательно влияющих на электронику. Третьим элементом защиты является плавкий предохранитель, срабатывающий при КЗ.

Не следует путать фильтры с обычными удлинителями, которые не обладают защитными функциями, но похожи по внешнему виду. Чтобы различить их достаточно посмотреть паспорт изделия, где приведены полные характеристики. Отсутствие такового должно само по себе вызывать подозрение.

Стабилизатор

В отличие от предыдущего типа приборы этого класса позволяют нормализовать напряжение в соответствии с номинальным. Например, установив границу в пределах 110-250 В, на выходе устройства будет стабильные 220 В. Если напряжение выйдет за пределы допустимого, прибор отключит питание и возобновит его подачу после нормализации работы электросети.

В некоторых случаях (например, в сельской местности) установка стабилизатора является единственным способом повысить напряжение до необходимой нормы. Бытовые стабилизаторы выпускают двух модификаций:

• Линейные. Они предназначены для подключения одного или нескольких бытовых приборов.
• Магистральные, устанавливаются на входе электросети здания или квартиры.

И первые, и вторые следует подбирать исходя из мощности нагрузки.

Источники бесперебойного питания

Основное отличие от предыдущего типа является возможность продолжения подачи питания подключенного устройства после срабатывания защиты или полного отключения электричества. Время работы в таком режиме напрямую зависит от емкости аккумуляторной батареи и мощности нагрузки.

В быту эти устройства в основном используются для подключения стационарных компьютеров, чтобы при проблемах с электросетью не потерять данные. При срабатывании защиты ИБП будет продолжать подачу питания в течение определенного времени, как правило, не более получаса (зависит характеристик устройства). Этого времени вполне достаточно, чтобы сохранить необходимые данные и корректно отключить компьютер.

Современные модели ИБП могут самостоятельно управлять работой компьютера через USB интерфейс, например, закрыть текстовый редактор (предварительно сохранив открытые документы), после чего произвести отключение. Это довольно полезная функция, если пользователь при срабатывании защиты не находился рядом.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений

Все перечисленные выше приборы обладают общим недостатком, у них не реализована действенная защита от импульса высокого напряжения. Если таковой произойдет, он, практически гарантированно выведет такие устройства из строя. Следовательно, защита должна быть организована таким образом, чтобы после срабатывания можно было оперативно привести ее в рабочее состояние. Этому требованию, как нельзя лучше отвечают УЗИП. На их основе организуется многоуровневая система защиты внутренних линий частного дома.

Одна из принятых классификаций таких устройств показана в таблице.

Таблица 1. Классификация УЗИП

Пример организации трехуровневой защиты продемонстрирован ниже.

Конструктивные особенности УЗИП.

Устройство представляет собой платформу (С на рис. 6) со сменным модулем (В), внутри которого находятся варисторы. При их выходе из строя индикатор (А) изменит цвет (в приведенной на рисунке модели на красный).

Внешне устройство напоминает автоматический выключатель, крепление – такое же (под DIN рейку).

Особенностью УЗИП является необходимость замены модулей при выходе варисторов из строя (что довольно просто). Конструкция модулей выполнена таким образом, что установить их на платформу с другим номиналом невозможно. Единственный серьезный недостаток связан с характерными особенностями варисторов. Им необходимо время, чтобы остыть, многократное попадание грозового разряда существенно усложняет этот процесс.

Защитное реле

В завершении рассмотрим реле контроля напряжения (РКН), эти устройства способны обеспечить защиту бытовых приборов от коммутационных импульсов, перекоса фаз, а также пониженного напряжения. С грозовыми импульсами они не справятся, поскольку на это не рассчитаны. Их сфера применения – защита внутренней сети квартиры, то есть там, где обеспечение грозозащиты входит в обязанности электрокомпаний.

Приборы могут устанавливаться во входном щитке, непосредственно, после электросчетчика, для этого предусмотрено крепление под DIN рейку.

Помимо этого выпускаются модификации приборов в виде удлинителей питания и модулей под розетку.

Данные устройства могут произвести только защитное отключение сети, при выходе напряжения за указанные пределы (устанавливается кнопками управления), после нормализации электросети производится ее подключение. Стабилизация и фильтрация не производятся.
https://www.youtube.com/watch?v=AyTLz6G9Ul8

Предостережения

Не следует доверять защиту своего дома самодельным конструкциям, в бытовых условиях бывает проблематично настроить собранную схему и протестировать ее работу в критических режимах.

Не имея практического опыта в организации грозозащиты, не стоит пытаться реализовать ее самостоятельно, эту работу лучше доверить профессионалам. Рекомендуем рассматривать эту часть статьи как информационную.

Все манипуляции с электрощитом, приборами и проводкой необходимо проводить только при отключенном электропитании.

Список использованной литературы

• Буткевич Г. В. «Дуговые процессы при коммутации электрических цепей» 1973
• Д. В. Разевига «Техника высоких напряжений» 1976
• Родштейн Л. А. «Электрические аппараты» 1981
• Халилов Ф. Х., Евдокунин Г. А., Поляков B.C., Подпоркин Г. В., Таджибаев А. И. «Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений» 2002
• Дмитриев М. В. «Применение ОПН в электрических сетях 6-750 кВ» 2007

Защита от перенапряжения сети 🔌 220в, 380в и скачков напряжения для дома и квартиры

Современная жизнь приводит к появлению все большего количества сложной бытовой техники, оборудования и электроники в наших домах и квартирах. При этом качество электроснабжения желает быть лучшим по различным причинам. С другой стороны, промышленность предлагает целый ряд электротехнических приборов, позволяющих решать обозначенные проблемы своими руками в собственном жилье. Давайте познакомимся с ними и сделаем свой выбор.

Виды скачков напряжения в сети электроснабжения

Трудно выбрать правильную систему защиты от перепадов напряжения, не зная их природу и характер. При этом все они имеют природный или техногенный характер:

1. Зачастую напряжение в сети становится стабильно низким. Причина – перегрузка устаревшей линии электропередачи (ЛЭП), например, в результате массового подключения электронагревателей или кондиционеров в соответствующий сезон.
2. В этих же условиях напряжение может оказаться завышенным длительное время при недостаточной нагрузке.
3. Возможна ситуация, когда при стабильном общем уровне питания в линии электроснабжения появляются импульсы и скачки высокого напряжения. Причиной бывает работа сварочного аппарата, мощного электроинструмента, технологического оборудования или некачественного контакта в ЛЭП.
4. Довольно неприятной неожиданностью является обрыв нулевого провода в сети 380 В питающей подстанции. В результате различной нагрузки по трем фазам возникает перекос напряжения, то есть на Вашей линии оно окажется слишком низким или завышенным.
5. Удар молнии в ЛЭП вызывает огромный скачок перенапряжения, что приводит к выходу из строя и бытовой техники, и внутренней проводки зданий, что приводит к пожару.

Как защищают бытовую технику пробки и автоматы

Долгое время в наших домах и квартирах универсальным средством обороны от перечисленных выше неприятностей оставались плавкие предохранители под названием пробки. На смену им пришли современные автоматические выключатели (автоматы), и бесшабашный народ перестал ставить «жучки», восстанавливая сгоревшие пробки. Сегодня во многих квартирах автоматические выключатели остаются практически единственным средством защиты от проблем в домашней электросети.

Автоматические выключатели приходят на смену плавким предохранителям

Во время работы автоматический выключатель срабатывает, когда протекающий через него ток превышает значение, указанное на его корпусе. Это позволяет защитить электропроводку от перегрева, короткого замыкания и возгорания в случае перегрузки. При этом перенапряжение успевает вывести из строя электронику, а при коротком скачке автомат даже не сработает.

Таким образом, мощный импульс, вызванный ударом молнии, проходит через автоматический выключатель и может пробить проводку с перечисленными последствиями.

Иными словами, от повышенного напряжения и его скачков или перепадов автомат не спасает.

Зачем в домашней сети подключают УЗИП

Специально для организации системы защиты от ударов молнии и возникающих при этом импульсов перенапряжения разработаны УЗИП – устройства защиты от импульсных помех. Отметим, что ЛЭП имеют определенные средства компенсации ударов молнии. Также в блоках питания современных электронных устройств имеются УЗИП класса III.

Модульные УЗИП для монтажа в электрощите

Однако этого недостаточно, если Вы живете в частном доме, запитанном от воздушной линии электропередачи. Методика выбора и подключения УЗИП приводится в статье «Устройство защиты от импульсных грозовых перенапряжений, схема подключения». В любом случае для защиты от молнии поможет громоотвод, о котором рассказано в статье «Как правильно сделать громоотвод и молниезащиту в частном доме своими руками».

Функции УЗО в схеме электроснабжения дома

В схеме электроснабжения современного дома обязательно присутствует УЗО – устройство защитного отключения. Его основное предназначение – защита людей от удара электрическим током, а также защита электропроводки от пробоя и утечки, что может привести к пожару. Методика выбора и подключения УЗО приводится в специальной статье.

Однофазное и трехфазное УЗО

Несомненно, если в Вашем доме еще не установлено УЗО, это нужно обязательно сделать. При этом от перепадов напряжения устройство защитного отключения спасает лишь в некоторой степени и косвенным образом.

Защита электроприборов с помощью стабилизатора напряжения

Электрический стабилизатор — это прибор, который поддерживает на выходе стабильное напряжение при его изменении на входе в допустимых пределах. Прибор может иметь различную мощность и обеспечивать стабильное электропитание всего дома, либо отдельных потребителей.

Стабилизаторы напряжения различной мощности

Стабилизатор прекрасно справляется с коррекцией медленно меняющегося пониженного или повышенного напряжения. В зависимости от принципа работы он компенсирует резкие скачки или импульсы перенапряжения в разной степени.

В современных агрегатах имеется функция отключения подачи питания, когда его уровень в сети принимает предельные значения. После возвращения входного напряжения к допустимой величине электроснабжение восстанавливается.

При этом прибор не защищает от грозового перенапряжения.

Из рассмотренных нами устройств стабилизатор является наиболее дорогим. Читайте статью «Как правильно выбрать бытовой стабилизатор напряжения 220в для дачи и частного дома».

Альтернативный вариант — реле контроля напряжения в сети

Бюджетной альтернативой стабилизатору является реле контроля напряжения, которое выполняет оговоренную нами функцию отключения электропитания при выходе напряжения в сети за допустимые пределы. В зависимости от исполнения, устройство срабатывает при перенапряжении, либо контролирует и его нижний уровень.

Варианты модульных реле напряжения

Существуют модификации реле, которые восстанавливают питание автоматически при его возвращении к допустимым пределам, или это нужно делать вручную. Наиболее совершенные устройства предоставляют возможность установки уровней напряжения, при которых наступает отключение потребителей и времени задержки при возвращении питания. Например, холодильник нельзя включать в сеть повторно в течение пяти минут, чтобы не повредить компрессор. Именно такое значение можно задать на реле.

Реле напряжения ASV-3M после срабатывания необходимо включить вручную

При этом реле не обеспечивает стабильное напряжение, не компенсирует импульсные скачки и не защищает от грозового перенапряжения. Иными словами, такой способ защиты подходит в ситуации, когда напряжение в сети нормальное, но возможны его редкие и значительные отклонения, в том числе, в результате аварии в сети электроснабжения.

Реле напряжения для маломощных потребителей

Существуют варианты исполнения для защиты отдельных потребителей в виде удлинителя или моноблока с вилкой и розеткой. Эти устройства рассчитаны на ток нагрузки 6-16А. Аналогичные приборы в модульном исполнении монтируются на электрощите.

Реле модульного типа может иметь на выходе переключающую группу контактов, нормально разомкнутые контакты, а также две отдельные группы нормально разомкнутых или нормально замкнутых контактов. Это позволяет реализовать разные варианты управления питанием потребителей.

Монтажная схема подключения реле напряжения в сети 220В

Электромонтаж реле напряжения модульного типа можно выполнить по вышеприведенной иллюстрации. В любом случае устройство подключается после входного автомата. Нулевой провод подсоединяется к клемме N, а провода фазы — к нормально разомкнутым контактам реле.

Для защиты более дорогого устройства его номинальный рабочий ток выбирается на ступень выше, чем значение, указанное на корпусе входного автомата. Например, если перед реле установлен автомат на 40А, выбирают прибор с номинальным значением 50А.

Если устройство с необходимым значением рабочего тока отсутствует, либо стоит слишком дорого, его можно заменить реле напряжения с минимальным параметром нагрузки. При этом к его выходу подключается контактор необходимой мощности или пускатель, который подает напряжение на потребители.

Схема подключения реле напряжения с применением контактора

Электромонтаж реле напряжения в паре с контактором приведен на схеме. В данном примере собственно реле напряжения подключается также после входного автомата, счетчика и УЗО. Провод фазы с выходного контакта реле подключается к клемме управляющей обмотки контактора, а к ее второй клемме подсоединяется нулевой провод (выступающая часть корпуса). На выходные клеммы контактора (дальняя часть корпуса) сверху подаются фаза питания и ноль, а снизу подключаются провода фазы и нуля потребителей.

При наличии нормального уровня напряжения в сети реле контроля замыкает выходные контакты и подает питание на обмотку контактора. Он, в свою очередь, замыкает выходные контакты и подает питание потребителям. При отсутствии напряжения в сети или выходе его за допустимые пределы цепи последовательно разрываются и питание нагрузки отключается.

Схема подключения нескольких реле напряжения в однофазной сети

В ряде случаев удобно использовать несколько реле напряжения для разных типов потребителей. При этом для наиболее дорогих электронных потребителей, как, например, компьютеры, можно задать с помощью соответствующего реле допустимый диапазон входного питания в пределах 200-230В.

Бытовым электроприборам с электродвигателями, как, например, холодильник или стиральная машина, можно установить диапазон напряжения 185-235В. Потребители типа утюга, обогревателя или водонагревателя могут питаться напряжением 175-245В. Внутренние таймеры реле можно настроить на разное время задержки возобновления питания.

Как работает реле контроля фаз в сети 380В

В сети 380В может быть установлено трехфазное реле напряжения. Это имеет смысл, если в доме имеется оборудование с трехфазным питанием.

Подключение реле напряжения в сети 380В

В этом случае реле срабатывает при отклонении напряжения на любой фазе и отключает нагрузку по всем трем линиям. При отсутствии потребителей с питанием 380В удобнее и дешевле подключить три отдельных реле напряжения. В этом случае мы получаем три группы потребителей 220В, для которых могут быть установлены различные предельные значения напряжения и время задержки.

Схема подключения реле напряжения на каждой фазе в сети 380В

От чего защищает ИПБ

Основная задача источника бесперебойного питания (ИПБ) – обеспечение потребителей электроэнергией при отсутствии напряжения в сети. Наиболее часто этот прибор используют для питания компьютеров. Хотя ИПБ обеспечивает напряжение 220 вольт непродолжительное время, имеется возможность сохранить информацию и выключить компьютер. Актуально применение источника бесперебойного питания при использовании малогабаритной электростанции для беспрерывной подачи энергии в момент ее запуска.

Распространенный источник бесперебойного питания

Очевидно, что применение ИПБ функционально, если в сети электроснабжения дома установлено реле напряжения. При использовании аккумулятора достаточной емкости к источнику бесперебойного питания может быть подключен газовый котел. Аккумулятора на 60 АЧ хватит для обеспечения напряжением котла мощностью 160Вт примерно в течение суток.

ИПБ с двойным преобразованием работает при изменении напряжения на входе в широких пределах, однако стоит очень дорого.

Вероятно, в большинстве случаев, в бытовых целях практичнее использовать одновременно недорогой источник бесперебойного питания и стабилизатор или реле напряжения.

Чем поможет сетевой фильтр

Чаще всего бытовые сетевые фильтры выполнены в виде удлинителя. Таким образом, к нему может быть подключено сразу несколько единиц бытовой техники. Фильтры отличаются количеством розеток и длиной кабеля. Обычно устройство снабжается собственным выключателем с индикацией подачи питания. Фильтр может иметь индивидуальные выключатели питания для каждой розетки.

Популярные сетевые фильтры

Ряд моделей имеют защиту от короткого замыкания и перегрузки. Общий ток нагрузки устройств такого рода не превышает 6-16А. Собственно фильтр таких устройств состоит из нескольких конденсаторов и катушек индуктивности. Таким образом, обеспечивается защита электроники от маломощных и коротких импульсов помех. Последние могут создаваться, в том числе, бытовой техникой, подключенной в домашней сети.

Заметим, что блоки питания большинства современных электронных приборов уже имеют аналогичные схемы в своем составе. Иными словами, подобные сетевые фильтры можно рассматривать как удлинители с дополнительной фильтрацией и сервисными возможностями.

Система защиты от скачков напряжения своими руками

Ознакомившись с вышеизложенной информацией, Вы сможете подобрать систему с защиты домашней сети от нестабильности напряжения разного рода. При этом важно правильно оценить характер угрозы. В зависимости от обстоятельств может быть обеспечена защита от скачков напряжения как всей сетевой проводки в доме, так и отдельных приборов. В статье «Как выбрать стабилизатор для защиты холодильника от перепадов и скачков напряжения 220в» мы рассказываем о том, как можно сделать импровизированный стабилизатор для холодильника своими руками.

Как защитить технику от перепадов напряжения | Сетевые фильтры | Блог

Внезапные перепады напряжения грозят плачевными последствиями для бытовой техники: выход из строя без надежды на ремонт. А для загородного дома в период летних гроз эта проблема становится наиболее актуальной. Почему происходят перепады и чем они опасны для техники? Как надежно защититься от скачков напряжения?

Чем опасны перепады напряжения

Перепад напряжения может быть вызван одновременным отключением нескольких мощных устройств, аварией на электросетях, нестабильной работой подстанции из-за перегрузки, эксплуатацией сварочного аппарата, низким качеством материалов электропроводки или ее монтажа. Нередко к существенному скачку напряжения приводит и удар молнии по линии электропередач.

Большинство перепадов незначительны и остаются незамеченными нами, но не техникой. Любой скачок, из-за которого напряжение в сети становится выше 250 Вольт, снижает срок службы подключенных устройств или дестабилизирует их работу. Даже несущественные отклонения на 5-10 %, происходящие регулярно, приводят к сбоям в управляющих блоках, сбросу настроек, возникновению помех. Перепады на 10-25 % сокращают срок службы приборов почти вдвое. А скачки напряжения до 300 Вольт выводят из строя блоки питания, управляющие и сенсорные панели, электродвигатели, сетевое оборудование.

В большинстве многоквартирных домов качество электропроводки оставляет желать лучшего, они не выдерживают нагрузки, ведь в каждой квартире одновременно работают десятки приборов. Безусловно, лучше поменять в квартире проводку, чтобы минимизировать вероятность перепадов и не довести до пожара. Но даже если нет такой возможности, обезопасить себя и родных можно.

Основной параметр при выборе устройств, способных защитить от перепадов напряжения, — это  выходная мощность, которая берется из силы тока (указывается в амперах А) умноженной на напряжение (указывается в вольтах В). Ее величина, указываемая в вольт-амперах (ВA), должна соответствовать общей мощности, потребляемой приборами. Поэтому перед приобретением нужно посчитать общую мощность техники, которую вы планируете подключить. 

Сетевые фильтры

Так называемый сетевой фильтр — это зачастую просто разветвитель/удлиннитель, защитные функции у которого либо фактически отсутствуют, либо являются минимальными и способны защитить только от перегрузки или короткого замыкания.

Однако среди «обманок» прячутся и настоящие сетевые фильтры, которые с помощью LC-контура фильтруют высокочастотные помехи в сети. Стоимость таких устройств, естественно, выше, но для некоторых видов техники наличие полноценной фильтрации необходимо. У приборов с LC-контуром есть характеристика «Подавление электромагнитных / радиочастотных шумов». Если вам нужен такой вариант, обращайте на нее внимание.

Стабилизаторы напряжения

Если подаваемое напряжение в сети не соответствует заданным нормам, стабилизатор нормализует его. К тому же стабилизатор повторяет функции хорошего сетевого фильтра: защита от короткого замыкания, от перенапряжения и высоковольтных импульсов, а также фильтрация помех. Маломощные стабилизаторы можно устанавливать для отдельного электроприбора, например, для холодильника, так как этот прибор наиболее болезненно реагирует на скачки напряжения. Супермощные стабилизаторы устанавливаются для всей сети, такие модели наиболее полезны для загородных домов или в районах, где с напряжением постоянные проблемы.

В сетях 220 Вольт используются однофазные стабилизаторы, в сетях 380 Вольт — три однофазных либо один трехфазный. Хороший стабилизатор хоть и стоит в разы дороже сетевого фильтра, однако он реально защищает технику от серьезных перепадов напряжения и обеспечивает стабильную работу.

Источники бесперебойного питания (ИБП)

ИБП объединяет в себе функции сетевого фильтра и стабилизатора (кроме резервного типа), но помимо этого позволяет технике работать еще какое-то время после отключения электропитания. Бесперебойники бывают трех типов: резервные, интерактивные и с двойным преобразованием.

Резервный вариант — самое простое и дешевое решение. Он пропускает ток через LC-контур, как в хороших сетевых фильтрах, а если необходимое напряжение отсутствует, осуществляется переключение на аккумуляторы. К недостаткам резервных бесперебойников можно отнести задержку при переключении на батареи (5 – 15 миллисекунд).

Интерактивные ИБП оснащены ступенчатым стабилизатором, позволяющим поддерживать надлежащее напряжение на выходе без использования батарей, что увеличивает срок их службы. Такие источники бесперебойного питания годятся для ПК и значительной части бытовой техники.

Бесперебойникис двойным преобразованиемпреобразуют полученный переменный ток в постоянный, а на выходе подают снова переменный с необходимым напряжением. Аккумуляторные батареи при этом все время подключены к сети, переключение не производится. ИБП данного типа отличаются более высокой стоимостью, в то же время создают больший шум при эксплуатации и сильнее нагреваются. Применяются в основном для требовательного к надежности питания оборудования: серверов, медицинское оборудования.

Реле напряжения

Реле напряжения, также называемые реле-прерывателями, производят размыкание электрических цепей при перепадах напряжения. После отключения питания реле через небольшие временные интервалы проверяет состояние напряжения, и при нормальных значениях возобновляет подачу тока.

Некоторые модели оснащения регуляторами, позволяющие настраивать реле под разные приборы, устанавливая верхний и нижний предел перепадов для отключения, а также время последующей активации. Существуют модели реле-прерывателей как для монтирования в электрощиток, так и для отдельной установки в розетку.

Защита от перенапряжения, скачков и перепадов напряжения в квартире

Перепады напряжения и прочие неполадки в электросетях отнюдь не редкость. Они могут привести к выходу из строя дорогостоящей техники и даже угрожать жизни и здоровью людей. Для предотвращения подобных последствий на рынке имеются различные устройства защиты электрической сети, применяемые в зависимости от характера неполадок.

В этой статье вы узнаете: что собой представляют перепады напряжения и каковы их причины; Какие существуют устройства защиты сети и в каких случаях используются.

Допустимые параметры электроэнергии

В России и на пост-советском пространстве стандартным напряжением является 220 вольт (для рядовых потребителей электроэнергии). При этом в реальности напряжение колеблется в определенных рамках от данного номинала. Допустимая амплитуда отклонения от нормы устанавливается нормами и актами, регулирующими предоставление данной услуги потребителю. При 220В минимальное допустимое значение составляет 198В, а максимальное — 242В.

Спасут ли пробки или автоматы?

Долгое время в домах использовались «пробки»: плавкие предохранители, защищающие от скачков напряжения. На смену им пришли современные и более удобные автоматы (автоматические выключатели). На сегодняшний день в большинстве квартир это единственные средства защиты от неполадок в сети.

Пробки и автоматические выключатели позволяют защититься от короткого замыкания, перегрева проводки и возгорания при перегрузке. Однако мощный электрический импульс может успеть пройти через автомат и вывести технику из строя. Такое случается, например, в следствие удара молнии. То есть обычные пробки не могут обеспечить полноценную защиту от перепадов напряжения.

Основные причины возникновения скачков напряжения в сети

Скачки напряжения могут отличаться по величине отклонения от нормы, по своей продолжительности и динамике возрастания/убывания в зависимости от причин их возникновения:

• Большая нагрузка на сеть. Одновременное подключение большого числа электроприборов при недостаточной мощности сети приводит к нестабильности напряжения. Это может быть заметно, например, как мерцание лампочек или внезапное выключение электроприборов. Данное явление встречается часто, особенно по вечерам;
• Мощный потребитель по соседству. Случается, если рядом находятся промышленные объекты, торговые центры, офисные здания с мощной вентиляционной системой и так далее.
• Обрыв нулевого провода. Нулевой провод выравнивает напряжение у потребителей электроэнергии. При его обрыве (сгорании, окислении) часть потребителей получат повышенное напряжение (а другие заниженное), что с высокой вероятностью приведет к выходу из строя незащищенной электротехники.
• Ошибки при подключении. Например, если были перепутаны нулевой и фазный провода;
• Плохая проводка. Сбои возникают из-за изношенности проводки, использования некачественных материалов и неправильно выполненных монтажных работ.
• Удар молнии. Попадание молнии в линии электропередачи может вызывать стремительный скачек напряжения в тысячи вольт. Представляет особую опасность, так как средства защиты не всегда успевают сработать.

Возможные последствия скачков напряжения

Производители электрической техники учитывают нестабильный характер напряжения и возможность его скачков и падений. Например, прибор с номинальным напряжением 220 вольт может работать при 200В и выдерживать скачки до 240В. При этом регулярная работа аппаратуры при больших отклонения от нормы сокращает срок ее эксплуатации. Сильные скачки напряжения могут вывести технику из строя, и даже нанести ущерб имуществу и здоровью, например, вызвав пожар.

Справка. Поломки электрических приборов в результате скачков напряжения не покрываются договорами о гарантийном обслуживании, то есть бремя расходов на ремонт и замену ложится на владельца, что может стать серьезным ударом по семейному бюджету. В некоторых случаях существует возможность предъявления иска к поставщику электроэнергии, однако это долго, сложно и дорого, а также не гарантирует успеха. Проще заранее предусмотреть защиту своего дома от подобных неприятностей.

Способы защиты от скачков напряжения

В зависимости от характеристик скачка напряжения и природы его возникновения используются различные устройства защиты. Рассмотрим основные из них:

Сетевой фильтр

Простое и доступное решение для защиты маломощного оборудования. Обычно представляет собой удлинитель или моноблок с вилкой, розеткой (или розетками) и выключателем с индикацией подачи питания. Следует отличать сетевые фильтры от обычных удлинителей, которые не имеют защиты, но очень похожи по виду. Защищает от скачков до 400 — 500 вольт, а ток нагрузки не может превышает 5 — 15 А.

Справка. С технической стороны сетевой фильтр представляет собой нехитрую систему из нескольких конденсаторов и катушек индуктивности. При этом блоки питания большинства современных электроприборов уже имеют в своем составе схемы, выполняющие аналогичную функцию. То есть на практике сетевые фильтры часто выполняют роль простого удлинителя с дополнительной защитой от скачков в сети.

Реле защиты РКН и УЗМ

Устройство прерывает подачу электроэнергии, если напряжение выходит за пределы допустимых значений. После возвращения напряжения в установленные рамки подача восстанавливается (автоматически или в ручную в зависимости от модели). Устройство подключается после входного автомата.

Основные достоинства РКН и УЗМ:

• Скорость срабатывания в несколько миллисекунд;
• Выдерживает нагрузку от 25 до 60 А;
• Небольшие размеры и удобный монтаж;
• Достаточные диапазоны максимального и минимального напряжения;
• Отображение показателей электрического тока в реальном времени;

Прибор эффективен для защиты от разрыва нулевого провода и умеренных скачков напряжения. Однако реле не могут обеспечить стабильное напряжение и защитить от импульсного скачка, вызванного ударом молнии.

Расцепитель минимального-максимального напряжения (РММ)

Устройство защищает от высокого и низкого напряжения. Эффективен в случае разрыва нулевого провода и перекоса фаз в трехфазной сети, но не защищает от высоковольтных импульсов.

Прибор отличается небольшими размерами, простотой установки и доступной ценой.

Обратите внимание. РММ не оснащен функцией автоматического включения, что может привести к порче продуктов в холодильнике, остановке отопления помещений в зимний период и подобным проблемам.

Стабилизаторы

Приборы используются для «сглаживания» подачи электроэнергии в сетях, склонных к нестабильной работе. Эффективны в случае падения мощности, но могут не справиться с высоким напряжением.

К достоинствам прибора относятся: длительный срок эксплуатации; быстрое срабатывание; поддержание напряжения на стабильном уровне. Главным недостатком стабилизаторов является высокая цена.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)

Используются для защиты от быстрых мощных скачков напряжения, как правило вызываемых ударом молнии в линию электропередач. Выделяют два вида подобных устройств:

• Вентильные и искровые разрядники. Устанавливаются в сетях высокого напряжения. В случае импульсного перенапряжения в устройстве происходит пробой воздушного зазора, фаза замыкается на заземление, разряд уходит в землю;
• Ограничители перенапряжения (ОПН). В отличие от разрядников имеют небольшой размер и используются в частных домах. Внутри установлен варистор. При обычном напряжении ток через него не течет, но в случае скачка происходит возрастание тока, что позволяет снизить напряжение до нормальной величины.

Датчик повышенного напряжения (ДПН)

Используется вместе с УЗО (устройство защитного отключения) или дифференциальным автоматом. ДПН определяет превышение установленной нормы напряжения, после чего УЗО размыкает цепь.

Заключение

Наиболее распространенные средства защиты от скачков напряжения: автоматы и пробки, — эффективны не во всех случаях. В частности они не справляются с мощными скачками напряжения, что ставит под угрозу сохранность электротехники и всего дома в целом. Рынок предлагает разнообразными устройствами защиты электросети, применяемые в зависимости от характера перепадов напряжения и причин их возникновения. Потребителям электроэнергии остается выбрать необходимые приборы и правильно их установить.

О защите от перенапряжения в частных домах (квартирах): схема подключения

Довольно часто происходят поломки электрической бытовой техники, ведь любой электротехнический агрегат при создании рассчитывается на работу с определенным уровнем электроэнергии, т.е. на конкретные показатели силы и напряжения тока в сетях подключения. Поэтому при превышении этих норм может случиться аварийная ситуация.

Последствия перенапряжения в условиях частного дома

Использование дорогостоящей домашней техники, агрессивные природно- атмосферные явления, не слишком высокий уровень прокладки линий электропередач делает жизненно необходимым для собственников квартир и домов принятие мер по защите от перенапряжения электросетей в частном доме и минимизации возможных последствий.

Откуда возникает перенапряжение

Планировка и строительство многих многоэтажек еще пару десятков лет назад производилась без прицела на сегодняшнее многообразие бытового электрооборудования: микроволновки, многокамерные холодильники, утюги высокой мощности и другие приборы, имеющие электрическое питание. Поэтому максимумы потребления электричества по утрам и вечерам пагубно влияют на работу всей электросети в любом жилище.

Электричество, текущее по кабелю или проводу, неспособному выдерживать такую нагрузку, способствует их ненормальному нагреву в дневные часы и охлаждению в вечерние. В силу законов физики, проводник ослабевает, поскольку он делается то шире, то уже. Контакты в щитке на первых этажах или в едином вводно-распределяющем устройстве в доме заметно ослабевают. Также нулевые контакты могут отгореть, что приводит к перепаду напряжения от 110 до 360 вольт на всех этажах, выше этажа с перегоревшими контактами.

Перенапряжение в электросети может произойти в результате попадания молниевого разряда в линию электропередач, подстанцию или элементы дома, при этом сила тока просто огромная, порядка 200 килоампер. При попадании в молниеприемник и дальнейшем прохождении молнии по контуру заземления в проводниковых материалах возникает электродвижущая сила, измеряемая в киловольтах.

Также вызвать резкий скачок напряжения могут сварочные работы или одновременное включение многими соседями электроприборов или подключение/отключение мощного потребителя. Для защиты дорогостоящей электротехники и всего частного дома необходима защита от перенапряжения в сети.

Особенности защиты домашней электропроводки

Организация защиты от возникающего высокого напряжения – один из ключевых вопросов при прокладке электросети в жилом доме. Осуществляется она с помощью особых трансформаторов и фильтров сети. Во многих домах на этажных щитках устанавливаются автоматические выключатели, которые защищают от электротоков при коротком замыкании и временных перегрузок.

Когда возможна высокая нагрузка, все устройства, защищающие сети от повышенного напряжения, должны иметь приспособления для автоотключения и выключатели, реагирующие на изменения показателей тока. Как правило, самая надежная защита от подобных скачков ставится на входном силовом проводе, поскольку именно он испытывает наибольшее воздействие во время пиков нагрузки.

Схема защиты от перенапряжения домашней электросети бывает простой и многоуровневой. Простая – представлена в основном реле перенапряжения в этажных щитках, а многоступенчатая (комбинированная, защищающая как от бытовых скачков напряжения, так и от импульсных, при грозах) – УЗИП, т.е. устройства защиты от импульсных перенапряжений. Такие устройства наиболее часто встречаются в частных домах.

Устройство защиты от импульсного перенапряжения

Обратите внимание! Электронные приборы выходят из строя как из-за повышенного, так и из-за пониженного напряжения в сети (например, холодильники тяжело запускаются, что негативно сказывается на их дальнейшей работе).

Изоляционные слои домашних электросетей рассчитаны, как правило, на стандартные 220в, поэтому, если напряжение возрастает многократно, в диэлектрическом слое проскакивает искра, которая может спровоцировать электродугу и дальнейшее возгорание.

Чтобы не допустить негативных последствий, применяют следующие защиты, функционирующие по таким принципам:

• при резком внеплановом повышении напряжения происходит отключение электросхемы в доме или в квартире;
• вывода полученного сверхнормативного электрического потенциала от электроприборов путем перевода его в земляной контур.

Если напряжение поднимается незначительно (например, до 380 вольт), на помощь приходят различные стабилизаторы. Однако их защитные возможности довольно ограничены – они больше рассчитаны на поддержание заданных рабочих значений в электросетях.

Стабилизаторы напряжения применяются для поддержания рабочих параметров электросети

При проектировании защиты для частного дома рассматривают различные конструкционные решения и их технические характеристики. Необходимо учитывать принципы формирования базы ограничителей перенапряжения (опн). Например, газонаполненные разрядники после того, как импульс прошел, пропускают через себя т.н. сопровождающий ток, напряжение которого сопоставимо с коротким замыканием. По этой причине они сами могут быть источником возгорания, и их нельзя применять для защиты от электрического пробоя.

Для домашних сетей чаще всего применяют варисторное устройство защиты (полупроводниковые резисторы) – реостаты, скомпанованные из варисторных «таблеток» из смеси оксидов цинка, висмута, кобальта и других. При штатном функционировании электросети такой автомат защиты допускает микроскопические утечки, а при проходе импульса повышенной вольтажности – способен мгновенно перестроиться на режим «туннеля» и «спустить» больше тысячи ампер за очень короткий промежуток времени, поскольку сопротивление на этом приспособлении снижается с возрастанием силы тока, после чего происходит быстрое возвращение к штатной «боевой готовности».

Варисторные таблетки невелики по размеру

Классы стойкости электропроводки

Все электроприборы в бытовых зданиях разделяется по четырем основным категориям, в зависимости от максимально выдерживаемого перенапряжения:

• IV категория – до 6 киловольт;
• III категория – до 4 киловольт;
• II категория – до 2,5 киловольт;
• I категория – до 1,5 киловольт.

В соответствии с этими категориями выстраивается система защиты, которая сокращенно называется узо (устройство защитного отключения) с защитой от перенапряжения, в целях маркетинга их чаще всего называют ограничителями, используют и другие наименования. Ограничители монтируются по ходу движения возможного импульса. Так, на участке от вводного щитка идет 6-киловольтный импульс, в первой зоне он снижается ограничителем перенапряжения до 4 киловольт, в следующей зоне он падает до 2,5 киловольт, а в жилой зоне с помощью УЗИП III категории потенциал импульса снижают до 1,5 киловольт. Устройства защиты всех классов функционируют в комплексе, последовательно понижая потенциал до нормальных значений, с которыми легко справляется изоляция домашней электропроводки.

Важно! При неисправности хотя бы одного из звеньев этой защитной цепочки может возникнуть электропробой в изоляции, что приведет к выходу конечного электроприбора из строя. Поэтому необходимо периодически проверять исправность каждого элемента устройств защитного отключения.

Основные устройства системы защиты

Один из лучших способов спасти электросеть от скачков напряжения – монтаж стабилизатора, подходящего по техническим характеристикам. Это недешевые устройства, и не всегда они используются, поскольку напряжение в сетях и так бывает достаточно стабильным.

Также устранить нестабильность в работе сети помогают реле контроля напряжения. При обрыве нулевой жилы и замыкании в провисших кабелях такое реле способно включить защитные функции даже быстрее стабилизатора, нужно лишь 2-3 миллисекунды.

Реле контроля напряжения помогает справиться с импульсами в сети

Такие реле очень компактны – для монтажа они требуют меньше места, чем стабилизаторы, легко ставятся на простейшую din-рейку, кабеля подключаются элементарно (в отличие от монтажа стабилизаторов, когда вынужденно вклиниваются в электросеть или устанавливают особый короб для него). Стабилизаторы заметно гудят, поэтому в жилых помещениях их устанавливать нежелательно, а вот реле работают практически бесшумно. Кроме того, аппараты, контролирующие разность электрических потенциалов, потребляют очень мало электричества. Цена на такие реле в несколько раз ниже тех, что сложились на стабилизаторы.

Принцип работы реле контроля состоит в том, что при постоянном поступлении электротока устройство определяет разность потенциалов и сравнивает ее с допустимыми значениями. Если показатели в норме, ключи остаются открытыми, и ток продолжает течь по сети. Если же проходит мощный импульс, происходит моментальное закрытие ключей и отключение подачи электроэнергии потребителям. Такая быстрая и однозначная реакция помогает обезопасить все подключенные бытовые агрегаты.

Дополнительная информация. Возвращение в штатный режим происходит с некоторой задержкой, регулируемой таймером. Это необходимо для того, чтобы крупные электроприборы, такие как холодильники, кондиционеры и другие, включились с соблюдением правил и технической настройкой.

Подключение реле производится по фазному кабелю, при этом нуль-кабель включается во внутреннюю схему для питания энергией.

Схема подключения реле контроля потенциалов

Имеется два способа: сквозное подключение (по прямой) или с использованием прибора – контрактора для коммуникации. Оптимально подключать релейный механизм до подключения счетчика, чем обеспечится и его защита от перенапряжения. Однако, при наличии на приборе учета пломбы придется монтировать реле за ним.

Импульсные перенапряжения в электросети частных домов возникают из-за грозы с молниями или коммутационных скачков. Для безопасности электропроводки применяются специальные устройства УЗИП. Как правило, это ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), стабилизаторы и реле контроля потенциалов. Конечно, обустройство такой системы – мероприятие затратное, однако его стоимость гораздо ниже дорогих электробытовых приборов.

Видео

Устройства защита от скачков напряжения для дома и квартиры

Содержание

Источники бесперебойного питания (ИБП)

Эффективность приборов для защиты от скачков напряжения

Высокий уровень развития современных технологий позволил оснастить наше жилье высокотехнологичной бытовой техникой, которая экономит время, облегчает труд и упрощает жизнь. В подавляющем большинстве квартир и жилых домов обязательно найдутся автоматические стиральные и посудомоечные машины, микроволновки, холодильники, аудио- и видеоаппаратура, персональные компьютеры, а также другие электроприборы, реализованные на основе электронных компонентов и имеющие цифровые алгоритмы управления.

С ростом функциональности, эффективности и удобства эксплуатации растут и требования таких устройств к питающему напряжению, показатели которого, к сожалению, далеко не всегда соответствуют действующим стандартам качества электроэнергии.

По ряду причин, речь о них пойдет ниже, в электрических сетях могут возникать либо резкие колебания (скачки) напряжения, либо его длительные отклонения как в большую, так и в меньшую сторону. И то, и другое приводит не только к сбоям в работе или выходу из строя дорогостоящей бытовой техники, но и представляет реальную угрозу для безопасности жизни и здоровья людей.

Допустимые отклонения сетевого напряжения по ГОСТ

Стандартный уровень напряжения однофазной электросети в нашей стране составляет 230 В – именно на это номинальное значение рассчитана вся современная бытовая техника. Согласно требованиям ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009), определяющего нормы качества электроэнергии, расхождение с данной величиной не должно превышать ±10%. Таким образом, применительно к однофазной домашней сети диапазон предельно допустимого напряжения составляет 207-253 В.

Крайние значения из этого диапазона, не говоря уже о больших отклонениях, губительно влияют на многие современные электроприборы, в особенности на те, которые не имеют в своём составе импульсного блока питания. При этом следует понимать, что неисправность бытовой техники, вызванная некачественным электропитанием, не будет считаться гарантийным случаем – производитель, как правило, оговаривает подобные ситуации следующим образом: «Гарантия не распространяется на изделие, вышедшее из строя по причине повышенного/пониженного входного напряжения».

Причины и последствия перепадов напряжения в сети

Причины возникновения колебаний и резких перепадов сетевого напряжения чаще всего следующие:

1. Недостаточная мощность и общий износ подстанций, которые не всегда соответствуют фактическому потреблению электроэнергии, в результате чего сеть работает с перегрузкой и постоянными сбоями.
2. Плохое состояние инфраструктуры энергетического комплекса, являющееся причиной частых аварий и ухудшения общего качества электроэнергии.
3. Несимметричное (неравномерное) распределение нагрузки, вызывающее перекос фаз и скачок напряжения в однофазной сети.
4. Атмосферные явления, например, попадание разряда грозовой молнии в линию электропередач или обрывающий провода ледяной дождь.
5. Человеческий фактор. Короткие замыкания и перенапряжения часто возникают вследствие некорректного подключения или умышленного вандализма.
6. Включение мощных нагрузок, приводящее к падению сетевого напряжения (при отключении таких нагрузок наблюдается обратная картина – резкий рост сетевого напряжения).

Небольшие перепады напряжения в сети снижают, в первую очередь, эффективность осветительного и нагревательного оборудования. Кроме того, они могут повлечь за собой сбои в работе и остальных электроприборов, в особенности тех, которые имеют электронное управление (газовые котлы, стиральные машины, кухонная техника и т. п.).

Куда более плачевные последствия вызывают значительные сетевых отклонения: даже кратковременные провалы или скачки напряжения довольно часто становятся причиной сокращения срока службы бытовой техники, а в худшем случае и её моментального выхода из строя.

Наиболее опасны перенапряжения – резкие и сильные броски сетевого напряжения в большую сторону (на десятки и сотни вольт), такое явление практически всегда губительно для любого электрооборудования.

Спасут ли пробки или автоматы?

Автоматические выключатели и их более ранние аналоги, предохранительные пробки, являются устройствами защиты от коротких замыканий и длительных перегрузок. Их защитное срабатывание происходит только при недопустимо длительном по времени превышении током в цепи определённого значения, которое во время сетевого перепада может быть и не достигнуто.

В итоге пробки и автоматы либо вообще не сработают, либо сработают через длительный промежуток времени, поэтому такие изделия вряд ли можно рассматривать в качестве серьёзной защиты от сетевых скачков и колебаний.

Как защитить технику от скачков напряжения?

Для того, чтобы в условиях нестабильной электросети гарантировать безопасное и надёжное функционирование своей бытовой техники необходимо принять определённые меры защиты. Они заключаются в установке и правильной эксплуатации специального устройства, нейтрализующего скачки напряжения и другие негативные сетевые явления.

Рассмотрим основные типы данных устройств.

Сетевой фильтр

Основное назначение этого прибора определяется его названием: фильтрация и сглаживание приходящих из сети помех. При наличии в составе варистора он будет защищать и от экстремальных перенапряжений.

Следует понимать, что сетевой фильтр не обеспечивает коррекцию напряжения, следовательно, при сетевых отклонениях как хронических, так и резких прибор будет неэффективен.

Реле контроля напряжения (РКН)

Защита от перенапряжения - обзор

Защита от перенапряжения охватывает всю систему зарядного устройства / управления питанием

Функция защиты от перенапряжения LTC4098 может защитить любую часть цепи. На рисунке 312.1 защита была расширена на вход LT3480 V _IN . Порог отключения по перенапряжению установлен на 24 В. Этот порог обеспечивает достаточный запас против разрушительных событий перенапряжения, не мешая нормальной работе.

На рисунке 312.1, M1 - это P-канальный MOSFET, который обеспечивает защиту от обратного напряжения, тогда как M2 - это MOSFET с защитой от перенапряжения, а M3 сдвигает уровень выхода OVGATE LTC4098.

Если напряжение HVIN меньше нуля, напряжения затвора и истока обоих M1 и M2 удерживаются на уровне земли через R3, R4 и R5, обеспечивая их отключение. Если напряжение HVIN находится в диапазоне от 8 В до примерно 24 В, на затвор M3 через вывод OVGATE на LTC4098 устанавливается высокий уровень. Это включает M1 и M2, подтягивая их вентили на 7–10 В ниже их источников через M3, D1, R1 и R5.При включенных M1 и M2 ток течет от HVIN к V _IN , и система работает нормально.

.

% PDF-1.7 % 2386 0 объект > endobj xref 2386 131 0000000016 00000 н. 0000004343 00000 п. 0000004520 00000 н. 0000004558 00000 н. 0000005381 00000 п. 0000005419 00000 н. 0000005560 00000 н. 0000005701 00000 п. 0000005799 00000 н. 0000006371 00000 п. 0000007013 00000 н. 0000007415 00000 н. 0000007740 00000 н. 0000008009 00000 н. 0000008698 00000 п. 0000009045 00000 н. 0000009409 00000 п. 0000009518 00000 н. 0000009631 00000 н. 0000009746 00000 н. 0000010030 00000 п. 0000010069 00000 п. 0000010292 00000 п. 0000010607 00000 п. 0000010954 00000 п. 0000011592 00000 п. 0000012007 00000 п. 0000012347 00000 п. 0000013072 00000 п. 0000015780 00000 п. 0000015895 00000 п. 0000016793 00000 п. 0000019842 00000 п. 0000022718 00000 п. 0000025232 00000 п. 0000025601 00000 п. 0000025922 00000 п. 0000026628 00000 п. 0000026851 00000 п. 0000029002 00000 п. 0000032072 00000 п. 0000032489 00000 н. 0000032872 00000 н. 0000036086 00000 п. 0000036382 00000 п. 0000036714 00000 п. 0000036976 00000 п. 0000037315 00000 п. 0000039965 00000 п. 0000040363 00000 п. 0000046473 00000 п. 0000048878 00000 н. 0000050477 00000 п. 0000057362 00000 п. 0000058493 00000 п. 0000064157 00000 п. 0000064274 00000 н. 0000064699 00000 н. 0000064722 00000 п. 0000064745 00000 п. 0000064768 00000 п. 0000064844 00000 п. 0000064920 00000 п. 0000065305 00000 п. 0000065748 00000 п. 0000066070 00000 п. 0000066146 00000 п. 0000066222 00000 п. 0000066410 00000 п. 0000066828 00000 п. 0000067150 00000 п. 0000067226 00000 п. 0000067540 00000 п. 0000067965 00000 п. 0000068041 00000 п. 0000068117 00000 п. 0000068381 00000 п. 0000068826 00000 п. 0000069148 00000 п. 0000069225 00000 п. 0000069573 00000 п. 0000069649 00000 п. 0000069725 00000 п. 0000070015 00000 п. 0000070447 00000 п. 0000070769 00000 п. 0000070845 00000 п. 0000070921 00000 п. 0000071085 00000 п. 0000071499 00000 п. 0000071575 00000 п. 0000071751 00000 п. 0000072167 00000 п. 0000072505 00000 п. 0000072581 00000 п. 0000072657 00000 п. 0000072821 00000 п. 0000073234 00000 п. 0000073310 00000 п. 0000073486 00000 п. 0000073904 00000 п. 0000074243 00000 п. 0000074319 00000 п. 0000074395 00000 п. 0000074559 00000 п. 0000074975 00000 п. 0000075051 00000 п. 0000075231 00000 п. 0000075648 00000 п. 0000075988 00000 п. 0000076064 00000 п. 0000076140 00000 п. 0000076304 00000 п. 0000076720 00000 п. 0000076796 00000 п. 0000076976 00000 п. 0000077392 00000 п. 0000077731 00000 п. 0000077807 00000 п. 0000077883 00000 п. 0000078169 00000 п. 0000078604 00000 п. 0000078927 00000 п. 0000079003 00000 п. 0000079079 00000 п. 0000079394 00000 п. 0000079814 00000 п. 0000080136 00000 п. 0000080212 00000 п. 0000080288 00000 п. 0000002916 00000 н. трейлер ] / Назад 827902 >> startxref 0 %% EOF 2516 0 объект > поток h ޔ Uole o] ۻ mu] ٝ JL ٪ A; a (1VpuCt QPK8Cb $ {y ~ O "pRD! Y C & O # ErɌ # 2 f9: | X TvLj ^ Z & UXny /.l +% yEO! d ߳ ށ [\ # siT̐, e3ͽr9 ު # XǮ; D {6nf> IYeh LI3rU

ǭH @ liYAqu = _ | IF1bL = ~ sjz% p8 * [] 1yPU) $ 0

VĄO] \ IPC @ 0K [u87ƏUW; s`h

.

Аналоговые переключатели с защитой от перенапряжения

Аннотация

Задача разработки надежных электронных схем часто приводит к разработке с множеством дискретных компонентов защиты с соответствующими затратами, временем разработки и дополнительным пространством. В этой статье обсуждается архитектура коммутатора с защитой от сбоев, а также преимущества производительности и другие преимущества, которые она предлагает по сравнению с традиционными решениями дискретной защиты. Обсуждается новая новая архитектура коммутатора и запатентованный процесс высокого напряжения, обеспечивающий лучшую в отрасли защиту от неисправностей наряду с характеристиками, необходимыми для прецизионных сигнальных цепей.В новом портфеле отказоустойчивых коммутаторов и мультиплексоров ADI (ADG52xxF и ADG54xxF) используется эта технология.

Защита аналогового входа для высокопроизводительных сигнальных цепей часто является проблемой для разработчиков системы. Обычно существует значительный компромисс между аналоговыми характеристиками (такими как утечка и сопротивление) и уровнем защиты, которую могут предложить дискретные компоненты.

Замена дискретных компонентов защиты переключателями и мультиплексорами с защитой от перенапряжения может дать значительные преимущества с точки зрения аналоговых характеристик, надежности и размера решения.Компонент с защитой от перенапряжения находится между чувствительной цепью, расположенной ниже по потоку, и входом, подверженным внешним нагрузкам. Примером этого может быть входная клемма датчика в цепочке сигналов управления технологическим процессом.

В этой статье подробно описаны проблемы, вызванные событиями перенапряжения, обсуждаются традиционные решения для дискретной защиты и связанные с ними недостатки, представлено решение, предлагаемое аналоговыми переключателями с защитой от перенапряжения, включая функции и преимущества системы, и, наконец, представлен ведущий в отрасли портфель аналоговых переключателей с защитой от отказов ADI.

Проблемы перенапряжения - возвращение к основам

Когда входной сигнал, подаваемый на переключатель, превышает мощность источников питания (V _DD или V _SS ) более чем на диодное падение, диоды защиты от электростатического разряда внутри ИС становятся смещенными в прямом направлении, и ток течет от входного сигнала к источников питания, как показано на рисунке 1. Этот ток может повредить деталь и вызвать событие фиксации, если ток не ограничен.

Рис. 1. Путь тока перенапряжения.

Если коммутатор обесточен, может произойти несколько сценариев:

1. Если источники питания «плавающие», входной сигнал может закончиться питанием шины V _DD через диоды ESD.В этом случае вывод V _DD попадает в диодное падение входного сигнала. Это означает, что коммутатор будет эффективно получать питание, как и любые другие компоненты, использующие ту же шину V _DD . Это может привести к неизвестной и неконтролируемой работе устройств в сигнальной цепи.
2. Если источники питания заземлены, устройство PMOS включится с отрицательным напряжением V _GS , поэтому коммутатор будет передавать ограниченный сигнал на выход, что может привести к повреждению последующих компонентов, которые также будут отключены (см. Рисунок 2).Примечание: если в питании есть диоды, они будут смещать вперед и ограничивать сигнал до +0,7 В.

Рисунок 2. Сигнал перенапряжения при заземленном источнике питания.

Решение дискретной защиты

Разработчики

традиционно решают проблемы защиты входа с помощью дискретных компонентов защиты.

Резисторы большой серии используются для ограничения тока во время повреждения, а диоды Шоттки или стабилитроны на шинах питания фиксируют любые сигналы перенапряжения. Пример такой схемы защиты в мультиплексированной сигнальной цепи показан на рисунке 3.

Однако у этих дискретных компонентов защиты есть много недостатков.

1. Последовательный резистор увеличит время установления мультиплексора и замедлит общее время установления.
2. Защитные диоды вносят дополнительный ток утечки и изменяющуюся емкость, что влияет на точность и линейность измерения.
3. В состоянии «плавающего» питания защиты не будет, так как антистатические диоды источников питания не будут обеспечивать защиту от зажима.

Рисунок 3. Дискретное решение защиты.

Традиционная архитектура коммутатора

Схема на рисунке 4 дает обзор традиционной архитектуры коммутатора. Компонент переключателя (на правой стороне рисунка 4) имеет диоды ESD на каждой из шин питания, как на входе, так и на выходе элемента переключения. Здесь также показаны внешние дискретные компоненты защиты - последовательный резистор для ограничения тока и диоды Шоттки для источников питания для ограничения перенапряжения.Для дополнительной защиты в более суровых условиях часто требуется двунаправленный TVS.

Рисунок 4. Традиционная архитектура коммутатора с внешней дискретной защитой.

Архитектура коммутатора с защитой от сбоев

Архитектура переключателя с защитой от сбоев показана на рисунке 5. Антистатические диоды на входной стороне заменены двунаправленными антистатическими ячейками, поэтому диапазон входного напряжения больше не ограничивается антистатическими диодами на шинах питания. Таким образом, вход может видеть напряжения вплоть до ограничения процесса (которое составляет ± 55 В для новых переключателей с защитой от неисправностей от ADI).

В большинстве случаев антистатические диоды остаются на выходной стороне, поскольку обычно не требуется защита от перенапряжения со стороны выхода.

Ячейка ESD на входе по-прежнему может обеспечить отличную защиту от ESD. Четырехкратный переключатель SPST с защитой от перенапряжения ADG5412F, в котором используется этот тип ячейки ESD, обеспечивает номинальное значение 5,5 кВ HBM ESD.

Для более строгих случаев, таких как IEC ESD (IEC 61000-4-2), EFT или защита от перенапряжения, все еще может потребоваться внешний TVS или меньший токоограничивающий резистор.

Рис. 5. Архитектура переключателя с защитой от сбоев.

В случае возникновения перенапряжения на одном из входов переключателя, затронутый канал отключается, и на входе устанавливается высокий импеданс. Утечка на других каналах останется низкой, поэтому оставшиеся каналы могут продолжать работать в обычном режиме с минимальным влиянием на производительность. Это позволяет найти очень небольшой компромисс между скоростью / производительностью системы и защитой от перенапряжения.

Таким образом, переключатель с защитой от неисправности может значительно упростить решение для сигнальной цепи.Защита от перенапряжения переключателя устраняет необходимость в токоограничивающих резисторах и диодах Шоттки во многих случаях. Общая производительность системы больше не ограничивается внешними дискретными компонентами, которые обычно вносят утечку и искажение в сигнальную цепь.

Характеристики переключателя ADI Fault Protected Switch

Новый портфель переключателей с защитой от сбоев от ADI основан на запатентованном высоковольтном процессе, который обеспечивает защиту от перенапряжения до ± 55 В как во включенном, так и в отключенном состоянии.Эти детали обеспечивают лучшие в отрасли характеристики для защищенных от сбоев переключателей для прецизионных сигнальных цепей.

Рис. 6. Изолированный процесс траншеи.

Иммунитет к защелкиванию

Запатентованный процесс высокого напряжения также изолирован от траншеи. Изолирующий оксидный слой помещен между NDMOS и PDMOS транзисторами каждого переключателя. Паразитные переходы, которые возникают между транзисторами в переключателях с изолированными переходами, устраняются, и в результате получается переключатель, устойчивый к защелкиванию при любых обстоятельствах.ADG5412F, например, проходит тест фиксации JESD78D на ± 500 мА для длительности импульса в 1 секунду, что является самым строгим тестом в спецификации.

Аналоговая производительность

Новые переключатели с защитой от неисправностей ADI не только обеспечивают лучшую в отрасли надежность (защита от перенапряжения, высокий рейтинг электростатического разряда, известное состояние при включении питания без цифровых входов), но и обладают лучшими в отрасли аналоговыми характеристиками. Работа переключателя, как всегда, является компромиссом между низким сопротивлением и низкой емкостью / инжекцией заряда.Выбор переключателя обычно зависит от того, имеет ли нагрузка высокий импеданс или низкий импеданс.

Системы с низким сопротивлением

Детали с низким сопротивлением в открытом состоянии обычно используются в системах с низким сопротивлением, где сопротивление переключателя при включении должно быть минимальным. В системах с низким импедансом, таких как источник питания или каскад усиления, включенное сопротивление и полное сопротивление источника параллельно нагрузке могут вызвать ошибки усиления. Несмотря на то, что во многих случаях ошибки усиления можно откалибровать, изменение сопротивления включения (R _ON ) в диапазоне сигнала или между каналами приводит к искажению, которое невозможно откалибровать.Следовательно, цепи с низким сопротивлением более подвержены ошибкам искажения из-за неравномерности R _ON и вариации R _ON по каналам.

График на Рисунке 7 показывает сопротивление включения одного из новых переключателей с защитой от неисправности во всем диапазоне сигналов. R _ON обеспечивает не только очень низкое сопротивление, но и превосходную плоскостность и согласованность между каналами. Детали имеют запатентованную конструкцию драйвера переключателя, которая гарантирует постоянное напряжение V _GS и обеспечивает стабильную производительность R _ON во всем диапазоне входного напряжения.Компромисс - это немного уменьшенный диапазон сигнала, в котором может быть достигнута оптимальная производительность, что видно по форме графиков R _ON . Эта производительность системы R _ON может дать значительные преимущества в приложениях, чувствительных к изменению R _ON или THD.

Рисунок 7. Защитный выключатель на сопротивлении.

ADG5404F - это новый устойчивый к защелкиванию и защищенный от перенапряжения мультиплексор. Детали, устойчивые к защелкиванию, и детали, защищенные от перенапряжения, обычно имеют более высокое сопротивление и худшую плоскостность сопротивления, чем стандартные детали.Однако из-за постоянной схемы V _GS , используемой в конструкции ADG5404F, плоскостность R _ON на самом деле лучше, чем у ADG1404 (лучшее в отрасли низкое сопротивление) и ADG5404 (устойчивость к защелкиванию, но без защиты от перенапряжения. ). Во многих приложениях, таких как измерение температуры RTD, плоскостность R _ON на самом деле более важна, чем абсолютное значение сопротивления, поэтому переключатель с защитой от неисправности обеспечивает потенциал для повышения производительности в этих системах.

Типичный режим неисправности для системы с низким импедансом заключается в том, что выход стока размыкается в случае неисправности.

Системы с высоким сопротивлением

Переключатели с низкой утечкой, низкой емкостью и инжекцией заряда обычно используются в системах с высоким импедансом. Системы сбора данных обычно имеют высокий импеданс из-за нагрузок усилителя на выходе мультиплексора.

• Утечка является основным источником ошибок в цепях с высоким импедансом. Любые токи утечки могут привести к значительным ошибкам измерения.
• Низкая емкость и низкий уровень инжекции заряда также важны для более быстрого установления. Это обеспечивает максимальную пропускную способность данных в системе сбора данных.

Новые переключатели ADI с защитой от сбоев обладают превосходными характеристиками утечки. При нормальной работе ток утечки находится в диапазоне низких нА, что критично для точных измерений во многих приложениях.

Критически важно, что характеристики утечки также очень хорошие, даже когда один из входных каналов неисправен.Это означает, что измерения могут продолжаться на других каналах до устранения неисправности, что сокращает время простоя системы. Ток утечки перенапряжения для мультиплексора ADG5248F 8: 1 показан на рисунке 8.

Типичный режим отказа для системы с высоким импедансом заключается в том, что выход стока подтягивается к шине питания в случае неисправности.

Рис. 8. Зависимость тока утечки от перенапряжения ADG5248F от температуры.

Диагностика неисправностей

Большинство новых переключателей ADI с защитой от сбоев также имеют цифровые контакты сбоя.Вывод FF - это общий флаг неисправности, который указывает на неисправность одного из входных каналов. Конкретный вывод неисправности (или вывод SF) - это вывод, который можно использовать для отладки того, какой конкретный вход неисправен.

Эти контакты могут быть полезны для диагностики неисправностей в системе. Контакт FF сначала предупреждает пользователя о неисправности. Затем пользователь может циклически перебирать цифровые входы, и вывод SF будет определять, какой именно переключатель или переключатели неисправны.

Преимущества системы

Системные преимущества нового портфеля переключателей с защитой от сбоев показаны на Рисунке 9.Преимущества для разработчика системы огромны, как с точки зрения обеспечения оптимальных аналоговых характеристик в прецизионной сигнальной цепи, так и с точки зрения надежности системы.

Рис. 9. Коммутатор ADI с защитой от сбоев - особенности и преимущества системы.

Преимущества по сравнению с дискретными компонентами защиты очевидны и уже подробно описаны. Запатентованный высоковольтный процесс и новая архитектура переключателей также дают новой серии переключателей с защитой от отказов ADI ряд преимуществ по сравнению с решениями конкурентов.

• Лучший в отрасли R _ON Плоскостность для точных измерений
• Лучший в отрасли ток утечки при коротком замыкании, позволяющий продолжить работу на других каналах, не затронутых отказом (в 10 раз лучше, чем у конкурирующих решений)
• Детали со вторичными источниками неисправностей для точного определения пороговых значений неисправностей при сохранении оптимальной производительности аналогового переключателя
• Интеллектуальные флаги неисправностей для диагностики неисправностей системы

Примеры применения

Этот первый пример приложения, показанный на рисунке 10, представляет собой цепочку сигналов управления технологическим процессом, в которой микроконтроллер контролирует ряд датчиков, таких как датчики RTD или термопары, датчики давления и датчики влажности.В приложении для управления технологическим процессом датчик может быть подключен к концу очень длинного кабеля на заводе, что может привести к неисправности по всей длине кабеля.

Мультиплексором в данном случае является ADG5249F, который оптимизирован для обеспечения низкой емкости и малой утечки. Низкая утечка важна для таких измерений датчиков слабого сигнала.

Коммутатор работает от источников питания ± 15 В, в то время как вторичные источники неисправности настроены на 5 В и GND для защиты выходных PGA и ADC.

Сигнал основного датчика проходит через мультиплексор на PGA и АЦП, а данные диагностики неисправностей отправляются непосредственно в микроконтроллер, чтобы обеспечить прерывание в случае неисправности. Таким образом, пользователь может быть предупрежден о состоянии неисправности и может определить, какой из датчиков неисправен. После этого может быть отправлен технический специалист для устранения неисправности и, при необходимости, замены неисправного датчика или кабеля.

Благодаря лидирующим в отрасли требованиям к минимальной утечке при отказе, другие датчики можно продолжать контролировать, даже если один из датчиков не работает и ожидает замены.Без такой низкой утечки неисправности неисправность в одном канале может сделать все другие каналы непригодными для использования до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

Рис. 10. Пример приложения для управления технологическим процессом.

Второй пример приложения на рисунке 11 - это часть цепочки сигналов сбора данных, в которой устройство защиты канала ADG5462F может добавить ценность. В этом случае используется PGA с шинами питания ± 15 В, а входной сигнал АЦП ниже по потоку имеет диапазон входного сигнала от 0 В до 5 В.

Устройство защиты канала находится между PGA и ADC.Он использует шины питания ± 15 В в качестве основных источников питания для достижения оптимального сопротивления и использует шины питания 0 В и 5 В для вторичных шин питания. ADG5462F пропускает сигнал при нормальной работе, но ограничивает любые выходы перенапряжения от PGA в диапазоне от 0 до 5 В для защиты АЦП. Следовательно, как и в предыдущем примере приложений, интересующий сигнал смещен в плоской области работы R _ON .

Рисунок 11. Пример приложения для сбора данных.

Резюме

Замена традиционных дискретных компонентов защиты переключателями и мультиплексорами с защитой от перенапряжения может обеспечить множество преимуществ системы в точной сигнальной цепи. Помимо экономии места на плате, замена дискретных компонентов может дать значительные преимущества в производительности.

Analog Devices предлагает широкий ассортимент переключателей и мультиплексоров с защитой от перенапряжения. Последние семейства устройств с защитой от сбоев перечислены в Таблице 1 и Таблице 2. Они построены на запатентованном высоковольтном и невосприимчивом процессе и обеспечивают лучшие в отрасли характеристики и функции для прецизионных сигнальных цепей.

Сводка портфеля

Таблица 1. Семейство выключателей с защитой от короткого замыкания с низким сопротивлением

Товар	Конфигурация	Пороговое значение триггера неисправности	Режим отказа выхода	Флаг неисправности
ADG5412F ADG5413F	Квадратный SPST	Первичные поставки	Обрыв цепи	Общий флаг
ADG5412BF ADG5413BF	Quad SPST и двунаправленный OVP	Первичные поставки	Обрыв цепи	Общий флаг
ADG5462F	Четырехканальный протектор	Вторичные принадлежности	Тяга к вторичному питанию или разрыв цепи (по умолчанию)	Общий флаг
ADG5404F	мультиплексор 4: 1	Первичные поставки	Тяга к вторичному питанию или разрыв цепи (по умолчанию)	Общие и специальные флаги
ADG5436F	Двойной SPDT	Первичные поставки	Тяга к вторичному питанию или разрыв цепи (по умолчанию)	Общие и специальные флаги

Таблица 2.Семейство переключателей с защитой от сбоев с низкой емкостью / инжекцией низкого заряда

Товар	Конфигурация	Пороговое значение триггера неисправности	Режим отказа выхода	Флаг неисправности
ADG5208F	Мультиплексор 8: 1	Первичные поставки	Прицепной к рельсам	Нет
ADG5209F	Дифференциальный мультиплексор 4: 1	Первичные поставки	Прицепной к рельсам	Нет
ADG5248F	Мультиплексор 8: 1	Вторичные принадлежности	Тяга к вторичным поставкам	Общие и специальные флаги
ADG5249F	Дифференциальный мультиплексор 4: 1	Вторичные принадлежности	Тяга к вторичным поставкам	Общие и специальные флаги
ADG5243F	Тройной SPDT	Вторичные принадлежности	Тяга к вторичным поставкам	Общие и специальные флаги

.

% PDF-1.3 % 36 0 объект > endobj xref 36 53 0000000016 00000 н. 0000001407 00000 н. 0000001759 00000 н. 0000002007 00000 н. 0000002143 00000 п. 0000002279 00000 п. 0000002417 00000 н. 0000002554 00000 н. 0000002781 00000 н. 0000002991 00000 н. 0000003460 00000 н. 0000004041 00000 н. 0000004262 00000 н. 0000004284 00000 п. 0000005727 00000 н. 0000005749 00000 н. 0000007114 00000 п. 0000007199 00000 н. 0000007431 00000 н. 0000007627 00000 н. 0000007913 00000 п. 0000008452 00000 п. 0000008839 00000 н. 0000008914 00000 н. 0000009088 00000 н. 0000009310 00000 п. 0000009331 00000 п. 0000010024 00000 п. 0000010281 00000 п. 0000010363 00000 п. 0000010592 00000 п. 0000010774 00000 п. 0000010795 00000 п. 0000011371 00000 п. 0000011392 00000 п. 0000012097 00000 п. 0000012314 00000 п. 0000012385 00000 п. 0000012425 00000 п. 0000012667 00000 п. 0000012955 00000 п. 0000013006 00000 п. 0000013045 00000 п. 0000013066 00000 п. 0000013650 00000 п. 0000013671 00000 п. 0000014273 00000 п. 0000014829 00000 п. 0000014850 00000 п. 0000015726 00000 п. 0000015804 00000 п. 0000001500 00000 н. 0000001738 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 37 0 объект > endobj 87 0 объект > ручей Hb``c`` "

.

Защита от перенапряжения на входе операционного усилителя

Метод защиты от перенапряжения Условия перенапряжения могут быть вызваны рядом различных ситуаций. Рассмотрим систему, в которой удаленный датчик расположен в поле - например, он измеряет поток жидкости на нефтеперерабатывающем заводе и отправляет свой сигнал по кабелю на электронику сбора данных, которая находится в другом физическом месте. Первым каскадом в сигнальном тракте электроники сбора данных часто может быть операционный усилитель, сконфигурированный как буфер или усилитель усиления.Вход этого операционного усилителя подвергается воздействию внешнего мира и, следовательно, может быть подвержен инцидентам перенапряжения, например, короткому замыканию из-за поврежденного кабеля или неправильному подключению кабеля к электронике сбора данных.

Точно так же ситуация, которая может вызвать состояние перенапряжения, - это когда входной сигнал, который обычно находится в диапазоне входного напряжения усилителя, внезапно получает внешний стимул, вызывающий скачок напряжения, превышающий напряжение питания операционного усилителя.

Третий сценарий, который может привести к состоянию перенапряжения на входе, связан с последовательностью включения операционного усилителя и других компонентов в тракте прохождения сигнала. Например, если источник сигнала, такой как датчик, получает питание до того, как это сделает операционный усилитель, выход источника может начать выдавать напряжение, которое затем будет подаваться на вход операционного усилителя, даже если операционный усилитель контакты питания еще не имеют питания и по существу находятся на земле. Это создаст ситуацию перенапряжения и, вероятно, вызовет чрезмерный ток через вход операционного усилителя на землю (контакты питания без питания).

Зажим: классический метод защиты от перенапряжения

Очень популярный способ добавления OVP показан на рисунке 1. Когда амплитуда входного сигнала (V _IN ) превышает одно из напряжений питания плюс прямое напряжение диода, диод (D _OVPP или D _OVPN ) будет направлять смещение и отправлять ток на шины питания, а не на входы операционного усилителя, где избыточный ток может повредить операционный усилитель. В этом приложении мы используем ADA4077, операционный усилитель чрезвычайно высокой точности с максимальным диапазоном питания 30 В (или ± 15 В).

Ограничивающие диоды представляют собой диоды Шоттки 1N5177, поскольку они имеют прямое напряжение приблизительно 0,4 В, что меньше прямого напряжения входных диодов защиты от электростатического разряда (ESD) операционного усилителя; таким образом, ограничивающие диоды начнут проводить ток раньше, чем диоды ESD. Резистор защиты от перенапряжения R _OVP ограничивает прямой ток через ограничивающие диоды, чтобы поддерживать их на уровне ниже максимального номинального тока, предотвращая их повреждение чрезмерным током.Резистор R _FB в контуре обратной связи присутствует, потому что любой входной ток смещения на неинвертирующем входе может вызвать ошибку входного напряжения на R _OVP - добавление R _FB аннулирует ошибку, генерируя аналогичное напряжение на инвертирующий вход.

Рис. 1. Классическая схема зажима для защиты от перенапряжения.

Компромисс схемы зажима диода - снижение точности

Хотя классическая схема на Рисунке 1 защищает входы операционного усилителя, она вносит значительную ошибку в тракт прохождения сигнала.Прецизионные усилители обычно имеют входное напряжение смещения (V _OS ) в диапазоне микровольт. Например, максимальное напряжение V _OS для ADA4077 составляет 35 мкВ во всем диапазоне рабочих температур от –40 ° C до + 125 ° C. Добавление внешних диодов и резистора перенапряжения приводит к ошибке смещения входа, которая может быть во много раз больше, чем низкое смещение, присущее прецизионному операционному усилителю.

Диоды с обратным смещением демонстрируют обратный ток утечки, который течет от катода через анод к источнику питания.Когда напряжение входного сигнала (V _IN ) находится между шинами питания, диоды D _OVPP и D _OVPN имеют на себе обратное напряжение. При V _IN на земле (середина диапазона входного напряжения) обратный ток через D _OVPN примерно равен обратному току утечки через D _OVPP . Однако, когда V _CM движется над или под землей, через один диод протекает больший обратный ток, чем через другой. Например, когда V _CM находится в верхней части диапазона входного напряжения операционного усилителя, который составляет 2 В от положительного источника питания или 13 В в этой цепи, диод D _OVPN будет иметь обратное напряжение 28 В. .Согласно паспорту диода 1N5177, это может вызвать обратный ток утечки, близкий к 100 нА. Поскольку обратный ток утечки течет от входного сигнала (V _IN ) через R _OVP , он создает падение напряжения на R _OVP , которое выглядит точно как увеличенное входное напряжение смещения на пути прохождения сигнала.

Дополнительную озабоченность вызывает то, что ток обратной утечки диода экспоненциально возрастает с повышением температуры, вызывая увеличение штрафа напряжения смещения цепи ограничения O _VP .В качестве основы для сравнения точности операционного усилителя без внешней схемы защиты от перенапряжения на рисунке 2 показано измеренное напряжение смещения ADA4077 в диапазоне входного напряжения от -13 В до +13 В. Измерения проводились при трех температурах: 25 ° C. , 85 ° С и 125 ° С. Обратите внимание, что при 25 ° C V _OS ADA4077, используемого в этом тесте, достигал только 6 мкВ; даже при 125 ° C напряжение V _OS составляет всего около 20 мкВ. Когда мы добавляем схему внешнего ограничения OVP к тому же устройству ADA4077 и подаем вход на V _IN , мы видим результаты, показанные на рисунке 3.При комнатной температуре V _OS подскакивает до 30 мкВ, что в пять раз превышает погрешность пути прохождения сигнала только от ADA4077. При 125 ° C напряжение V _OS превышает 15 мВ, что в 750 раз больше 20 мкВ ADA4077! Точность ушла.

Рис. 2. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для ADA4077. Рис. 3. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для схемы ограничения OVP, добавленной к ADA4077.

Резистор 5 кОм отлично защищает ограничивающие диоды, а также операционный усилитель в условиях перенапряжения, но добавляет немало ошибок смещения во время нормальной работы, когда диоды пропускают ток через него (не говоря уже о шумах Джонсона от резистор).Нам нужно динамическое входное сопротивление, которое имеет низкое сопротивление во время работы в указанном диапазоне входного напряжения, но высокое сопротивление в условиях перенапряжения.

Комплексное решение дает ответ

ADA4177 - это высокоточный операционный усилитель со встроенной защитой от перенапряжения. Встроенные диоды ESD действуют как фиксаторы перенапряжения для защиты детали. Полевые транзисторы режима обеднения включены последовательно на каждом входе перед диодами ESD. Они обеспечивают динамическое сопротивление, которое увеличивается, когда входное напряжение (V _CM ) превышает напряжения питания.По мере увеличения входного напряжения сопротивление сток-исток (R _DSON ) внутреннего полевого транзистора увеличивается, тем самым ограничивая протекание тока экспоненциально с увеличением напряжения (показано на рисунке 4). Поскольку в ADA4177 на входах используются полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения, а не последовательный защитный резистор, операционный усилитель не страдает от потери напряжения смещения на резисторе, как это происходит в схеме ограничения OVP.

Рис. 4. Входной ток смещения ADA4177 ограничивается по мере увеличения перенапряжения.

ADA4177 может выдерживать напряжения на своих входах до 32 В сверх напряжения питания. Он ограничивает ток перенапряжения в пределах от 10 до 12 мА, защищая операционный усилитель без использования каких-либо внешних компонентов. Как показано на Рисунке 5, даже при 125 ° C этот испытанный блок показывает напряжение смещения всего 40 мкВ. Это менее 3% погрешности, которую показала цепь зажима при этой температуре. Точность сохраняется!

Рис. 5. Зависимость входного напряжения смещения от входного напряжения для ADA4177 со встроенным OVP.

Что это значит для производительности системы

При анализе влияния изменения входного напряжения на точность пути прохождения сигнала разработчик системы должен учитывать коэффициент подавления синфазного сигнала усилителя (CMRR). Это мера того, какая часть входного синфазного напряжения отклоняется от отображения на выходе (или насколько мало проходит). Поскольку операционные усилители часто конфигурируются для обеспечения усиления между входом и выходом, мы нормализуем спецификацию CMRR, ссылаясь на изменение входного напряжения смещения, которое представляет собой изменение выходного сигнала, деленное на коэффициент усиления с обратной связью усилителя.Коэффициент подавления синфазного сигнала представляет собой положительное значение, выраженное в дБ, и рассчитывается по следующей формуле:

CMRR = 20 log (ΔV _CM / ΔV _OS )

Исходя из этого соотношения, мы видим, что желательно, чтобы VOS был как можно меньше. ADA4177 должен иметь гарантированный минимальный предел CMRR 125 дБ при полной рабочей температуре. Используя результаты испытаний устройств, измеренных в этом эксперименте, мы можем рассчитать и сравнить CMRR схемы ограничения и ADA4177.Таблица 1 показывает крайнюю потерю точности при использовании классической схемы ограничивающего диода и превосходного CMRR ADA4177 со встроенной защитой от перенапряжения на полевых транзисторах.

Таблица 1. Сравнение CMRR ADA4177 с дискретным OVP с фиксирующими диодами

Метод защиты от перенапряжения	25 ° С	85 ° С	125 ° С
ADA4177	143 дБ	145 дБ	142 дБ
ADA4077 и зажим OVP	113 дБ	78 дБ	58 дБ

.Надежные усилители

обеспечивают интегрированную защиту от перенапряжения

Неисправная работа или даже повреждение могут произойти, когда входное напряжение операционного усилителя превышает указанный диапазон входного напряжения или, в крайних случаях, напряжение питания усилителя. В этой статье обсуждаются некоторые распространенные причины и следствия условий перенапряжения , как громоздкую защиту от перенапряжения можно добавить к незащищенному усилителю и как интегрированная защита от перенапряжения новых усилителей предоставляет разработчикам компактную, надежную, прозрачную и недорогую -эффективное решение.

Все электронные компоненты имеют верхние пределы допустимого напряжения. При превышении любого из этих верхних пределов последствия могут варьироваться от кратковременного прерывания работы до фиксации системы или необратимого повреждения. Величина перенапряжения, которое может выдержать данный компонент, зависит от нескольких факторов, в том числе от того, установлена ​​ли деталь или произошел случайный контакт, амплитуда и продолжительность события перенапряжения и надежность устройства.

Прецизионные усилители, часто являющиеся первым компонентом в цепях сигналов измерения датчиков, наиболее подвержены сбоям из-за перенапряжения.При выборе прецизионного усилителя разработчики системы должны учитывать входной диапазон синфазного сигнала усилителя. В техническом описании входной диапазон синфазного сигнала может быть задан диапазоном входного напряжения (IVR), или в условиях испытаний для коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR), или обоими способами.

Реальные причины условий перенапряжения

Усилители требуют: защиты от перенапряжения ; защиты от сбоев, вызванных последовательностью питания, переключением режима ожидания и скачками напряжения; и защита от электростатического разряда для защиты от сбоев, вызванных электростатическим разрядом (ESD), даже во время работы.Когда установлен , устройство может подвергаться условиям последовательного включения питания системы, которые вызывают повторяющиеся перенапряжения. Разработчики систем ищут способы отвести токи короткого замыкания от чувствительных компонентов или ограничить эти токи замыкания в достаточной степени, чтобы избежать повреждений.

В сложных системах с распределенной архитектурой питания (DPA) с несколькими напряжениями питания, последовательность источников питания позволяет источникам питания различных частей схемы системы включаться и выключаться в разное время.Неправильная последовательность может привести к возникновению перенапряжения и условий фиксации на любом контакте любого устройства.

В связи с повышенным вниманием к энергоэффективности многие системы реализуют сложные режимы sleep и standby . Это означает, что некоторые разделы системы могут быть отключены, а другие могут оставаться включенными и активными. Как и в случае с последовательностью питания, эти ситуации могут вызвать непредсказуемые события перенапряжения, но в первую очередь на входных контактах.

Многие типы датчиков могут генерировать неожиданные всплески выходного сигнала, не связанные с физическими явлениями, которые они предназначены для измерения.Этот тип состояния перенапряжения обычно влияет только на входные контакты.

Электростатический разряд - это хорошо известное событие перенапряжения, которое часто происходит до установки компонента. Ущерб, который это может вызвать, настолько распространен, что отраслевые спецификации, такие как JESD22-A114D, определяют, как тестировать и определять способность полупроводника противостоять различным типам событий ESD. Практически все полупроводниковые изделия содержат в той или иной форме встроенные устройства защиты. Замечания по применению AN-397 «Электрическое повреждение стандартных линейных интегральных схем: наиболее распространенные причины и связанные с ними исправления для предотвращения повторения» - хороший справочник, подробно освещающий эту тему.Ячейки ESD предназначены для перехода в состояние с низким импедансом после импульса высокой энергии. Это не ограничивает входной ток, но обеспечивает путь к шинам питания с низким импедансом.

Простой пример: последовательность источников питания

По мере того как схемы со смешанными сигналами становятся повсеместными, растет и потребность в нескольких источниках питания на одной печатной плате. См. Примечания по применению AN-932, «Последовательность блоков питания», где рассмотрены некоторые тонкие вопросы, которые следует учитывать в новых разработках, особенно когда требуются несколько несвязанных источников питания.

Прецизионные усилители могут стать жертвой этого состояния. На рисунке 1 показан операционный усилитель, сконфигурированный как дифференциальный усилитель. Усилитель измеряет ток через R _SENSE и выдает выходной сигнал, пропорциональный результирующему падению напряжения. Необходимо следить за тем, чтобы делитель, образованный R ₃ и R ₄ , смещал входы где-то в пределах указанного IVR. Если напряжение питания усилителя не является производным от V _SY , а V _CC появляется после V _SY , напряжение на инвертирующем входе A1 будет:

В _- = В _SY - (I _- × R ₁ ) (1)

, где I _- зависит от входного импеданса A1 без питания.Если усилитель не предназначен для работы в условиях перенапряжения, наиболее вероятный путь тока будет через диод ESD, фиксирующий диод или паразитный диод к источнику питания или заземлению. Повреждение может произойти, если это напряжение упадет за пределы IVR или если ток превысит максимальное значение, указанное в паспорте.

Структуры ESD, используемые в усилителях с защитой от перенапряжения, таких как ADA4091 и ADA4096, представляют собой не диоды, а устройства DIAC (двунаправленный «диод для переменного тока»), что делает эти усилители устойчивыми к условиям перенапряжения даже без питания.

Рисунок 1. Датчик тока высокого плеча дифференциального усилителя. Если V _SY включается до V _CC , входное напряжение или ток усилителя могут превысить максимум, указанный в паспорте.

Условия отказа в операционных усилителях

На рисунке 2 показан N-канальный входной каскад JFET (J ₁ , J ₂ , R ₁ и R ₂ ), за которым следуют вторичный каскад усиления и выходной буфер (A1). Когда усилитель без обратной связи находится в пределах своего заданного IVR, дифференциальный входной сигнал (V _{IN +} - V _IN– ) сдвинут по фазе на 180 градусов с V _DIFF .При подключении в качестве буфера с единичным усилением, как показано, если синфазное напряжение на V _{IN +} превышает IVR усилителя, затвор-сток J ₁ будет освобожден от зажима и проведет весь каскадный ток 200 мкА. . Пока напряжение затвор-сток J ₁ остается обратным смещением, дальнейшее увеличение на V _{IN +} не вызывает изменений в V _DIFF (V _OUT остается на положительной шине). Однако как только затвор-сток J ₁ становится смещенным в прямом направлении, дальнейшее увеличение V _{IN +} повышает на напряжение на инвертирующем входе A1, вызывая нежелательное изменение фаз между входным сигналом и V _DIFF . .

Рис. 2. Концептуальный операционный усилитель с N-канальным входом JFET.

На рисунке 3 показан пример смены фаз на выходе A1. В отличие от усилителей с биполярным входом, усилители на JFET-транзисторах склонны к перевороту фазы, поскольку их входы не ограничены. КМОП-усилители обычно невосприимчивы к обращению фазы, потому что вентили электрически изолированы от стоков. Если инверсии фазы не происходит, производители операционных усилителей часто указывают это в технических данных. Инверсия фазы возможна, если: входы усилителя не являются CMOS, максимальный дифференциальный вход составляет V _SY , и в техпаспорте не утверждается устойчивость к инверсии фазы.Хотя инверсия фазы сама по себе является неразрушающей, она может вызвать положительную обратную связь, что приводит к нестабильности в контурах сервопривода.

Рис. 3. Когда VIN превышает указанный IVR, инверсия входной фазы приводит к тому, что выход усилителя становится отрицательным.

Системные проектировщики также должны быть обеспокоены тем, что происходит, когда входы усилителя выходят за пределы источников питания. Чаще всего это состояние неисправности возникает, когда последовательность подачи питания приводит к тому, что сигнал источника становится активным до включения питания усилителя, или когда источник питания резко скачивает во время включения, выключения или работы.Это состояние разрушительно для большинства усилителей, особенно если перенапряжение превышает падение напряжения на диоде.

На рис. 4 показан типичный биполярный входной каскад с диодами защиты от электростатического разряда и ограничивающими диодами. В буферной конфигурации, когда V _{IN +} превышает любую из шин, ESD и ограничивающие диоды будут смещены в прямом направлении. При очень низком импедансе источника эти диоды будут проводить столько тока, сколько позволяет источник. Прецизионные усилители, такие как AD8622, обеспечивают минимальную дифференциальную защиту за счет включения резисторов на 500 Ом последовательно со входами для ограничения входного тока при приложении дифференциального напряжения, но они защищают только до тех пор, пока не указан максимальный входной ток. не превышено.Если максимальный входной ток составляет 5 мА, то максимально допустимое дифференциальное напряжение составляет 5 В. Обратите внимание, что эти резисторы не включены последовательно с диодами ESD, поэтому они не могут ограничивать ток на шинах (например, в условиях перенапряжения).

Рис. 4. Биполярный входной каскад, показывающий ESD и диоды дифференциальной защиты.

На рис. 5 показано соотношение входного тока и напряжения незащищенного биполярного операционного усилителя при одновременном применении дифференциального входа и перенапряжения. Когда приложенное напряжение превышает падение на диоде, ток может стать разрушительным, ухудшить или даже разрушить операционный усилитель.

Рис. 5. Входной ток операционного усилителя, когда дифференциальное входное напряжение превышает падение на диоде.

Защита от перенапряжения внешнего входа

С первых дней появления полупроводниковых операционных усилителей разработчикам микросхем приходилось сталкиваться с компромиссами между архитектурой микросхемы и внешней схемой, необходимыми для устранения ее недостатков. Защита от сбоев является одной из наиболее сложных проблемных областей (например, см. MT-036, «Защита от опрокидывания фазы на выходе операционного усилителя и входного перенапряжения» и MT-069, «Защита от входного напряжения In-Amp»).

Разработчикам систем требуются прецизионные операционные усилители с двумя характеристиками: низкое напряжение смещения (V _OS ) и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), которые упрощают калибровку и минимизируют динамическую ошибку. Чтобы поддерживать эти характеристики при наличии электрического перенапряжения (EOS), биполярные операционные усилители часто включают в себя внутренние ограничивающие диоды и небольшие ограничивающие резисторы, соединенные последовательно с их входами, но они не могут устранять неисправные состояния, возникающие, когда входы выходят за пределы шин.Чтобы добавить защиту, разработчик системы может реализовать схему, подобную показанной на рисунке 6.

Рисунок 6. Прецизионный операционный усилитель с внешней защитой с использованием токоограничивающего резистора и двух диодов Шоттки. RFB устанавливается равным R _OVP , чтобы уравновесить смещения из-за входных токов смещения.

R _OVP ограничит ток в операционном усилителе, если источник сигнала V _IN включится первым. Прямое напряжение диодов Шоттки на 200 мВ меньше, чем у типичных малосигнальных диодов, поэтому весь ток перенапряжения будет шунтироваться через внешние диоды D ₁ и D ₂ .Однако эти диоды могут ухудшить характеристики операционного усилителя. Например, графики обратной утечки от 1N5711 (см. Рисунок 7) можно использовать для определения штрафа CMRR для данного резистора OVP. Обратная утечка 1N5711 составляет 0 нА при 0 В и 60 нА при 30 В. При общем режиме 0 В дополнительная I _OS , вызванная D1 и D2, зависит от того, насколько хорошо их утечки совпадают. Когда V _IN устанавливается на +15 В, D1 будет иметь обратное смещение на 30 В, а D2 будет иметь смещение 0 В. Таким образом, дополнительные 60 нА поступают в R _OVP .Когда на входе устанавливается значение –15 В, D ₁ и D ₂ меняют местами электрически местами, и 60 нА вытекает из ROVP. Дополнительный IOS, вызванный защитными диодами в любом синфазном режиме, просто:

I _OSaddr = I _D1 - I _D2 (2)

Рис. 7. Зависимость обратного тока 1N5711 от постоянного обратного напряжения.

Из уравнения 2 можно получить штраф V _OS на крайних значениях синфазного диапазона следующим образом:

V _{OS Штраф} = I _OSaddr × R _OVP (3)

При использовании 60 нА в качестве утечки 1N5711 при 30 В и защитного резистора 5 кОм, VOS на каждом конце будет увеличиваться на 300 мкВ, вызывая дополнительные 600 мкВ ∆VOS во всем диапазоне входного напряжения.С точки зрения технических данных, операционный усилитель с CMRR 110 дБ будет иметь снижение на 17 дБ. Вставка резистора обратной связи для выравнивания импеданса источника помогает только тогда, когда общий режим равен 0 В, и ничего не делает для предотвращения дополнительных IOS во всем синфазном диапазоне. В таблице 1 показан такой же расчет для диодов, обычно используемых для защиты прецизионных усилителей. Для расчета штрафа CMRR предполагается наличие защитного резистора 5 кОм. Все затраты являются недавними котировками (2011 г.) в долларах США с сайта www.mouser.com.

Таблица 1.Часто используемые защитные диоды и их влияние на прецизионный операционный усилитель CMRR 110 дБ

	1N5711	BAV99	PAD5	BAS70-04	1N914	BZB84-C24
I OSaddr (nA)	60	10	<< 0.005	8	40	50
В OS Штраф (мкВ)	600	100	0	80	400	500
Штраф CMRR (дБ)	17	6	0	5	14	16
Стоимость при 1 тыс. Штук	0 руб.07	0,015 доллара США	$ 3.52	0,095 $	0,01 доллара США	0,034 доллара США

Другой возможный недостаток метода, показанного на рисунке 6, заключается в том, что защитные диоды шунтируют ток перенапряжения в источники питания. Если, например, положительный источник питания не может потреблять значительную величину тока, ток перенапряжения может вызвать увеличение положительного напряжения питания.

Один из способов предотвратить это - использовать встречные стабилитроны между положительным входом и землей, как показано на рисунке 8. Когда напряжение стабилитрона D1 или D2 превышено, диод шунтирует ток перенапряжения на землю, защита источников питания. Эта конфигурация предотвращает накачку заряда в условиях перенапряжения, но стабилитроны имеют более высокий ток утечки и емкость, чем малосигнальные диоды. Кроме того, стабилитроны имеют характеристику мягкого перегиба в профиле тока утечки.Это, как описано ранее, добавляет дополнительный штраф CMRR в синфазном диапазоне усилителя. Например, BZB84-C24 представляет собой пару встречных стабилитронов с рабочим напряжением от 22,8 В до 25,6 В. Обратный ток указан как максимум 50 нА при 16,8 В, но производитель не указывает, что утечка ближе к напряжению Зенера. Кроме того, для достижения более резких характеристик пробоя стабилитроны обычно изготавливаются из более высоколегированных диффузоров, чем их собратья с малым сигналом.Это вызывает относительное увеличение паразитной емкости, что приводит к увеличению искажений (особенно при более высоких амплитудах) и повышенной нестабильности.

Рис. 8. Прецизионный операционный усилитель с внешней защитой с использованием токоограничивающего резистора и двух стабилитронов.

Ранняя встроенная защита от перенапряжения

В предыдущем разделе обсуждались недостатки некоторых широко используемых методов защиты внешнего усилителя. Некоторых из этих недостатков можно было бы избежать, если бы сам усилитель был спроектирован так, чтобы выдерживать большие входные перенапряжения.На рисунке 9 показана общая схема интегрированной защиты, используемая на паре дифференциальных входов.

Рисунок 9. Пара дифференциальных входов с резистивной защитой от перенапряжения (защита от электростатического разряда не показана).

Эта схема включает входные защитные резисторы на обоих входах усилителя. Хотя защита от перенапряжения обычно требуется только на одном входе, выравнивание паразитной емкости и утечки на каждом входе снижает искажения и ток смещения. Кроме того, диоды не должны обрабатывать события ESD, поэтому они могут быть относительно небольшими.

Добавление сопротивления, внешнего или внутреннего, добавляет к тепловому шуму усилителя из корня из суммы квадратов (RSS) (уравнение 4):

(4)

Если для защиты операционного усилителя от шума 4 нВ / √Гц используется резистор 1 кОм, общий шум напряжения увеличится на √2. Интеграция защитных резисторов не меняет того факта, что защита от перенапряжения увеличивает приведенный ко входу шум напряжения, но интеграция R ₁ и R ₂ с операционным усилителем гарантирует, что спецификация шума в технических данных покрывает защитную схему.

Чтобы избежать компромисса между шумом и перенапряжением, требуется защитная схема, которая имеет низкое сопротивление, когда входы усилителя находятся в пределах указанного диапазона, и очень высокое сопротивление, когда входы усилителя выходят за пределы направляющих. Эта характеристика обеспечит улучшенную защиту от перенапряжения по запросу, тем самым снизив общий шумовой вклад при нормальных условиях эксплуатации. На рисунке 10 показана реализация одной схемы, которая ведет себя подобным образом.

Рисунок 10. Входная дифференциальная пара с активной защитой от перенапряжения.

Jxy - это P-канальные полевые транзисторы; они работают в режиме истощения, поэтому канал имеет ту же полярность, что и исток и сток. Когда входные уровни усилителя находятся между рельсами, J _1A и J _2A действуют как простые резисторы с сопротивлением, равным R _DSON , поскольку входные токи смещения достаточно малы, чтобы победить любая разность потенциалов между каналом и затвором. t защелкните канал закрытым. Если напряжение V _{IN +} превысит отрицательное напряжение питания из-за падения напряжения на диоде, ток начнет течь через J _1A , в результате чего сток закроется.Этот переход фактически представляет собой переход J _1A из триода в линейную область. Если V _{IN +} превысит положительное напряжение питания на диодное падение, J _1A будет действовать как боковой PNP. V _{IN +} к затвору будет действовать как смещенный в прямом направлении переход эмиттер-база, а другой переход действует как база-коллектор, сдерживая перенапряжение.

График вольт-амперной характеристики на Рисунке 11 показывает изменение входного импеданса операционного усилителя с полевым транзистором при качании по перенапряжению.R _DSON защитного полевого транзистора составляет 4,5 кОм; когда положительный вход усилителя поднимается над шиной, сопротивление защитного полевого транзистора быстро увеличивается до 22 кОм при 30 В, ограничивая входной ток до 1,5 мА.

Рис. 11. Эффективное входное сопротивление операционного усилителя, защищенного полевым транзистором, при качании по перенапряжению постоянного тока.

Преимущества интеграции

Усилители, такие как ADA4091 и ADA4096, демонстрируют, что надежные, устойчивые к перенапряжениям входы операционных усилителей могут быть достигнуты с минимальным влиянием на точность (как показано на рисунке 10).ADA4096 обеспечивает защиту 32 В независимо от уровней питания, устраняя необходимость во внешних компонентах, которые могут быть либо недорогими, но значительно ухудшающими точность усилителя, либо точными, но более дорогими, чем сами усилители.

На рис. 12 показан ADA4096-2 в корпусе LFCSP размером 2 × 2 мм рядом с парой дискретных компонентов, часто используемых для внешней защиты входа. Интегрированная защита ADA4096-2 позволяет значительно уменьшить площадь, занимаемую печатной платой; его эффекты включены в спецификации операционного усилителя; и защищает усилитель даже при отключенном питании (см. рисунок 13).Кроме того, ADA4091 и ADA4096 имеют входы и выходы Rail-to-Rail (RRIO) и не имеют инверсии фазы во всем диапазоне защиты от перенапряжения (см. Рисунок 14). Эти преимущества позволяют разработчикам системы немного меньше беспокоиться о последовательности и фиксации источников питания.

Рис. 12. ADA4096-2 в корпусе размером 2 мм × 2 мм занимает меньше места, чем два компонента, обычно используемых для защиты от внешнего напряжения. Рис. 13. ADA4096-2 ограничение входного тока OVP с питанием и без него. Рис. 14. ADA4096-2 питается от источника питания ± 10 В, когда входы подтянуты на 30 В выше и ниже шин.

Выводы

Таким образом, встроенная защита от перенапряжения дает множество преимуществ:

1. Повышенная надежность и точность цепей аналоговых сигналов.
2. Сокращенное время вывода продукта на рынок (TTM), более короткое время разработки и меньшие требования к испытаниям.
3. Сниженная стоимость ведомости материалов (BOM).
4. В утвержденных списках компонентов требуется меньше компонентов.
5. Уменьшение занимаемой площади на печатной плате / более высокая плотность.
6. Более низкая частота отказов.

Ссылки

Технический паспорт

1N914 доступен на сайте www.fairchildsemi.com.

Технический паспорт

1N5711 доступен на сайте www.st.com.

Спецификации

BAV99, BAS70-04 и BZB84-C24 доступны на сайте www.nxp.com.

Технический паспорт

PAD5 доступен на сайте www.vishay.com.

Стандарт JESD22-A114D доступен на сайте www.jedec.org.

.

---

Смотрите также

• 
  Битуминоль технические характеристики
• 
  Какие цвета нужно смешать чтобы получился белый
• 
  Монтаж сэндвич дымохода
• 
  Кровля из наплавляемых материалов
• 
  Возраст человека по годам
• 
  Работа септика топас
• 
  Давление в водопроводе частного дома
• 
  Шумоизоляционный материал для стен
• 
  Для чего нужна шлифовальная машина
• 
  Изобретение магнитофона дата и век
• 
  Двойной осмос очистка воды