iến hành thử nghiệm đáp ứng của Mm hạ thế loại S20K25 với các xung dịng 8/20s có biên độ lần lượt 1kA đáp ứng của mơ hình Mm được trình bày trong Hình 5.23. hơng số cần nhập vào mơ hình là:
Max. Aፆ operating oltage ( ) : 25 Max. impulse ፆurrent (kA) : 2kA
olerance of varistor voltage (%) : 10%
ình 5.23 iện áp dư và dịng điện qua mơ hình S20K25 ứng với xung 0.5kA 8/20µs.
Khi thử nghiệm đáp ứng của Mm hạ thế loại 14E25P với các xung dòng Loại Aፆ/ ፆ ( )Un 8/20us (kA)Rmax Sai số điện áp (%) Ur, 0.5kA 8/20s
S20K25 25/31 2 10 125
ình 5.24 iện áp dư và dịng điện qua mơ hình Mm khi mơ phỏng Mm 14E25P với xung 0.5kA 8/20µs.
So sánh kết quả mơ phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong ảng 5.3.
Bảng 5.3Kết quả so sánh khi mô phỏng Mm hạ thế của Hãng A X
Nhận xét:
Phân tích các kết quả mơ phỏng đáp ứng của mơ hình Mm của các nhà sản xuất khác nhau, nhận thấy mơ hình Mm hạ thế đề xuất đạt mức chính xác khá cao. sai số điện áp bảo vệ trên mơ hình Mm so với dữ liệu được cung cấp bởi nhà sản xuất có giá trị sai số tối đa là 3.3%, giá trị thấp nhất là 2,4%). Ngoài ra,
iện áp dư trên
Mm S20K25 14E25P
0.5kA 0.5kA
heo catalogue ( )_ rcat 125 126
heo mơ hình ( )_ rmod 122 121,8
5.3.Diode zener triệt xung quá áp 5.3.1. ấu tạo và đặc tính
Zener iode (Zener S – ransient oltage Suppression) có cấu tạo từ tiếp giáp silicon p-n, được thiết kế có diện tích lớn để vận hành ở điện áp ngược và xử lý một dịng điện cao hơn diode họ với nó (diode ổn định điện áp Zener). Một vài nhà chế tạo sử dụng diện tích bán dẫn mesa nhỏ với bộ tản nhiệt bằng kim loại để tản dòng xung đỉnh lớn nhất. uy nhiên, nếu sử dụng một khuôn bán dẫn planar die có điện tích lớn sẽ tạo ra dịng rị và hệ số kẹp nhỏ. iết diện cắt ngang của bán dẫn planar die trình bày ở Hình 5.25 và một vài khn mẫu như Hình 5.26.
ình 5.25Mặt cắt ngang ình 5.26ፆác dạng khn mẫu S
của iode Zener
ፆác thơng số kỹ thuật chính của S Zener iode bao gồm: điện áp vận hành cực đại, điện áp đánh thủng ngược cực đại, dòng xung đỉnh, điện áp kẹp đỉnh, năng lượng xung đỉnh và dòng rị.
iện áp vận hành thường có giá trị điện áp từ 5 đến 150 . iện áp dẫn ngược xác định điện áp xung đỉnh xoay chiều hay một chiều mà diode có thể chịu được. iện áp dẫn ngược có giá trị dưới 10% đến 15% điện áp đánh thủng ngược nhỏ nhất.
ỏ Plastic Lớp bán dẫn Mối hàn
ạng sóng điện áp kẹp của iode Zener S 27 có khả năng tản năng lượng 1.5J trình bày ở Hình 5.27. iện áp đỉnh của nó là 30.2 . Nguồn năng lượng quá độ áp vào tương tự đối với Mm . uy vậy, dòng điện đi qua iode Zener vượt quá 100A, cao hơn rất nhiều so với Mm bởi vì điện áp kẹp của nó thấp hơn. Mặc dù dịng xung cao nhưng iode Zener có hoạt động kẹp tốt hơn với hệ số kẹp là 1,1.
ình 5.27 ạng sóng điện áp kẹp của Zener S
ình 5.28 ặc tính năng lượng xung đỉnh của họ Zener S
Năng lượng xung đỉnh là năng lượng tiêu tán tức thời ở điều kiện xung đánh giá, thường có giá trị là 500W, 600W và1500W cho dạng xung 10/1000s. Khi độ rộng
t (500s/div) iệ n áp kẹ p V c ( V ) 0.1 1 10 100 1000 10000 ộ rộng xung tp(µs) 1 10 100 ơn g su ất xu ng đỉ nh (k W )
rộng 50s, giá trị năng lượng xung lớn nhất được chỉ ra ở Hình 5.28 là 6kW, gấp 4 lần ở độ rộng 1ms và khả năng chịu dòng điện cũng tăng gần 4 lần.
Mặc dù các giới hạn dòng rò là tương đối cao đối với các cấp hạ áp công nghiệp (500A đến 1000A) và giảm xuống đến 5A hoặc thấp hơn với điện áp cao hơn 10 , khi sử dụng khn bán dẫn planar thì dịng rị sẽ giảm thấp hơn giới hạn đặc trưng trong các loại điện áp công nghiệp.
ung kháng của họ diode phổ biến 1500W, thường vượt quá 10.000pF tại điểm phân cực 0 cho phần điện áp 6.8 và sẽ giảm theo hàm mũ xuống thấp hơn 100pF cho thiết bị điện áp 220 . ung kháng có ảnh hưởng trên đường tín hiệu tại tần số cao. Ở mạch điện truyền dữ liệu tốc độ cao, dung kháng sẽ thấp nếu ghép nối tiếp hai diode như Hình 5.29.
ưới điều kiện vận hành bình thường, diode trên ( s) sẽ làm việc tại dịng phân cực 0. ì u cầu năng lượng tiêu tán của diode nhỏ nên diện tích của nó cho phép nhỏ hơn nhiều với S diode ( z) với mục đích cung cấp điện dung thấp. iode phía trên thường khơng được dùng để làm việc ở chế độ thác. o đó, nếu có một điện áp âm vượt quá điện áp ngược của khối hai diode này xảy ra thì diode có năng lượng thấp phải được bảo vệ bằng một diode khác ( p) được kết nối chấm chấm như Hình 5.29. Sự sắp xếp này tương thích cho trường hợp mà tại đó tín hiệu trên đường dẫn ln ln dương. Khi truyền tín hiệu xoay chiều thì diode p phải được thay thế bằng khối có dung kháng thấp khác, được kết nối ngược song song.
ốc độ ngắt dẫn là thuộc tính thứ nhất của iode Zener S có thời gian đáp ứng gần như ngay lập tức.
iode tiếp giáp p-n là diode đơn hướng. ể sử dụng trên đường tín hiệu xoay chiều phải có một thiết bị đa hướng bằng cách nối hai thiết bị đơn hướng đối lưng
ình 5.29 hép Zener iode với 2 diode.
ፆơ chế khơng già hóa là tính chất đặc trưng của iode Zener. ፆhúng thường ở một trong hai trạng thái: tốt hoặc ngắn mạch lúc quá tải. uổi thọ lâu dài đã nghiên cứu chỉ ra bằng chúng khơng có sự suy giảm tuổi thọ phụ thuộc vào các thông số tại điểm trước khi hư hỏng. Kết quả hư hỏng do quá áp là nguyên nhân do bộ tản nhiệt bằng kim loại của chip silicon không hoạt động khi quá nhiệt nên dẫn đến hư hỏng. iống như Mm , chip silicon nhanh chóng hư hỏng trong trạng thái ngắn mạch lâu dài hay độ rộng xung lớn vượt quá khả năng của chúng.
Ưu điểm của iode Zener là: khả năng chịu xung lặp lại cao, hệ số kẹp thấp, thời gian tác động hàng ns, khơng già hóa, dãy điện áp rộng, hư hỏng ở trạng thái ngắn mạch.
Nhược điểm của iode Zener là: dịng xung khơng lặp lại thấp, dung kháng cao với điện áp thấp.
o tốc độ đáp ứng nhanh và hệ số kẹp thấp nên diode zener được dùng để bảo vệ các thiết bị vi xử lý, trên các thanh góp ፆ và các cổng nhập/xuất.
5.3.2. mơ hình V Zener Diode
Mơ hình S Zener iode được cấu thành từ mơ hình Zener iode có trong thư viện của Mallab, ghép với 2 diode theo sơ đồ (Hình 5.29).
ፆác thơng số cần nhập của Zener iode bao gồm (Hình 5.30) : - iện áp ổn áp (Zener oltage z- )
- ổng trở động ( ynamic Rmpedance Zzt-Ω) - ổng trở đầu gối (Knee Rmpedance Zzk- Ω)
ình 5.30 iao diện nhập thông số Zener iode.
hơng số 2 diode cịn lại được lựa chọn phù hợp với thông số của S Zener diode nhằm thực hiện 2 chức năng chính là giảm điện dung tiêu tán và bảo vệ được hai diode mắc nối tiếp khi xuất hiện điện áp ngược gây nguy hiểm cho 2 diode này.
5.3.3. iểm tra mơ hình
Sử dụng mơ hình xung áp 5k 10/700s kiểm tra đáp ứng của mơ hình S Zener iode vừa xây dựng như sơ đồ Hình 5.31.
Mơ hình hóa và mơ phỏng S Zener iode P4KE6,8A và P4KE15A của hãng ishay với thông số cho trong ảng 5.4.
Bảng 5.4 hông số kỹ thuật S Zener iode của Hãng ishay.
iến hành thử nghiệm đáp ứng của S Zener iode ứng với xung 5k 10/700s được trình bày ở Hình 5.32 và hình 5.33.
ình 5.32 iện áp ổn áp của P4KE15A với xung áp 5k 10/700s. Loại Umax( ) động (Ω)ổng trở ổng trở đầugối (Ω) Rmax(kA) 10/700sUr, 5k
P4KE15A 15 10 100 5 21,2
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong ảng 5.5.
Bảng 5.5Kết quả so sánh khi mô S Zener iode của Hãng ishay.
Loại S Zener iode P4KE15A P4KE6,8A
heo catalogue ( )_ rcat 21,2 10,5
heo mơ hình ( )_ rmod 20.14 9,71
Sai số (%)_V 5 7,5
Sử dụng mơ hình và mơ phỏng S Zener iode của hãng Littelfuse loại ZY91ፆ7 5 và ZY91ፆ15 có thơng số cho trong ảng 5.6.
Bảng 5.6 hông số kỹ thuật S Zener iode của Hãng Littelfuse.
Loại Umax( ) động (Ω)ổng trở đầu gối(Ω)ổng trở Rmax(kA) 10/700sUr, 5k
ZY91ፆ15 10 10 100 5 14
ZY91ፆ7 5 5,1 10 100 5 7,5
iến hành thử nghiệm đáp ứng của S Zener iode ứng với xung 5k 10/700s được trình bày ở Hình 5.34 và hình 5.35.
ình 5.35 iện áp ổn áp của ZY91ፆ7 5 với xung áp 5k 10/700s.
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong ảng 5.7.
Bảng 5.7 Kết quả so sánh khi mô phỏng Zener iode của Hãng Littelfuse.
hận xét:
Qua phân tích kết quả mơ phỏng đáp ứng của mơ hình S Zener iode của hãng ishay và Littelfuse, nhận thấy mơ hình S Zener iode đề nghị đã đạt mức chính xác khá cao. Sai số điện áp bảo vệ trên mơ hình S Zener iode so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị sai số tối đa là 7.5%, giá trị thấp nhất là 5%.
Loại S Zener iode ZY91ፆ15 ZY91ፆ7 5
heo catalogue ( )_ rcat 14 7,5
heo mơ hình ( )_ rmod 13,12 7,024
5.4. mơ hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp5.4.1. mơ hình thiết bị ㄠ B- 5.4.1. mơ hình thiết bị ㄠ B-
iến hành mơ phỏng đáp ứng của thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp U -SP Hình 5.36.
ình 5.36Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của thiết bị U .
Mơ hình hóa và mơ phỏng U 15-SP, U 30-SP và U 60-SP của Hãng Erico với thông số cho trong ảng 5.8.
Bảng 5.8 hông số kỹ thuật của thiết bị U -SP
Loại Umax( ) Rmax(kA) p( ) ứng với xung 3kA 8/20s
U 15-SP 15 20 25
U 30-SP 30 20 44
ình 5.38Kết quả mơ phỏng đáp ứng của thiết bị U -30SP.
ình 5.39Kết quả mơ phỏng đáp ứng của thiết bị U -60SP.
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong ảng 5.9.
Bảng 5.9 So sánh điện áp bảo vệ với các thiết bị U -SP của Hãng Erico.
hận xét:
Phân tích kết quả mơ phỏng đáp ứng của mơ hình U , nhận thấy mơ hình U đề nghị đã đạt mức chính xác khá cao. Sai số điện áp bảo vệ trên mơ hình U so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị sai số tối đa là 4,7%, giá trị thấp nhất là 1,5%.
5.4.2. mơ hình thiết bị ㄠ B-
iến hành mô phỏng đáp ứng của thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp U -SP Hình 5.40.
ình 5.40Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của thiết bị U 30_SP .
Mơ hình hóa và mơ phỏng U -SP của Hãng Ericovới thông số cho trong ảng 5.10.
Bảng 5.10 hông số kỹ thuật U -SP của Hãng Erico.
ình 5.41Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của thiết bị U 30-SP .
So sánh kết quả mô phỏng điện áp bảo vệ với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong ảng 5.11.
Bảng 5.11 So sánh điện áp bảo vệ với các thiết bị U -SP của Hãng Erico
hận xét:
Phân tích kết quả mơ phỏng đáp ứng của mơ hình U 30-SP , nhận thấy mơ hình U 30-SP đề nghị đã đạt mức chính xác khá cao. Sai số điện áp bảo vệ trên mơ hình U 30-SP so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị sai số thấp là 2%.
Loại U U 30-SP
heo catalogue p( ) 44
heo mô phỏng p( ) 44,9
5.4.3. mơ hình thiết bị ㄠ B-D
iến hành mơ phỏng đáp ứng của thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp U 30- PS Hình 5.42.
ình 5.42Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 30_ PS.
Mơ hình hóa và mơ phỏng U 30- PScủa Hãng Erico với thông số cho trong ảng 5.12.
Bảng 5.12 hông số kỹ thuật U - PS của Hãng Erico
Loại Umax( ) Rmax(kA) p( ) ứng với xung 3kA 8/20s
ình 5.43Kết quả mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 30- PS.
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong ảng 5.13.
Bảng 5.13 So sánh điện áp bảo vệ với các thiết bị U 30- PS của Hãng Erico
hận xét:
Phân tích kết quả mơ phỏng đáp ứng của mơ hình U 30- PS, nhận thấy mơ hình U 30- PS đề nghị đã đạt mức chính xác khá cao. Sai số điện áp bảo vệ trên mơ hình U 30- PS so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị sai số thấp là 4,7%).
Loại U U 30- PS
heo catalogue p( ) 85
heo mô phỏng p( ) 80,97
5.5. iải pháp bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp
Hình 5.44 trình bày giải pháp tổng thể chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp. ể đảm bảo hiệu quả bảo vệ cần xem xét hai vấn đề: xác định vị trí lắp đặt và lựa chọn thông số thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu một cách hợp lý. CENTRAL Low Voltage (DC or AC) Secondary Power Supply to remote location Power
Distribution Transient Transient
Mains Power Control / Data Signal to remote location Primary
Power Transient Transient Sens Control / Data Signal to Local Location Load Cell Protect ors Sens LOAD CELL Secondar y Power Transient LC LC Low Voltage (DC or AC) Secondary Power Supply to Local Location PROGRA M LOGIC CONTROL LER Mode Weighbri Loc al Sens or
MODE Transient Line Surge Protec
tor Other
LS LS
PROCESS Line Surge
Transient •Grounding connections are
ình 5.44 rình bày giải pháp tổng thể chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp.
5.5.1. Vị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền
ፆác thiết bị truyền thơng thường có nguy cơ bị hư hỏng do xung cảm ứng trên đường tín hiệu kết nối các thiết bị này. iệc sử dụng các hàng rào chống sét lan truyền lắp đặt ở cả hai đầu đường dây là phương pháp giảm nguy cơ này với chi phí hợp lý. Nguy cơ cao nhất hiện diện trên đường liên lạc và đường tín hiệu vào/ra tồ
5.5.2. họn thiết bị cho một vị trí chỉ định
Năm thơng số của thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp phải được xem xét để đảm bảo hiệu quả bảo vệ và không ảnh hưởng xấu đến hoạt động của mạch.
hiết bị chống sét lan truyền được thiết kế để kẹp xung quá điện áp xuống mức an toàn cho thiết bị và khơng ảnh hưởng đến điện áp tín hiệu thơng thường. iện áp kẹp của thiết bị chống sét lan truyền được chọn phù hợp với điện áp làm việc cực đại của mạch;
hiết bị chống sét lan truyền phải chịu được dòng điện làm việc cực đại;
ăng thông thiết bị chống sét lan truyền phải đủ để hệ thống hoạt động thông suốt mà không gây suy giảm tín hiệu, tức là phải đảm bảo suy hao của thiết bị chống sét lan truyền ở tần số hoạt động danh định của hệ thống không được vượt quá giới hạn nhất định;