3. Mơ hình ống phóng khí đề xuất
a. Sơ đồ ngun lý ống phóng khí đơn
Mơ hình lấy ý tưởng từ mơ hình ống phóng điện của Larsson, với một số hiệu chỉnh: điện trở R1 là điện trở rị của khe hở, có giá trị khoảng 100M được nối
song song với khố đóng cắt K (), điện dung của khe hở C1 do có giá trị khoảng
2pF nên được bỏ qua, điện cảm của dây dẫn của khe hở L1 khoảng 1nH/mm chỉ có tác dụng giới hạn tăng trưởng của dòng theo thời gian nên thường được bỏ qua.
Giá trị điện trở của khe hở khi xảy ra quá trình đánh thủng phụ thuộc thời gian được mơ tả theo phương trình của Toepler trong trong khối RC được bỏ qua.
Sơ đồ tương đương của mơ hình ống phóng khí đơn được trình bày trong Hình 5.5.
Rarc SC R1 P2 p1 V (t ) Hình 5.5. Mơ hình ống phóng điện khí đề nghị
Điện áp đánh thủng là thông số của khối công tắc điều khiển SC (Switch Control). Khi điện áp đặt vào khe hở ống phóng điện khí (trên khóa đóng cắt K) đạt đến giá trị điện áp đánh thủng, một khoảng thời gian trễ được tính tốn theo cơng thức nội suy kinh nghiệm, ứng với ống phóng điện khí giá trị này vào khoảng 10- 100us tùy thuộc vào độ dốc xung quá áp (dV/dt).
Khi điện áp trên hai cực của khe hở đạt giá trị điện áp đánh thủng thì khơng phải khe hở lập tức phóng điện mà phải trải qua một khoảng thời gian trễ, khoảng thời gian trễ này còn gọi là thời gian chậm phóng điện phụ thuộc vào độ dốc của xung quá áp đặt vào.
Ở trạng thái hồ quang bùng cháy, giá trị điện áp hồ quang khá ổn định. Giá trị điện áp hồ quang điển hình cho hầu hết ống phóng điện hạ áp thường là 10-25V. Trong mơ hình được đề xuất, điện áp hồ quang được thay thế bằng giá trị điện trở hồ quang Rarc (1-2m) nối tiếp với khóa đóng cắt.
Mơ hình ống phóng điện khí ở trên đây là thiết bị hai cực với đặc tính hai chiều đối xứng. Một điều lưu ý là khóa đóng cắt của khe hở khơng khí sẽ khơng thể chuyển sang trạng thái “off” khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới giá trị cường độ dịng điện duy trì (thường là 100 mA) hay điện áp sụt dưới điện áp phát sinh hồ quang.
Thông số của mơ hình ống phóng điện khí được xác định từ các thông số cung cấp bởi nhà sản xuất:
Điện áp đánh thủng Vbreak.
b. Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơn
- Khối đóng cắt SC (Hình 5.6):
Khối V1 (Voltage measurement) đo điện áp ở hai điện cực của khe hở, sau
đó tín hiệu điện áp liên tục này được chuyển sang tín hiệu rời rạc (nhằm tăng tốc q trình xử lý, tránh các vịng lặp đại số) bởi khối Transfer Fcn có chu kỳ lấy mẫu là 0.001us. Tín hiệu điện áp ra của khối Transfer Fcn được lấy trị tuyệt đối qua khối
Abs và đi vào khối so sánh (Compare to Constant) để so sánh với giá trị điện áp đánh thủng Vb của khe hở. Khi điện áp ở 2 cực khe hở vượt quá giá trị điện áp đánh thủng thì ngõ ra của khối Compare to Constant sẽ xuất tín hiệu điều khiển (logic 1) đóng khóa Breaker. Tuy nhiên, trong thực tế khe hở khơng khí chỉ bị đánh thủng
sau một khoảng thời gian trễ hay cịn gọi là thời gian chậm phóng điện, do đó tín
hiệu đóng khóa Breaker được đưa qua một khối thời gian trễ (Unit delay) có thời
gian trễ là td.
Hình 5.6. Sơ đồ khối điều khiển SC
- Khối khe hở:
Sơ đồ khối khe hở trong Hình 5.5. được xem tương đương với khối Breaker, hai phần tử điện trở R1, Rarc của mơ hình được khai báo trong khối Breaker. Điện
trở rị R1 của khe hở có giá trị là 100M được khai báo trong thông số Snubber
resistance Rs, điện trở hồ quang Rarc có giá trị là 2M được khai báo trong thông số Breaker resistance Ron. Ở đây, khối Breaker sử dụng tín hiệu điều khiển đóng
cắt từ bên ngồi (External control mode), trạng thái ban đầu của khóa là trạng thái mở (thông số Initial state bằng 0). Giao diện khối Breaker trình bày ở Hình 5.7.
Hình 5.7. Giao diện khối Breaker
- Liên kết khối điều khiển đóng cắt và khối khe hở lại thành sơ đồ mô phỏng đơn giản hóa có dạng (Hình 5.8):
Hình 5.8. Sơ đồ mơ phỏng phóng điện khí trong MATLAB
Tạo bảng khai báo thông số điện áp đánh thủng và thời gian trễ của ống phịng điện khí cần mơ phỏng bằng cách sử dụng chức năng Mask Editor.
Các thơng số của ống phóng điện khí cần khai báo trước khi tiến hành mơ phỏng (Hình 5.9):
Hình 5.9. Giao diện Mask Editor trong MATLAB
Tạo biểu tượng cho khối ống phóng khí:
Trong Icon, sử dụng hàm image (imread('GDT1.jpg')) vẽ biểu tượng GDT
cho mô hình (Hình 5.10).
Hình 5.10. Tạo biểu tượng cho mơ hình trong MatLab
Nhấn nút Apply và lúc này mơ hình có dạng trình bày ở Hình 5.11.
Hình 5.11. Biểu tượng ống phóng khí đơn
c. Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơi
Mơ hình ống phóng khí đơi (Dual GDT) được tạo thành từ hai mơ hình ống phóng khí đơn (Hình 5.12).
Hình 5.12. Mơ hình ống phóng khí đơi d. Kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất d. Kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất
Để kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất, tiến hành thử nghiệm với xung chuẩn 5kV 10/700us và so sánh kết quả mô phỏng điện áp dư thử nghiệm và giá trị điện áp dư cung cấp bởi nhà sản xuất.
Hình 5.13 trình bày sơ đồ cấu tạo, nguyên lý của thiết bị chống sét SLP10K1F của hãng CRITEC và Hình 5.14 trình bày dạng sóng điện áp dư ở ngõ ra của thiết bị chống sét SLP10K1F khi xung sét ngõ vào là 5kV 10/700us.
Hình 5.14. Dạng sóng điện áp dư của thiết bị chống sét SLP110K1Fứng với
xung ngõ vào 5kV 10/700us
Hình 5.15 là sơ đồ các khối mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F trong môi trường Matlab, và Hình 5.16 là dạng sóng điện áp dư của thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung ngõ vào 5kV 10/700us.
Hình 5.16. Dạng sóng điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F
ứng với xung 5kV 10/700us.
Bảng 5.1. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung áp 5kV 10/700us.
Xung thử SLP10K1F MƠ HÌNH Sai số(%)
5kV 10/700us 330V 328,2 0.55
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F GDT có sai số rất nhỏ so với giá trị điện áp dư của thiết bị SLP10K1-F cung cấp bởi nhà sản xuất vào khoảng 0,55%.
- Do mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F khơng phản ảnh đầy đủ q trình phóng điện trong chất khí nên dạng sóng dư trong hai trường hợp có sai biệt trong khoảng thời gian đầu sóng.
5.2. Mơ hình TVS Zener Diode a. Cấu tạo và đặc tính a. Cấu tạo và đặc tính
Zener Diode (Zener TVS – Transient Voltage Suppression) [6] 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 dòng điện cao hơn họ với nó (diode điều chỉnh 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. Tuy nhiên, nếu sử dụng một khn bán dẫn planar die có điện tích lớn sẽ tạo ra dịng rị và hệ số kẹp nhỏ. Tiết diện cắt ngang của bán dẫn planar die trình bày ở Hình 5.17 và một vài khn mẫu như Hình 5.18.
Hình 5.17. Mặt cắt ngang của Diode Zener
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 dịng phân cực 0. Vì u 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 nguyên 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 thông số Zener Diode
Thông số 2 diode cịn lại được lựa chọn phù hợp với thơng 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 mô 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 mô 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 mơ 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