과도 억제 장치

과도 억제 장치

과도 억제 장치는 과전압 스파이크 및 서지의 결과로 방출되는 에너지 양을 크게 줄일 수 있습니다.

우리는 회로에 전원을 공급하기 위해 사용하는 AC 또는 DC 전원 공급 장치가 깨끗하고 잘 조절된 공급 장치라고 생각하고 싶습니다. 그러나 AC 유도 부하의 스위칭 또는 DC 릴레이 접점과 DC 모터의 스위칭이 모두 결합되어 유지하기 어려운 전원 공급 장치 품질을 생성하므로 과도 억제 장치가 필요합니다.

유도 스위칭 과도 현상은 모터, 솔레노이드 코일 또는 릴레이 코일과 같은 유도성 또는 반응성 부하의 일부 형태가 갑자기 꺼질 때 발생합니다. 자기장의 급속한 붕괴는 정상 상태 전원에 중첩되는 과도 전압을 유도합니다. 이러한 유도성 스위칭 전압 과도 현상은 1,000V에 도달할 수 있습니다.

과도 현상은 유도성이든 용량성이든 이전에 저장된 에너지의 갑작스러운 방출로 인해 전기 회로에서 발생하는 매우 가파른 전압 단계로, 이로 인해 과도 전압이 높아지거나 서지가 생성됩니다. 일부 스위칭 동작으로 인해 갑자기 에너지가 회로로 다시 방출되면 이론적으로 무한한 값을 가질 수 있는 급격한 에너지 임펄스 형태의 일시적인 전압 스파이크가 생성됩니다.

이러한 높은 dv/dt 일시적인 스위칭 스파이크는 매우 짧은 기간(밀리초 또는 마이크로초) 동안 존재할 수도 있고 짧은 시간 동안 자주 발생할 수도 있습니다(예: 무작위로 하루에 2~3회). .

 

또한 전압 과도 현상이 항상 0V나 사이클 시작 시 시작되는 것이 아니라 다른 전압 레벨에 중첩될 수 있다는 점을 인식해야 합니다. 어느 쪽이든 과도 전류는 전자 장비를 손상시킬 수 있으므로 억제하고 제어해야 하기 때문에 좋지 않습니다.

과도 억제 장치는 아크 접점, 필터, 고체 반도체 장치에 이르기까지 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 금속 산화물 배리스터(MOV)와 같은 이산 반도체 과도 억제 장치는 다양한 에너지 흡수 및 정격 전압으로 제공되므로 원치 않고 잠재적으로 파괴적인 과도 현상을 엄격하게 제어할 수 있으므로 가장 일반적입니다. 전압 스파이크.

과도 억제 장치는 회로를 통한 과도 전파를 방지하는 과도 에너지 값을 감쇠하거나 줄이기 위해 부하와 직렬로 사용할 수 있습니다. 또는 부하와 병렬로 사용하여 과도 현상을 일반적으로 접지로 전환할 수 있습니다. 따라서 잔류 전압을 제한하거나 고정하십시오.

과도 전압의 감쇠는 일반적으로 부하 회로와 직렬로 연결된 저역 통과 필터를 사용하여 수행됩니다. 과도 전압이 발생하면 일반적으로 빠르게 움직이는 고주파수 스파이크이므로 필터는 이 고주파수 과도 현상을 감쇠하거나 차단하는 동시에 저주파 전력 또는 신호 구성 요소가 방해받지 않고 계속되도록 허용합니다. 과도 감쇠기의 좋은 예는 주전원 필터링 연장 코드입니다.

과도 전류를 전환하는 것은 일반적으로 전압 클램핑 유형 장치 또는 일반적으로 크로우바 유형 장치라고 불리는 장치를 사용하여 수행됩니다. 이러한 병렬 연결된 장치는 이를 통해 흐르는 전류가 옴의 법칙에 따라 터미널 전체의 전압에 대해 선형이 아니기 때문에 비선형 임피던스 특성을 나타냅니다.

MOV와 같은 전압 클램핑 장치는 장치를 통해 흐르는 전류나 단자의 전압에 따라 가변 임피던스를 갖습니다. 정상적인 정상 상태 작동 조건에서 장치는 높은 임피던스를 제공하므로 연결된 회로에 영향을 미치지 않습니다.

그러나 과도 전압이 발생하면 장치의 임피던스가 변하여 장치 전체의 전압이 상승함에 따라 장치를 통해 유입되는 전류가 증가합니다. 그 결과 과도 전압이 명백히 클램핑됩니다. 클램핑 장치의 볼트 암페어 특성은 일반적으로 전류가 크게 증가하면 장치에서 많은 에너지가 소모되므로 시간에 따라 달라집니다.

Crowbar 장치는 스위칭 유형 켜기 작업의 결과로 회로에서 과도한 전압 스파이크를 전환하는 또 다른 유형의 과도 억제 장치입니다. Crowbar 장치는 정상적인 정상 상태 조건에서 회로에 영향을 미치지 않는다는 점에서 제너 다이오드와 작동 방식이 유사합니다. 과도 현상이 감지되면 신속하게 "ON"으로 전환되어 병렬 연결된 부하에서 과도 현상을 우회시키는 매우 낮은 임피던스 경로를 제공합니다.

그런 다음 개별 과도 억제 장치는 연결 및 작동 유형에 따라 세 가지 기본 범주로 나눌 수 있습니다.

• 직렬(차단) 연결된 저역 통과 필터.
• 병렬(션팅) 연결된 전압 클램퍼 및 전압 클리퍼.
• 병렬(션트)로 연결된 Crowbar 장치.

이는 다음과 같이 표시될 수 있습니다.

과도 억제 장치

직렬 과도 억제 필터

AC 전력선의 과도 전류 범위는 일반 주 전압보다 몇 볼트에서 수 킬로볼트 이상까지 다양합니다. 이러한 과도 현상을 감쇠하거나 차단하는 억제 장치는 필터 회로를 사용하여 연결된 부하와 직렬로 100Hz 필터를 삽입함으로써 이러한 주전원에서 발생하는 과도 현상을 효과적으로 제거합니다.

 

빠른 스위칭 전압 과도 현상의 주파수 구성 요소는 느리게 움직이는 AC 소스의 기본 주파수보다 훨씬 높을 수 있습니다. 따라서 원치 않는 과도 현상을 감쇠하고 제어하기 위한 확실한 선택은 소스와 부하 사이에 저역 통과 필터 섹션을 사용하는 것입니다.

LC 필터와 같은 저역 통과 필터는 고주파 과도 현상을 감쇠하고 저주파 전력 또는 신호가 방해받지 않고 통과하도록 하는 데 사용할 수 있습니다. 과도 억제 필터의 가장 간단한 형태는 고주파 과도 현상을 감쇠하기 위해 전력선에 직접 배치되는 저항기 커패시터 RC 필터의 형태입니다.

AC 전원 애플리케이션용 필터는 일반적으로 감쇠 정도가 필터의 LC 스테이지 수에 따라 달라지는 다단형 LC 필터를 형성하기 위한 인덕턴스와 커패시터로 구성됩니다. 일반적인 직렬 연결 AC 주전원 과도 억제 필터는 다음과 같습니다.

일반적인 과도 억제 필터

이 기본 2단계 저역 통과 AC 필터는 주파수 범위 전체에 걸쳐 라인-라인 및 라인-접지 사이에 높은 삽입 손실을 제공하여 고주파 과도 및 노이즈가 연결된 부하에 도달하는 것을 차단하여 효과적인 과도 전압 보호를 제공합니다. 장비. 또한 이러한 주 전원 필터는 전압 스파이크 및 과도 현상을 줄이는 것 외에도 전원 공급 장치에서 발생하는 무선 주파수 간섭이나 방출을 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다.

전압 클램핑 과도 억제기

전압 클램퍼는 회로 전체의 과도 진폭을 제한하는 데 사용됩니다. 전압 클램핑 장치는 미리 설정된 임계 전압이 초과되면 전도를 시작하고, 과전압이 임계 수준 아래로 떨어지면 다시 비전도 모드로 돌아갑니다. 따라서 과전압 스파이크는 클램핑 장치에 의해 안전한 수준으로 차단됩니다.

전압 클램핑 장치는 일반적으로 전원 전체에 걸쳐 부하와 병렬로 배치되어 원치 않는 높은 dv/dt 과도 전압으로부터 전원을 보호합니다. 전압 클램퍼는 DC 공급 장치의 제너 다이오드만큼 간단할 수 있지만 양방향 AC 공급 장치의 경우 과전압 보호를 위해 MOV(금속 산화물 배리스터), 억제 다이오드 또는 VDR(전압 종속 저항기)을 사용해야 합니다.

전압 클램핑 장치는 서지 전류를 전환하지만 필터처럼 이를 흡수하지 않으므로 과도 전류를 전환하는 데 사용되는 경로가 회로에 자체 문제를 생성하거나 생성하지 않도록 주의해야 합니다.

제너 다이오드 과도 억제기

제너 다이오드는 순방향 바이어스 방향에서는 일반 다이오드처럼 동작하지만 역방향 바이어스 방향에서는 파손되어 전도되므로 DC 전원(단방향) 보호에 사용됩니다. 따라서 제너 다이오드의 역방향 항복 전압 V Z 는 기준 또는 클램핑 전압 레벨로 사용될 수 있습니다.

역방향 및 제너 항복 전압 미만에서 VZ 제너 다이오드는 공급 장치에 대해 높은 임피던스를 나타내며 누설 전류가 거의 발생하지 않습니다. 그러나 제너 양단의 전압이 제너 전압보다 크면 전압이 증가함에 따라 전도도가 점진적으로 증가하면서 항복이 시작되어 과도 전압에 대한 매우 낮은 임피던스 경로를 나타냅니다.

제너 과도 억제

공급 장치 또는 보호되는 구성 요소에 연결되면 제너 다이오드는 역방향 항복 전압보다 높은 임피던스를 갖고 역방향 항복 전압 이상에서는 낮은 임피던스를 갖기 때문에 과도 전압이 나타날 때까지 사실상 "보이지 않습니다".

제너가 항복 작동 모드에 있을 때, 즉 과도 현상을 억제할 때 다이오드는 과전압을 즉시 클램핑하여 스파이크를 안전한 수준으로 제한한 다음 과도 전압이 제너 전압 V보다 낮으면 다시 정상으로 돌아옵니다. 지 . 그러면 클램핑 전압 V C 는 제너의 역방향 항복 전압과 같습니다. 이러한 클램핑 특성으로 인해 제너 다이오드는 보호된 부하에서 잠재적으로 손상을 주는 전류를 클램핑하여 과도 현상을 억제하는 데 사용됩니다.

제너 다이오드의 서지 전류 및 전력 용량은 대략적으로 접합 면적에 비례합니다. 대부분의 제너 다이오드는 낮은 전력 및 전압 수준에서 작동하도록 설계되었습니다. 더 높은 전압 레벨에서 작동하고 손상 없이 더 높은 서지 전류를 흡수하도록 설계된 제너 다이오드를 눈사태 다이오드 라고 합니다 .

앞서 단일 제너 다이오드는 순방향 바이어스 다이오드 특성으로 인해 정상 상태 DC 공급 장치의 과도 억제에만 사용될 수 있다고 말했습니다. 그러나 두 개의 제너 다이오드를 "백투백"으로 연결하면 양방향 AC 전원에 걸쳐 클램핑 특성을 사용할 수 있습니다.

제너 과도 억제

두 개의 제너 다이오드를 연속적으로 연결함으로써 이제 하나의 제너 다이오드를 사용하여 과전압 과도 현상으로부터 양의 반주기를 보호하고 다른 하나를 사용하여 음의 반주기를 모두 보호할 수 있습니다.

두 제너 다이오드 모두 동일한 역방향 항복 전압을 갖는 경우 한쪽 극성의 과도 전압은 동일한 제너 전압 레벨로 고정됩니다. 한 제너 다이오드는 효과적으로 역방향 바이어스 모드에 있고 다른 하나는 순방향 바이어스 모드에 있게 됩니다. 방법.

2개의 연속 제너 다이오드를 AC 공급 장치의 과도 억제에 사용할 수 있는 반면, 과도 전압 억제기(TVS) 장치는 단일 장치에 반대 접합이 내장되어 있어 AC 전원 애플리케이션에 이상적입니다. 양방향 애벌런치 다이오드는 다양한 전압 및 전력 레벨로 제공됩니다.

MOV 과도 억제기

제너 다이오드와 고속 복구 애벌런치 다이오드는 과전압을 클램핑하는 데 빠르게 작동하고 효과적이지만 가장 일반적인 과전압 억제 클램핑 기술은 금속 산화물 배리스터(MOV)를 사용하는 것입니다. 금속 산화물 배리스터는 정격 전압이 높을 뿐만 아니라 훨씬 더 큰 서지 전류를 더 느린 속도로 처리할 수 있으며 DC 및 AC 전력선 모두에서 사용하여 과도 전압과 같은 극한 전압으로부터 보호할 수 있습니다.

MOV는 보호할 부하 또는 구성 요소와 병렬로(션트) 배치되는 반도체 전압 의존형 가변 저항기입니다. MOV는 저전압에서 높은 저항을 갖고 고전압에서 낮은 저항을 가지며, 비선형 전압-전류 특성으로 인해 전력선 서지 및 과전압 과도 현상을 방지하는 데 유용합니다.

MOV는 양단의 전압이 증가함에 따라 과도 전도도가 증가하는 양방향 전압 클램핑에 사용될 수 있으므로 백투백 제너 다이오드와 유사한 방식으로 동작합니다. 이러한 작은 디스크 모양의 금속 산화물 유형의 배리스터는 양방향에서 높은 항복 전압을 제공하고 더 많은 양의 에너지를 흡수할 수 있으며 종종 와트가 아닌 줄 단위로 평가됩니다.

MOV 과도 억제

전압 클램핑 장치인 금속 산화물 배리스터는 단자의 전압이 VDR(전압 의존 저항)처럼 미리 결정된 항복 값보다 낮을 때 매우 높은 저항을 제공합니다. 어느 쪽 극성이든 높은 과도 전압에 노출되면 장치의 전기적 특성이 변하고 저항이 매우 작아져 전압이 안전한 수준으로 고정됩니다.

그러면 과도 억제 장치로 사용될 때 금속 산화물 배리스터의 주요 목적은 대부분의 응용 분야에서 장치가 보호할 회로 또는 장치와 병렬로 배치되는 것처럼 장치에 나타나는 전압을 안전한 수준으로 고정하는 것입니다.

크로우바 과도 억제기

또 다른 유형의 병렬(션트) 연결된 과도 억제 장치는 크로우바 보호로 알려져 있습니다. 전자 크로우바 장치는 전도성 온 상태로 트리거하여 미리 설정된 임계 전압을 초과할 때 작동하며 결과적으로 전압 강하는 몇 볼트에 불과하므로 크로우바라는 이름이 붙었습니다. .

Crowbar 장치 및 회로는 트리거 전압에 도달할 때 단락을 효과적으로 생성하며 일반적으로 고정 출력 전압(예: 일정한 12V 또는 5V)을 생성하도록 설계된 안정화된 전원 공급 장치에서 발견되지만 다음 용도로도 사용할 수 있습니다. 일시적인 과전압으로부터 회로나 부하를 보호합니다.

반도체 기반 활성 크로우바 회로는 부하와 병렬로(션트) 배치되며 매우 큰 서지 전류를 감쇠할 수 있습니다. 사이리스터는 "온 상태" 전압이 낮고 전압 수준을 손상 수준보다 훨씬 낮게 유지할 수 있으므로 일반적으로 크로우바 회로에 사용됩니다. 일단 작동되면 매우 낮은 임피던스 유형 스위치로 작동하므로 상당한 양의 과도 에너지를 접지로 전환할 수 있습니다.

여기서 단점은 특히 DC 시스템에서 전원 공급 장치가 단락되기 때문에 일단 "ON"으로 전환된 크로바 클램프를 "OFF"로 전환하기 위한 추가 정류 회로가 제공되지 않으면 이 단락으로 인해 회로 퓨즈 또는 회로 차단기가 작동할 수 있다는 것입니다. 따라서 크로우바 장치와 출력 전압은 0이 됩니다. 아래의 간단한 크로바 클램핑 회로를 고려하십시오.

기본 크로바 클램핑 회로

여기서 사이리스터 또는 SCR 은 정상 작동 중에 "ON"으로 트리거되지 않을 만큼 충분히 낮은 레벨에서 사이리스터 게이트를 바이어스하도록 설정된 저항 R 1 및 R 2 로 설정된 전압 분배기 회로와 함께 공급 장치와 부하에 배치됩니다. . 그런 다음 SCR은 차단되고 비전도 상태가 됩니다.

그러나 과도 전압이 발생하여 사전 결정된 수준 이상으로 상승하면 저항기 R 2 의 전압 강하 도 증가하여 SCR의 게이트를 전도로 트리거하여 부하를 보호하는 과도 전압을 클램핑하는 데 충분해집니다. 여기서 문제는 과전압으로부터 부하를 보호하지만, 전원을 보호하지 못하여 전원의 퓨즈가 끊어진다는 점입니다. 그러면 전원 공급 장치 단락으로 인해 생성된 과도 현상으로부터 부하를 보호하는 수준이 이를 유발한 이벤트보다 클 수 있습니다.

사이리스터를 사용하는 것 외에도 AC 전원 공급 장치의 과전압 보호를 위해 트라이액을 크로우바 장치로 사용하고 유사한 방식으로 전도를 트리거할 수 있습니다. AC 공급 장치의 크로우바 보호를 위해 사이리스터 또는 트라이액을 사용하면 매 반주기마다 자동으로 꺼진다는 장점이 있습니다.

따라서 1000분의 1초의 짧은 시간 동안의 과도 현상이 크로우바 장치를 트리거하는 경우 션트 동작은 연결된 AC 전력선을 최소한 1/2주기 동안만 단락시키게 되며 이는 퓨즈에 비해 너무 빠를 수 있습니다. - 블로우 링크.

제너 크로우바 과도 억제기

과전압 상태를 감지하기 위해 제너 다이오드를 사용함으로써 위의 기본 크로바 회로의 과도 감지 및 성능을 향상시킬 수 있습니다. 여기서 저항성 전압 분배기 회로는 그림과 같이 제너 다이오드로 대체되었습니다.

제너 크로우바 클램핑 회로

DC 공급 전압 V S는 과도 감지 구성 요소처럼 작동하는 제너 다이오드에 의해 모니터링되며 제너 전압 V Z 정격은 SCR이 켜지는 전압 레벨을 결정합니다. DC 공급 전압이 제너 다이오드의 역 바이어스 정격보다 낮으면 제너 다이오드는 전도되지 않으므로 SCR의 게이트에 전압이나 전류가 적용되지 않으므로 "OFF" 상태로 유지되어 비전도 상태를 유지합니다.

과도 전압의 경우와 같이 공급 전압이 제너 전압 정격 이상으로 증가하면 제너 다이오드가 전도되기 시작하여 게이트 전류가 SCR로 흘러 SCR이 "ON"되고 부하 공급 전압이 단락되고 퓨즈가 끊어집니다. 그런 다음 SCR 자체가 대부분의 션트 전류를 전달하므로 제너 다이오드는 SCR이 "ON"이 되도록 게이트 전류만 전달하므로 제너 전압 VZ 이상의 과도 전압으로부터 부하 가 보호됩니다.

이 제너 크로우바 회로는 기본 전압 분배기 네트워크를 개선한 것이지만 제너 항복 전압의 무릎이 급격한 상승이 아닌 곡선을 이루기 때문에 부드러운 턴온 동작이 발생합니다. 단일 증폭기 회로 또는 연산 증폭기 회로 형태의 감지 및 트리거링 회로에 일부 전압 이득을 추가하여 수정 및 추가로 개선할 수 있는 기본 크로바 회로입니다.

이를 위해 과전압 트리거가 내장된 사이리스터는 단방향 또는 양방향 과도 현상 및 전압 서지를 차단하도록 설계되었습니다. 15V 전원 공급 장치를 보호하도록 설계된 RCA SK9345 시리즈 IC 크로우바, 112V 전원 공급 장치를 보호하는 SK9346, 115V 전원 공급 장치를 보호하는 SK9347 등이 있습니다.

모두 제너 다이오드, 트랜지스터 및 SCR이 내장된 집적 회로를 사용합니다. MC3423 과전압 크로바 감지 회로는 외부 크로바 SCR과 함께 사용하도록 설계된 단일 IC입니다.

과도 억제 장치 요약

일상 생활에서 더 많은 전자 장치를 사용함에 따라 전압 파이크 및 서지로부터 장비를 보호하는 역할을 하는 과전압 보호 장치에 대한 의존도가 더욱 높아지고 있습니다. 일시적인 과전압은 일반적으로 갑작스러운 고전압 스파이크를 방출하는 유도성 또는 용량성 스위칭 회로로 인해 발생합니다.

이러한 전압 스파이크 및 서지는 짧은 시간 동안 또는 짧은 시간 동안 간헐적으로 높은 에너지로 구성될 수 있으며 AC 주전원 파형과 같은 정상 상태 값 위에 중첩됩니다.

과전압 보호 회로는 원치 않는 고주파 고조파 및 잡음을 거부하면서 전력선 주파수 전압 및 전류를 통과시키도록 설계된 직렬 연결 필터부터 과전압을 접지로 분산시키는 병렬 연결 클램핑 및 크로우바 회로까지 다양한 형태를 취할 수 있습니다.

가장 간단한 유형의 AC 전력선 필터는 전압 소스 전체에 배치된 커패시터입니다. 커패시터의 임피던스가 변경되어 고주파 과도 전류가 감쇠됩니다. 대부분의 응용 분야에서 과도 억제 장치는 보호되는 부하와 병렬로 배치되거나 보호할 일부 구성 요소와 병렬로 배치됩니다.

전압 억제 회로의 주요 목적은 전압을 안전한 수준으로 고정하는 것입니다. 전압 클램핑 장치의 가장 일반적인 형태는 금속 산화물 배리스터, MOV 및 제너 다이오드입니다. MOV는 양방향 AC 전원 공급 장치 보호에 가장 적합한 반면, 제너 다이오드는 소형 저에너지 DC 공급 장치에 가장 적합합니다.

SCR 또는 트라이액을 "지렛대"로 사용하는 솔리드 스테이트 크로바 회로는 전원 공급 장치 전체의 과도 전압을 빠르게 단락시켜 과전압 보호를 위해 퓨즈를 끊습니다. 하이브리드 과도/서지 보호기는 크로우바와 클램프 또는 클램프/크로바와 필터를 하나의 모듈에 결합하며 다양한 조합이 가능합니다.