Apariţia supratensiunilor este o problemă delicată, cu implicaţii negative direct proporţionale cu creşterea complexităţii şi implicit a sensibilităţii dispozitivelor şi echipamentelor electronice. Supratensiunile, de obicei tranzitorii, iau naştere din mai multe cauze. Producerea în apropiere a unor descărcări electrice atmosferice (fulgere) ori a unor descărcări electrostatice - ESD (Electrotstatic Discharge) apărute la atingerea cu corpul uman, dar şi regimul de funcţionare al echipamentelor electrice şi electronice pot crea astfel de supratensiuni.
Rezultatul este funcţionarea incorectă a sistemelor din care fac parte, dar, nu de puţine ori, supratensiunile pot provoca distrugerea echipamentului în sine. În acest articol vom discuta despre metodele clasice de eliminare a acestor probleme, totodată vom prezenta un modul economic pentru protecţia la supratensiuni, cu aplicabilitate în sistemele de achiziţie de date şi de comunicaţii industriale.

Dispozitive şi tehnologii de protecţie
Există o serie de metode de a suprima supratensiunile, fiecare tip de ameninţare fiind neutralizată cu un anume tip de dispozitiv, în funcţie de aplicaţia utilizată. Un considerent important în alegerea dispozitivului de protecţie este realizarea acestuia în tehnologie similară cu cea a dispozitivului protejat. Tuburi cu descărcare în gaz - GDT (Gas-Discharge Tube) sau varistori metal-oxid - MOV (Metal-Oxide Varistor) sunt tipul de componente ceramice cel mai potrivit pentru protejarea unor dispozitive electromecanice precum comutatoare, relee sau cabluri electrice.
În aceeaşi ordine de idei, pentru protecţia dispozitivelor deosebit de sensibile, fabricate din materiale semiconductoare, se poate alege o metodă bazată pe protecţii realizate în tehnologia siliciului. Aici menţionăm două tipuri, respectiv protecţie de tip “clamp” sau de tip “crowbar”. În ceea ce priveşte funcţionarea acestora în momentul în care tensiunea tranzitorie dispare, remarcăm revenirea la normal a circuitului de tip “clamp”, pe de altă parte, un circuit “crowbar” continuă să conducă până când alimentarea este întreruptă. Această deficienţă, respectiv persistarea scurtcircuitului de protecţie, este rezolvată prin circuitele “crowbar” active.
Ideea de bază este implementarea sistemului de protecţie astfel încât acesta să câştige cursa contra cronometru dintre declanşarea protecţiei şi distrugerea dispozitivului protejat. A cunoaşte principalele dispozitivele de protecţie implică alegerea eficientă şi din punct de vedere economic a soluţiei potrivite. Drept exemplu, luăm cazul releelor şi contactoarelor unde nu este necesară implementarea unor metode de protecţie bazate pe tehnologia siliciului.
Dispozitivele ceramice precum varistoarele sunt mai ieftine comparativ cu dispozitivele semiconductoare, dezavantajul fiind precizia mai scăzută în utilizare. În cazul aplicaţiilor electromecanice, acest lucru nu constituie o problemă.
Eclatoarele - GDT (Gas Discharge Tube - tub cu descărcare în gaz), disipă tensiunile tranzitorii prin intermediul unei plasme gazoase închise într-un recipient, astfel încât acestea au posibilitatea de face faţă unor supracurenţi de 40000A. Denumite şi descărcătoare de supratensiune cu plasmă gazoasă, acestea au rezistenţă de izolare înaltă şi capacitate de scurgere reduse pentru a asigura un efect minim la operarea normală a echipamentelor şi infrastructurii de telecomunicaţii. Timpul de răspuns mic alături de proprietatea de a disipa cantităţi mari de energie ne duc la concluzia că eclatoarele sunt o soluţie bună împotriva supratensiunilor provocate de descărcări electrice în atmosferă, în special pentru protecţia echipamentelor şi infrastructurii de comunicaţii amplasate în afară clădirilor.
Sunt dispozitive de tip “crowbar”, ca atare nu pot fi utilizate pentru linii de putere fără siguranţe fuzibile.
Varistoarele au rolul de a proteja componentele sensibile prin devierea supratensiunilor tranzitorii, comportamentul fiind similar cu diodele (cu siliciu) cu avalanşă montate în serie. Întrucât aceste dispozitive sunt de tip “clamp”, linia protejată nu este scurtcircuitată când sunt activate, totodată ele se recuperează automat când supratensiunea dispare. Identificăm două tipuri principale, respectiv varistoare cu oxid de metal şi varistoare multistrat.
Varistoarele multistrat - MLV (Multilayer Varistor) sunt utilizate în echipamentele sensibile şi asigură protecţia acestora împotriva supratensiunilor tranzitorii de energie redusă către medie (de exemplu ESD), tensiunea normală de operare fiind de obicei de câteva zeci de volţi. În ceea ce priveşte curentul maxim, pentru o perioadă foarte scurtă de timp (dată de standardele industriale 10/10000ms sau 8/20ms, după specificaţiile dispozitivului), acesta poate depăşi la unele modele câteva sute de amperi, vârful energiei absorbite fiind situat între 0,05 şi câteva zeci de jouli. Aplicaţiile acestora au o gamă largă, respectiv de la protecţia sistemelor electronice auto (circuite cu senzori şi traductoare, afişoare cu cristale lichide etc.) până la industria IT - calculatoare şi subansamble (tastaturi, plăci de bază, interfeţe de comunicaţie etc.). Avantajele principale sunt frecvenţa mare de lucru, respectiv zeci de gigaherţi pentru modelele cu capacitate foarte scăzută (£3pF), costul redus şi performanţele ridicate. Nu în ultimul rând, întrucât în general sunt oferite în încapsulare SMT, acestea nu suferă de inductanţe parazitice semnificative.
Varistoarele din oxid de metal - MOV (Metal Oxide Varistor), spre deosebire de cele multistrat, au gama mult mai întinsă în ceea ce priveşte capacitatea de absorbţie a energiei, respectiv de la 0,1 până la zeci de mii de jouli. Totodată suportă mai mult curent decât varistoarele multistrat, vârful pentru unele modele fiind situat la sute de mii de amperi. Sunt utilizate în foarte multe aplicaţii, dintre acestea menţionăm protecţia la descărcări electrice atmosferice a echipamentelor industriale sau a liniilor de distribuţie a energiei electrice, costul acestora fiind direct proporţional cu performanţele gamei mărimilor de lucru (curent, timp de răspuns şi timp de rezistenţă, durată de viaţă, energie absorbită, tensiune, temperatură, protecţii încapsulare etc.).
Supresoarele ESD polimerice sunt supresoare de dimensiuni reduse şi cu acţiune rapidă. Acestea au rolul de a proteja circuitele electronice împotriva descărcărilor electrostatice.
Abilitatea de a clampa tensiunea cu inserţia unei capacităţi reduse (0,05pF) recomandă aceste dispozitive drept ideale pentru suprimarea ESD în liniile de intrare/ieşire de înaltă viteză (de exemplu HDMI), cu tensiunea de operare între 0 şi 24V, curent continuu. Deşi degradarea semnalului este mică, lucru datorat capacităţii foarte mici, capacitatea acestor dispozitive protectoare de a absorbi energie este de asemenea mică.
Reţele de protecţie din siliciu sunt dispozitive de clampare a ESD cu rolul de a proteja liniile de semnal analogice şi digitale cum ar fi liniile de date, audio/video analogic, HDMI, USB sau IEEE 1394. Avantajul unei astfel de componente este integrarea într-un singur chip a mai multor dispozitive de protecţie discrete, astfel fiind restrâns spaţiul ocupat pe circuitul imprimat, totodată fiind realizate şi alte economii. Cu tensiunea de lucru situată în general la maxim 30V, asemeni supresoarelor polimerice, reţelele de protecţie din siliciu au posibilitate redusă de absorbţie a energiei, capacitate mică (£ 3pF), curentul de scurgere fiind de câteva zeci de nanoamperi.
Diodele supresoare de tensiuni în regim tranzitoriu - TVS (Transient Voltage Supressor), uneori denumite şi transorb sau transil (după numele date de diferiţi producători), sunt disponibile în ambele configuraţii, respectiv unidirecţionale sau bidirecţionale. Acestea asigură protecţii împotriva supratensiunilor înalte în regim tranzitoriu pentru interfeţele de intrări/ieşiri, pentru magistrala de alimentare şi pentru alte circuite vulnerabile prezente în echipamentele de telecomunicaţii, calculatoare, echipamente industriale şi electrocasnice. Vârful puterii absorbite, caracteristică foarte importantă, se situează între 400W şi 5kW, pentru cele mai populare modele, pe de altă parte tensiunea de operare (până la declanşarea protecţiei) are valori cuprinse între 5 şi 376V. TVS-urile sunt folosite şi la liniile de curent alternativ întrucât precizia lor sporită, în ceea ce priveşte tensiunea de clampare, conferă o compatibilitate mai bună decât varisoarele, totodată timpul lor de răspuns fiind mai mic. Un exemplu de aplicaţie pentru TVS-uri găsim în figura următoare[2]:
Pentru aplicaţii RS-485, funcţionalitatea dispozitivelor TVS constă în clamparea supratensiunii apărute în magistrală către gama tensiunii de mod comun a transceiverului RS-485 (-7V … +12V). Sunt dispozitive TVS ce au fost proiectate special pentru aplicaţii RS-485. Pentru tranzienţi de puteri mai mari, protecţia poate fi mărită prin adăugarea unor rezistori în serie (Rs în figură), cu valori cuprinse între 10W şi 20W, între dispozitivul protejat şi blocurile de terminale (sau pinii) de intrare. Rt este rezistorul terminator (ex. 120W).

Modulul de protecţie SG-770
În cele ce urmează vom considera o soluţie modulară pentru a asigura protecţia intrărilor sistemelor de achiziţii de date şi control, a reţelelor industriale (RS-485) precum şi a liniilor de alimentare cu curent continuu a acestor sisteme.
SG-770 (produsă de ICP DAS si comercializată de IMPERIAL ELECTRIC SA) oferă 7 canale (notate de la 0 la 6) pentru implementarea protecţiei la supratensiuni tranzitorii. SG-770 este acreditat conform standardelor IEC 61000-4-5 şi IEC 61000-4-12. Fiecare canal suportă semnale în gama de tensiune 0V … 30V, totodată fiecare canal fiind protejat la supratensiuni tranzitorii ce ating 6kV.
Relativ la modul de folosire, descoperim uşurinţa de conectare a intrărilor şi a ieşirilor, alături de facilitatea şi flexibilitatea oferită de modul de montare, respectiv pe şină DIN. Dacă dorim protejarea unei intrări a unui sistem de achiziţie de date, ori a unei linii de alimentare pentru un sistem de achiziţie de date, legăm în serie cu acesta, dispozitivul SG-770, prin intermediul terminalelor de intrare (de ex. Vin1+ şi Vin1-) şi al terminalelor de ieşire (respectiv Vout1+ şi Vout1-). Figura următoare ne prezintă un exemplu de protejare a intrărilor unui termocuplu (canalul 0), a unei intrări în curent (canalul 2), a unei reţele RS-485 (canalul 4) şi a unei intrări în tensiune (canalul 6).
În prima parte am discutat despre principalele dispozitive de protecţie, alături de caracteristicile lor şi de aplicaţiile unde acestea îşi au rolul. Pe de altă parte, proiectanţii de sisteme de supervizare, înregistrare şi control ale proceselor industriale sunt puşi deseori în situaţia de a alege o soluţie completă, testată şi certificată pentru a proteja echipamentele de achiziţii de date, control şi de comunicaţie. Acest lucru are ca scop economisirea timpului acordat proiectării, testării şi producerii unor astfel de echipamente de protecţie, ce în cele din urmă vor îngloba mai multe tipuri de dispozitive, prezentate în prima parte. În concluzie, soluţia propusă, respectiv SG-770, este eficientă conform acestor cerinţe, dar nu în ultimul rând, inclusiv din punct de vedere economic.

Referinţe
[1] K. Walters. “How To Select Transient Voltage Suppressors”, MicroNote 125, Microsemi, Iul. 1999;
[2] H. Marais, “RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide”, Notă de aplicaţie AN-960, Analog Devices;
[3] “SG-770 - Manual de utilizare”, www.imperialelectric.ro, Noi. 2009.

Pentru mai multe detalii vă rugăm contactaţi:

Ing. Sergiu-Cristian COSMESCU
Imperial Electric SA

Tel.: +40 (0) 21 324 0414
Fax: +40 (0) 21 324 0417
office@imperialelectric.ro
www.imperialelectric.ro