Железо

О защите от перенапряжений входа блоков питания с помощью разрядников

При использовании дорогостоящего компьютерного оборудования, например, майнинг ферм, необходимо использовать качественные и высокоэффективные блоки питания. Они должны иметь надежно работающую защиту от перегрузки, коротких замыканий, перенапряжений и других неблагоприятных факторов.

В статье «О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания» рассматривались некоторые особенности защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры с помощью элементов с нелинейным изменением сопротивления в зависимости от напряжения/температуры. В данной статье эта тема продолжает свое развитие.

Защита импульсных блоков питания от перенапряжений (surge protection) должна реализоваться на его входе, в высоковольтной части. В качественных блоках питания в качестве дополнительных защитных элементов от электрических перенапряжений (surge protective devices, SPD), кроме варисторов и терморезисторов, используются газовые разрядники.

Разрядники ZD2R400 (напряжение пробоя 400V):

Блок-схема качественного импульсного блока питания (за защиту на входе отвечает блок Fuse, EMI и Surge Protection, выход которого нагружен на Bleed resistor — стабилизирующее нагрузочное сопротивление):

Чем отличаются искровые разрядники от варисторов?

Обычно варисторы и газовые разрядники выполняют одну и ту же задачу по защите от всплесков высокого напряжения, вызванных переходными процессами при коммутации, атмосферными разрядами и другими причинами.

Пример реализации защиты импульсного блока питания от входных всплесков напряжения с помощью трех варисторов (leaded disk varistor) и двух разрядников (surge arresters):

Обозначение различных типов разрядников на электрических схемах:

1 — Разрядник без указания его типа (общее обозначение);

2 — Трубчатый разрядник;

3 — Вентильный/магнитовентильный разрядник;

4 — Варистор (подробнее в статье «О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания»);

5 — Пробивной предохранитель;

6 — Газовый разрядник;

7 — Трехэлектродный (управляемый) газовый разрядник;

8 — Термозащищенный газовый разрядник.

Газовые разрядники отличаются от варисторов принципом действия, хотя и выполняют похожие задачи по защите радиоэлектронных цепей от разрушительных высоковольтных импульсов (перенапряжений).

Варисторы в большинстве случаев являются метал-оксидными электронными элементами (MOV, Metal Oxide Varistor) с нелинейно уменьшающимся сопротивлением при увеличении приложенного напряжения (кроме того, существуют кремний-оксидные варисторы — SOV, Silicon Oxide Varistor). Благодаря этому полезному свойству, при всплеске напряжения, его энергия гасится на варисторе, включенном параллельно устройству/нагрузке.

Внутренняя структура метал-оксидного варистора:

Вольт-амперная характеристика метал-оксидного варистора:

Время срабатывания MOV-варистора равно наносекундам. Инертность варистора может привести к прохождению на защищаемый участок цепи большого количества энергии, способной вывести его из строя. Кроме того, варисторы подвержены старению — деградации, из-за которой со временем они работают со значительно худшими характеристиками. Деградацию варисторов сложно выявить в обычных условиях эксплуатации, поэтому она зачастую проявляется в виде выхода из строя защищаемого участка цепи при прохождении большого импульса напряжения.

При подборе MOV-варистора для конкретной конструкции нужно учитывать максимальное пиковое действующее напряжение в электрической цепи (его амплитуду). Для защиты входа устройства, включающегося в сеть нужно учитывать не действующее (среднеквадратичное или эффективное) значение переменного напряжения, которое показывает обычный вольтметр, а его максимальную амплитуду (пиковое напряжение).

Например, в сети с действующим переменным фазным напряжением Ud = 230 вольт (измеряется между фазой и нейтралью), максимальная амплитуда Um достигает значения (с учетом возможного допуска +10%):

Um = (Ud+10%) х 1.41 = 253 х 1.41 = 357 вольт,

для сети с Ud = 240 вольт максимальная амплитуда напряжения будет равна 373 вольтам.

Поэтому на входе устройств, питающихся от сети переменного синусоидального тока напряжением 220-240 вольт, нужно ставить электронные элементы рассчитанные на работу с напряжением не менее 400 вольт.

При слишком большой энергии электрического импульса, который гасится на варисторе, он сгорает. Это может произойти при долговременной подаче высоковольтного импульса и/или его очень большой амплитуде.

Фотография сгоревшего варистора:

В качественных импульсных блоках питания, кроме варисторов используются газовые разрядники или Gas-Filled Surge Arresters (SVT — разрядники, наполненные инертным газом).

В нормальных условиях разрядник имеет бесконечное сопротивление, но если напряжение между его электродами достигает определенного значения, то между ними начинает протекать ионизированный поток (так работает неоновая лампа). При дальнейшем повышении напряжения возникает электрическая дуга с образованием участка с постоянной проводимостью (пробой) с дуговым падением напряжения (arc drop).

Вольт-амперная характеристика типового газового разрядника:

Обычно в схемах с использованием разрядников избыточная энергия высоковольтного импульса гасится через цепь, образованную электрической дугой между электродами разрядника и нагрузочным сопротивлением.

Как включаются газовые разрядники в импульсных блоках питания?

Схема полноценной реализации двухступенчатой защиты от всплесков напряжения с помощью шести метал-оксидных варисторов и двух разрядников (первая ступень ограничивает напряжение в дифференциальном режиме (difference mode), а вторая — в синфазном (common mode)):

Схема, иллюстрирующая разницу между дифференциальным (differential) и синфазным (common) паразитными токами:

Упрощенная схема защиты от перенапряжений с двумя варисторами и двумя разрядниками:

Таблица значений пикового напряжения в схемах с полноценной (tradictional circuit) и упрощенной (simplified) реализацией защиты от перенапряжений (даны значения для разных развязывающих индуктивностей L1-L4):

Осцилограммы напряжений в схемах с катушками индуктивности 10 мкгн на полноценной и упрощенной схемах защиты:

а) дифференциальная часть схемы:

б) синфазная часть схемы:

Как видно из таблицы и осциллограмм, разница между пиковыми значениями напряжений в полноценной и упрощенной схемах защиты составляет единицы процентов, что не так уж много в сравнении с ценой использующихся компонентов. Поэтому на практике можно с успехом применять упрощенную схему защиты с двумя варисторами и двумя разрядниками.

Реализация защиты от перенапряжений высоковольтной части блока питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт, где установлено четыре разрядника (на фотографии видно разрядники GT2, GT4, элементы GT1, GT3 находятся с другой стороны катушек индуктивности):

В блоке питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт два разрядника включены параллельно входу высоковольтной части БП (GT1, GT3) и еще два — параллельно катушкам индуктивности (GT2, GT4).

Включение газового разрядника параллельно одной из катушек индуктивности используется для защиты от сатурации и всплесков напряжения, связанных с резонансным эффектом:

В дешевых БП роль разрядников, включенных параллельно катушкам индуктивности выполняют проводящие дорожки на печатной плате с зубчиками, между которыми есть небольшой зазор:

Зубчики, выполняющие роль разрядника на плате блока питания:

Теоретически, при появлении высоковольтного импульса должен происходить пробой между этими зубчиками, предохраняющий устройство от серьезных последствий.

При включении блоков питания Be Quiet! с несколькими газовыми разрядниками иногда слышен характерный треск и видны вспышки, вызванные их работой, которые иногда ошибочно воспринимаются как поломка.

Вариант схемы включения газового разрядника и трех варисторов для защиты блока питания, подключенного к однофазной сети переменного тока:

К недостаткам разрядников можно отнести очень малое гашение импульсов напряжения и долгое время, при котором сохраняется их проводящее состояние после воздействия высоковольтного импульса. В некоторых случаях оно сохраняется так долго, что они могут сгореть.

Для устранения недостатков в работе разрядника используют включение дополнительных фильтров с супрессорными диодами, быстродействующих реле и т. д.

Пример реализации схемы входной цепи БП средней/высокой мощности с защитой от высоковольтных импульсов (цепи фаза-фаза и фаза-земля) с помощью SVP-разрядника GT1, MOV-варисторов V1-V3 и TVS-диодов D1-D3 (супрессорных):

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English English Русский Русский