Hình 5.18. Các dạng khn mẫu TVS Zener Diode Các thông số kỹ thuật về điện bao gồm:
Điện áp vận hành cực đại, có giá trị điện áp từ 5V đến 250V.
Vỏ Plastic Lớp bán dẫn
Điện áp đánh thủng ngược cực đại, xác định điện áp xung đỉnh xoay chiều
hay một chiều mà diode có thể chịu được.
Dịng xung đỉnh là giới hạn trên cao nhất mà ở đó thiết bị được hi vọng là
sẽ có tuổi thọ cao.
Điện áp kẹp đỉnh là điện áp đỉnh mà diode cầm giữ được khi xuất hiện quá
áp. Thường hệ số kẹp có giá trị khoảng 1,1÷1,2.
Năng lượng xung đỉnh là năng lượng tiêu tán tức thời ở điều kiện xung
đánh giá. Thường giá trị năng lượng xung đỉnh là 500W, 600W và1.500W cho dạng sóng 10/1000us.
Dịng rị có giá trị tương đối cao đối với các cấp hạ áp công nghiệp
(500uA đến 1000uA) và giảm xuống đến 5uA hoặc thấp hơn với điện áp cao hơn 10V.
Dung kháng của họ diode phổ biến 1500W, thường vượt quá 10.000pF tại
điểm phân cực 0 cho phần điện áp 6.8V và sẽ giảm theo hàm mũ xuống thấp hơn 100pF cho thiết bị điện áp 220V.
Dung 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 5.19. Dưới điều kiện vận hành bình thường, diode trên (Ds) sẽ làm việc tại dòng phân cực 0. Vì yêu cầu năng lượng tiêu tán của diode nhỏ nên diện tích của nó cho phép nhỏ hơn nhiều với TVS diode (Dz) với mục đích cung cấp điện dung thấp. Diode phía trên thường khơng được dùng để làm việc ở chế độ thác. Do 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 (Dp) được kết nối chấm chấm như Hình 5.19. 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 Dp phải được thay thế bằng khối có dung kháng thấp khác, được kết nối ngược song song.
Tốc độ ngắt dẫn là thuộc tính thứ nhất của Diode Zener TVS. Hiệu ứng thác xảy ra trong vài pico giây nhưng các thử nghiệm phù hợp với lý thuyết gần như rất khó. Trong thực tế thiết bị sẽ có thời gian đáp ứng gần như ngay lập tức.
Diode tiếp giáp p-n là diode đơn hướng. Để 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 với nhau. Hầu hết các nhà sản xuất dùng khối PNP hay NPN. Vùng trung tâm được làm tương đối rộng có thể so sánh với cực B của transitor nhằm tối thiểu hóa hoạt động transitor là ngun nhân gây ra sự tăng dịng rị.
Hình 5.19. Ghép Zener Diode với 2 diode
Hình 5.20. Biểu tượng mơ hình Zener Diode
Cơ chế khơng già hóa là tính chất đặc trưng của Diode Zener. Chúng thường ở một trong hai trạng thái: tốt hoặc ngắn mạch lúc quá tải. Tuổi thọ lâu dài, đã nghiên cứu chỉ ra bằng chứng 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. Giống như MOV, 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 Diode 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 Diode Zener là: dịng xung khơng lặp lại thấp, dung kháng cao với điện áp thấp.
Do 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 DC và các cổng nhập/xuất.
b. Mơ hình TVS Zener Diode
Mơ hình TVS Zener Diode được cấu thành từ mơ hình Zener Diode có trong thư viện của Mallab, ghép với 2 diode theo sơ đồ Hình 5.19.
Các thơng số cần nhập của Zener Diode bao gồm (Hình 5.21):
- Điện áp ổn áp (Zener Voltage Vz-V)
- Tổng trở động (Dynamic Impedance Zzt-Ω)
- Tổng trở đầu gối (Knee Impedance Zzk- Ω)
- Dòng làm việc lâu dài cực đại (Maximum Continuous Current Izm-A)
- Điện áp phân cực thuận (Forward Voltage Drop Vf-V)
- Điện trở phân cực thuận (On Resistance Ron- Ω)
Hình 5.21. Giao diện nhập thơng số Zener Diode
Thơng số 2 diode cịn lại được lựa chọn phù hợp với thông số của TVS 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.
Sử dụng mơ hình xung áp 5kV 10/700us kiểm tra đáp ứng của mơ hình TVS Zener Diode vừa xây dựng như sơ đồ Hình 5.22.
Hình 5.22. Sơ đồ mơ phỏng đáp ứng của TVS Zener Diode
Mơ hình hóa và mơ phỏng TVS Zener Diode P 4 K E 3 0 v à P 4 K E 2 0 của hãng V i s h a y với thông số cho trong Bảng 5.2.
Bảng 5.2. Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode của Hãng Vishay
Loại Điện áp làm việc max (V) Tổng trở động (Ω) Tổng trở đầu gối(Ω) Dòng xung làm việc cực đại (KA) Điện áp ổn áp ứng với xung 5kV 10/700V P4KE30 31.5 10 100 5 41.4 P4KE20 21.0 10 100 5 27.7
Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của TVS Zener Diode ứng với xung 5kV 10/700us được trình bày trong Hình 5.23, 5.24.
Hình 5.23. Điện áp ổn áp của P4KE30 với xung áp 5kV 10/700us
Hình 5.24. Điện áp ổn áp của P4KE20 với xung áp 5kV 10/700us
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mơ hình được tổng hợp trong Bảng 5.3.
Bảng 5.3. Kết quả so sánh khi mô phỏng TVS Zener Diode của Hãng Vishay
Loại TVS Zener Diode P4KE30 P4KE20
Theo catalogue (V)_Vrcat 41,4 27,7
Theo mơ hình (V)_Vrmod 40,38 26,68
Sai số (%)_ V 2,46 3,68
Sử dụng mơ hình và mơ phỏng TVS Zener Diode của hãng Crydom loại BZY91C68 và BZY91C39 có thơng số cho trong Bảng 5.4.
Bảng 5.4. Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode của Hãng Crydrom Loại Loại Điện áp làm việc max (V) Tổng trở động (Ω) Tổng trở đầu gối(Ω) Dòng xung làm việc cực đại (A) Điện áp ổn áp ứng với xung 5kV 10/700V BZY91C68 50 10 100 5 64 BZY91C39 29 10 100 5 37
Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của TVS Zener Diode ứng với xung 5kV 10/700us được trình bày trong Hình 5.25, 5.26.
Hình 5.25. Điện áp ổn áp của BZY91C68với xung áp 5kV 10/700us
Hình 5.26. Điện áp ổn áp của BZY91C39 với xung áp 5kV 10/700us
hình được tổng hợp trong Bảng 5.5.
Bảng 5.5. Kết quả so sánh khi mô phỏng Zener Diode của Hãng Crydom
Loại TVS Zener Diode BZY91C68 BZY91C39
Theo catalogue (V)_Vrcat 64 37
Theo mơ hình (V)_Vrmod 63 36
Sai số (%)_ V 1,56 2,70
Nhận xét:
Qua các kết quả tổng hợp được từ việc mô phỏng đáp ứng của mơ hình TVS Zener Diode của các nhà sản xuất khác nhau, nhận thấy mơ hình TVS Zener Diode đề nghị đã đạt mức chính xác khá cao (sai số điện áp dư trên mơ hình TVS Zener Diode so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị tối đa là 3,68%, giá trị thấp nhất là 1,56%).
5.3. Mơ hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại (UTB, SLP)
Hình 5.28. Dạng sóng điện áp dư của UTB -TA 3kA 8/20us
Bảng 5.6. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét UTB -TA
ứng với xung dòng 3kA 8/20us.
Xung thử UTB -TA MƠ HÌNH Sai số(%)
3kA 8/20us 480V 446.5 6.98
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình có sai số trong phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư của thiết bị UTB -TA cung cấp bởi nhà sản xuất là 6.98%.
Hình 5.30. Dạng sóng điện áp dư của UTB -SA 3kA 8/20us
Bảng 5.7. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét UTB -SA ứng
với xung dòng 3kA 8/20us.
Xung thử UTB -SA MƠ HÌNH Sai số(%)
3kA 8/20us 340V 324 4.7
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình có sai số trong phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư của thiết bị UTB -SA cung cấp bởi nhà sản xuất là 4.7%.
Bảng 5.8. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11ứng với xung dịng 0.5kA 8/20us.
Xung thử SLP1RJ11 MƠ HÌNH Sai số(%)
0.5kA 8/20us 255V 264.5 3.7
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11 có sai số trong phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư của thiết bị SLP1RJ11 cung cấp bởi nhà sản xuất là 3.7%.
Hình 5.32. Dạng sóng điện áp dư của SLP1RJ11A 0.5kA 8/20us Bảng 5.9. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét Bảng 5.9. Kết quả so sánh điện áp dư của mô hình thiết bị chống sét SLP1RJ11A ứng với xung dòng 0.5kA 8/20us.
Xung thử SLP1RJ11A MƠ HÌNH Sai số(%)
0.5kA 8/20us 43V 41.39 3.74
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình có sai số trong phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư của thiết bị SLP1RJ11A cung cấp bởi nhà sản xuất là 3.74%.
Hình 5.33. trình bày giải pháp tổng thể chống sét lan truyền trên đường thoại. Để 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 thoại một cách hợp lý.
1: Thiết bị chống sét trên đường thoại SLP1RJ11A, 2: Thiết bị chống sét trên đường nguồn + đường tín hiệu thoại SLP1RJ11, 3: Thiết bị chống sét trên đường nguồn + đường mạng máy tính (LAN RJ 45), 4: Thiết bị chống sét trên đường nguồn + đường ADSL (UTB – SA), 5: Thiết bị chống sét trên đường ISDN (UTB – TA), 6: Thiết bị chống sét trên đường nguồn (TDF 3A240V)
Hình 5.33. Giải pháp chống sét tổng thể cho các đường thoại 5.4.1 Vị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền. 5.4.1 Vị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền.
Các thiết bị truyền thơng thường có nguy cơ bị hư hỏng do xung cảm ứng trên đường thoại kết nối các thiết bị này. Việc 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 nhà. Trong những trường hợp này, thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại nên được lắp ở điểm đi vào tòa nhà hoặc ở đầu thiết bị. Dây dẫn trong tòa nhà dài quá 10 - 15m cũng nên được bảo vệ. Việc sử dụng dây xoắn bọc giáp chỉ bảo vệ một mức độ nào đó, khơng nên xem đây là sự bảo vệ đầy đủ cho các thiết bị giao tiếp điện tử nhạy cảm hiện đại ngày nay.
Năm thông số của thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại phải được xem xét để đảm bảo hiệu quả bảo vệ và không ảnh hưởng xấu đến hoạt động của mạch.
Thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại được thiết kế để kẹp xung
quá điện áp xuống mức an toàn cho thiết bị và không ảnh hưởng đến điện áp tín hiệu thơng thường. Điện áp kẹp của thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại được chọn phù hợp với điện áp làm việc cực đại của mạch;
Thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại phải chịu được dịng điện
làm việc cực đại;
Băng thơng thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại 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.
Các đầu kết nối, phương pháp lắp đặt, số đường bảo vệ và các đặc điểm
vật lý khác phải được đánh giá xem xét;
Mức bảo vệ quá áp của thiết bị chống sét lan truyền phải tương ứng với vị
trí lắp đặt. Đối với các mạch bên trong tịa nhà, mức bảo vệ tối thiểu là 0,25kA. Với mạch kết nối với các đường dây vào/ra bên ngồi tịa nhà thì mức bảo vệ đề nghị là 10-20kA.
Chương 6 KẾT LUẬN
Đề tài “Mơ hình hóa và mơ phỏng thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền
trên đường điện thoại” đã hoàn thành đúng tiến độ và đạt được kết quả theo yêu
cầu nhiệm vụ đặt ra cho đề tài, cụ thể:
Khảo sát các tiêu chuẩn hiện hành áp dụng cho đường dây điện thoại. Lập thư viện mơ hình các máy phát xung áp sét chuẩn 1.2/50us,10/700us,
và máy phát xung dịng chuẩn 8/20us trong mơi trường Matlab.
Xây dựng mơ hình GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP có mức tương
đồng cao so với nguyên mẫu, thể hiện ở độ chính xác điện áp dư của mơ hình và số liệu cung cấp bởi nhà sản xuất khi thử nghiệm với các xung sét chuẩn (<1% đối với GDT, <3,68% đối với TVS Zener Diode, ˂ 6,98% đối với UTB, ˂ 3,74% đối với SLP1RJ).
Khảo sát hiệu quả bảo vệ với cấu hình bảo vệ (GDT, GDT +TVS Zener
Diode, UTB-TA, UTB-SA, SLP1RJ11, SLP1RJ11A). Kết quả mô phỏng cho thấy từ việc mơ phỏng đáp ứng của các mơ hình đề nghị đã đạt mức chính xác khá cao (sai số điện áp dư trên các mơ hình so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị tối đa là 6,98%, giá trị thấp nhất là 0,55%). Các mơ hình máy phát xung áp sét và xung dịng sét, cũng như mơ hình các phần tử bảo vệ trên mạng điện thoại được xây dựng sẽ là cơng cụ hữu ích (bổ xung trong thư viện của phần mềm Matlab) cho các cơ sở đào tạo và các cá nhân quan tâm nghiên cứu thiết bị và phương án bảo vệ chống sét lan truyền trên đường dây thoại.
Hướng nghiên cứu phát triển của đề tài
Xây dựng mơ hình GDT có xét đến hiện tượng phóng điện hồ quang của
khí trong GDT.
Xây dựng mơ hình của các thiết bị bảo vệ khác như điện trở nhiệt PTC,
TSPD,…trong môi trường Malab
Khảo sát ảnh hưởng của điện dung của bản thân các phần tử mô phỏng khi
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT
[1] PGS.TS Quyền Huy Ánh – Bảo vệ chống sét lan truyền trên đường cấp
nguồn và tín hiệu – Tạp Chí Khoa Học Cơng Nghệ.
[2] Đỗ Bình Dương:” Luận văn cao học”, 2005
[3] PGS.TS Quyền Huy Ánh – Giáo trình an tồn điện Trường ĐH Sư phạm Kỹ
thuật TP.HCM.
TIẾNG NƯỚC NGOÀI
[4] Ericco “Coordinated Facility Protection Selecting Surge Protection”, 2012 [5] Surge Arresters and Switching Spark Gaps Überspannungsableiter und
Schaltfunkenstrecken (EPCOS Product Profle 2017)
[6] Transient Voltage Suppressors (TVS Diode) Applications Overview, 2015
CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG ĐIỆN THOẠI
Quyền Huy Ánh(1,a), Nguyễn Văn Quang(2,b)
1Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
2Học viên cao học Trường ĐHSPKT TP.HCM
(a)anhspkt@yahoo.com, (b)vanquangkg@gmail.com
TÓM TẮT
Bài báo này đi sâu vào nghiên cứu và lập mơ hình các máy phát xung áp sét dạng sóng 1.2/50us, 10/700us, và xung dịng sét dạng sóng 8/20us phù hợp với các tiêu chuẩn viễn thơng; mơ hình các phần tử bảo vệ được sử dụng trong thiết bị chống sét lan truyền trên đường điện thoại như: GDT, TVS Zener Diode. Bài báo cũng đã so sánh và có các nhận xét cụ thể về hiệu quả bảo vệ chống sét của từng mơ hình so với ngun mẫu. Mơ hình xung sét được xây dựng trong môi trường Matlab,