Тиристор как ограничитель напряжения

9

Ограничитель напряжения 115-180V

Предлагаемое устройство первоначально разрабатывалось как замена высоковольного стабилитрона 1Z150, стоящего в блоке питания телевизоров FUNAI 20/21 дюйм и выполняющего там защитную функцию. Т.е. в обычном режиме он вообще не работает, его даже можно просто выпаять и телик будет работать совершенно одинаково. Однако снимать его (как делают некоторые) я категорически не советую, т.к. при неисправности блока питания без этого стабилитрона в телевизоре сгорит практически все и он, скорее всего, после этого вообще не будет подлежать ремонту. Стабилитрон здесь выполняет чисто японскую функцию под названием «харакири», ценой своей жизни защищая цепи телевизора от выгорания.

Вот однажды в сильную грозу этот стабилитрон у меня и сгорел (был скачок напряжения по сети). Хотя всё дело было в цепи обратной связи, я тогда этого не знал (хе-хе. ), поставил «столбик» из валявшихся под рукой Д816-Д817, он естественно сразу сгорел, и тут я и подумал: а не собрать ли что-нибудь такое. многоразовое ? Тут и появилась идея собрать устройство, уверенно и надёжно гасящее выбросы напряжения выше заданного.

Зададимся максимальным током через устройство в 10A. Такая большая величина взята из-за двух соображений. Во-первых, устройство должно уверенно разряжать силовые электролитические конденсаторы, а, как известно, разряд таких конденсаторов сопровождается просто огромными токами (попробуйте разрядить заряженный конденсатор отвёрткой 😉 ). Во-вторых, устройство должно поглощать всю избыточную мощность, приходящую с питающих цепей, значит оно должно быть намного мощнее блока питания, в конце концов при невозможности автоматического отключения блока питания устройство должно за счёт резкого повышения потребляемого тока сжечь сетевой предохранитель.

Рассмотрим идеализированный вариант с обычным, ограничивающим ограничителем (см. рис. 1). На входе имеется ограниченный источник напряжения, на уровне тока 10A переходящий в источник тока (см. график ВАХ). Напряжение выдаётся стабильное (U ст , но в некоторых случаях (например при аварии или переходных процессах) оно может меняться до U max . На выходе находятся различные полупроводниковые схемы, которым требуется напряжение не выше U ст , иначе те выйдут из строя. Ограничитель включён параллельно и шунтирует избыточное напряжение. В нормальном режиме ограничитель бездействует.

Теперь пусть источник выдаст повышенное напряжение U max . Это приведёт к открытию ограничителя, избыточное напряжение U max -U ст окажется замкнутым накоротко, что приведёт к неограниченному возрастанию отдаваемого источником тока. Однако наш источник не может выдать ток больше 10 ампер. ВАХ источника смещается на падающий участок, и выдаваемое им напряжение падает, однако ток выдаётся максимальный – 10A. Источник может оставаться в таком режиме достаточно долго.

Посмотрим теперь на ограничитель. Через него протекает максимальный ток 10A при номинальном напряжении. Всё это приводит к тому, что на ограничителе начинает выделяться катастрофическая мощность: например при напряжении 120V выделяемая мощность составит 1200W. Такая мощность в доли секунды неограниченно разогревает ограничитель, и он неминуемо выходит из строя.

Для того, чтобы уменьшить выделяемую ограничителем мощность, есть такой радикальный подход: сделать его не ограничивающим, а отключающим (см. рис. 2).

Тогда в момент его срабатывания, когда через него будет протекать максимальный ток 10A, падение напряжения на нём составит всего несколько вольт. Естественно, в этом втором случае выходные цепи будут обесточены (в отличие от первого случая с ограничивающим ограничителем). Что даже несколько лучше, поскольку активация ограничителя есть явный признак неисправности источника питания, а в этом случае нагрузку лучше вообще отключать. Единственный минус отключающего ограничителя – сложность и как следствие несколько меньшая надёжность.

В качестве замыкающего элемента сразу в голове рисуются контакты реле – падение напряжения на контактах составляет доли вольт, т.е. выделяемая ограничителем мощность падает до нескольких ватт. Однако обычные маленькие релюшки, применяемые в электронике, здесь не подойдут – 10-амперный ток просто-напросто сплавит контакты, и устройство, сработав всего один раз, больше не вернётся в исходное состояние. Применение мощного реле также себя не оправдывает, так как устройство должно получиться маленьким, и к тому же контакты необходимо удерживать замкнутыми в момент срабатывания, т.е. необходим какой-то источник энергии. Остаётся тиристор – при замыкании он будет удерживать открытое своё состояние сколь угодно долго, лишь бы протекал ток, больший тока удержания. Некоторым минусом здесь является повышенное падение напряжения (например 4V), что может приводить к выделению на тиристоре до 40W мощности при протекании тока 10A. Но поскольку ток такой будет протекать в кратковременном импульсе (пока разряжаются конденсаторы), это не страшно, да и к тому же можно применить дешёвый тиристор типа КУ202, в случае чего – просто заменить другим.

Именно так и реализована предлагаемая мною схема. Она содержит цепь контроля напряжения на транзисторах VT1VT2, включенных по лавинно-встречной схеме, простенький усилитель управляющего тока на VT3 и собственно тиристор.

В исходном состоянии тиристор и усилитель выключены, а цепь контроля потребляет ничтожный ток. Цепь контроля сравнивает два напряжения: опорное со стабилитрона VD1 и уменьшенное делителем R1R2R3 исходное напряжение. Для предотвращения случайных срабатываний ограничителя при различных помехах, небольших скачках напряжений и т.п. имеется сглаживающий конденсатор C1, причём постоянная времени цепочки R2R3C1 выбрана порядка миллисекунд. На транзисторе VT1 происходит собственно сравнение напряжений. В исходном состоянии он закрыт, как и VT2. Когда на эмиттере VT1 напряжение становится больше на 0.7V, чем на базе, VT1 открывается. При этом ток через коллектор VT1 поступает в базу VT2, что приводит к его открытию. Открывающийся транзистор VT2 начинает забирать ток из точки опорного напряжения и передавать его для открытия VT3. Уменьшение опорного напряжения приводит к ещё большему открытию VT1, который в свою очередь ещё больше открывает VT2. Через некоторое время оба транзистора оказываются в состоянии насыщения. Поскольку ток с лавинной пары недостаточен для открывания тиристора, имеется усилительный каскад на VT3. Открытый поступающим с VT2 током транзистор VT3 надёжно и уверенно открывает тиристор, и тот начинает шунтировать схему. При этом все остальные цепи, кроме тиристора, оказываются обесточены (т.к. рассчитаны на работу при напряжении больше 100V). Тиристор удерживается в открытом состоянии за счёт протекающего по нему тока сколь угодно долго.

Здесь вы можете скачать схему и разводку печатной платы в формате ACCEL EDA ( *.sch и *.pcb ). В архиве также содержится документ Word с расчётами всех элементов. Все элементы как можно плотнее прижаты к одной стороне, т.к. имеется «отступ» для удобной установки платы другой стороной к радиатору силового транзистора блока питания.

Налаживается плата и настраивается на нужное напряжение с помощью подручных средств. Например, я собирал простейший выпрямитель с регулятором. К шнуру 220V подпаиваются предохранитель, потом мостиком 4 диода, потом резистор 100 ом 5W и силовой конденсатор от старого телика. Получаем 300V постоянного напряжения. Отводим 2 проводка и подпаиваем туда два реостата в виде делителя, к выходу цепляем ещё один конденсатор 300V 150mkF от старого телика и отводим ещё два проводка. Вот у нас и готов источник регулируемого напряжения, к которому подцепляется ограничитель. Начинаем крутить реостаты и выставлять разные напряжения на выходе: 100V, 120V и так далее. Крутим регулятор в ограничителе и добиваемся, чтобы он уверенно замыкал цепь с конденсатором от старого телика на заранее заданном напряжении, например при 125V. Зафиксировав таким образом ограничитель, выставляем реостатами выходное напряжение 120V и начинаем его чуть-чуть добавлять, добиваясь, чтобы при заданном значении оно уверенно скачком падало почти до нуля. Проверяем также, греется ли тиристор при срабатывании ограничителя.

Внутри телевизора ограничитель крепится за два винта (см. рис.) к радиатору силового транзистора блока питания, в радиаторе ессно высверливаются две дырки.

Данная схема может найти применение не только в телевизоре FUNAI, она может найти применение как элемент защиты в любом блоке питания, выдающем напряжения от 115 до 180V либо просто как защитный элемент любых электрических цепей.

Тема: Тиристорная схема защиты от перенапряжения

Добрый день, коллеги!
Озадачился защитой своего трансивера (FT-857) от неправильной полярности и перенапряжения, в виде приставки к трансиверу.
Читал честно все найденные ветки обсуждений различных схем защит.
Остались некоторые вопросы, на которые, надеюсь без лишнего стеба, получить вразумительные и аргументированные ответы.

1) В схемах с тиристорной защитой от перенапряжения чаще всего используют тиристоры Т160, Т50, КУ202 (редко). Если с первыми все более-менее понятно (рабочий ток заведомо больше тока перегорания предохранителя),
но габариты . почти с мой трансивер 🙁 Со вторым понятней менее, у него средний прямой ток 10А, а импульсный 30А. Не сгорит ли тиристор раньше (или вместе с) предохранителем на 25-30 А?
2) С появлением мощных полевых транзисторов так ли становится схема с перегоранием предохранителя актуальной? Может просто включать этот транзистор как проходной и вовремя его отключать?
3) В связи с п.2 если не нравится схема с проходным транзистором, то можно поставить транзистор на замыкание питания (как тиристор), а в цепь управления транзистором можно поставить маломощный тиристор в корпусе ТО-92.
Правда остается вопрос теплоотвода для транзистора (а может он будет и не нужен при такой длительности работы на короткое замыкание?)

Скептикам, говорящим, что с увеличением количества деталей падает надежность (кстати нет нигде никаких цифр о катастрофическом падении надежности при введении лишнего элемента) хочу сразу возразить, что современные электронные приборы более надежны, чем 20-25 лет назад.

Еще личный вопрос. Тиристоров под рукой нет, а есть симистор ТС112-16-11 (16А/1100В, импульсный ток 100А), небольшая горка . Оставляя нюансы работы и управление симистором на постоянном токе пока за бортом, хочу спросить знатоков,
подойдет ли этот симистор для пережигания предохранителя 25А (по п.1)? Допускается ли параллельная работа симисторов (тиристоров) в этой схеме?

Защита оборудования от импульсных перенапряжений и коммутационных помех

Одним из главных достоинств тиристора является его малые габаритные размеры. Однако, одновременно с уменьшением габаритных размеров тиристора уменьшается и его постоянная нагрева и, соответственно, ухудшаются условия теплоотдачи. Именно его высокая тепловая чувствительность возлагает большую ответственность на средства защиты тиристора. Ниже приведены типичные аварийные режимы и средства защиты от них.

Все выше перечисленные преобразователи имеют свои плюсы и минусы. Разберемся с каждым в отдельности.

Ограничение скорости нарастания тока di/dt

При наличии на тиристоре прямого напряжении в момент подачи управляющего импульса происходит открывание тиристора и через него начинает протекать ток. Этот ток начинает протекать в непосредственной близости от управляющего электрода и постепенно распространяется на всю площадь перехода. Поэтому если в начальный момент времени открытия тиристора скорость нарастания тока будет слишком велика, то его плотность вблизи управляющего перехода будет слишком высока, что вызовет перегрев, который может привести к выходу элемента из строя. Для того предотвращения подобных ситуаций скорость нарастания тока di/dt необходимо ограничивать. Поэтому в цепь анодную тиристора могут включатся небольшие реакторы. Для большинства тиристоров di/dt лежит в пределах 20-500 А/мкс.

Трехфазная установка

В трехфазной схеме увеличивается ширина ограничителя и количество защищаемых соединений. Однако принцип функционирования ограничителя остается неизменным. Наиболее часто используемые трехслойные системные защитные устройства, работающие в системе 4 + 0, что означает присоединение к разряднику следующих линий:

• 3-фазные провода
• 1 нейтральный провод

Каждый из проводов подлежащих защите имеет равные права, то есть возможные перенапряжения устраняются путем подачи тока на защитную установку и, как результат, на землю.

Конечно для установок TN-C (установка без отдельного защитного провода) можно приобрести защитные устройства только с 3 защищаемыми разъемами. Затем с нижней стороны подключите ограничитель к полосе PEN (нейтральная защита).

Ограничение скорости нарастания напряжения du/dt

При прямом падении напряжения к внешним переходам J1 и J3(структурная схема здесь) приложено прямое напряжение, а к переходу внутреннему J3 – обратное. Эквивалентной емкостью обладает J3, следствием чего станет протекание тока при подаче напряжения:

Где: СJ – емкость перехода.

Если скорость изменения напряжения на тиристоре будет слишком высокой, то ток перехода может достигнуть значения, которое достаточно для включения без подачи управляющего импульса. Такой эффект включения без управляющего импульса под действием du/dt может приводить к очень серьезным сбоям в работе не только преобразователя, но и устройств управляемых преобразователем.

Скорость изменения du/dt, допустимая, обычно находится в пределах 20-500 В/мкс. для защиты тиристора от непреднамеренных включений при больших du/dt применяют параллельные RC цепи.

Реле напряжения 220 В для дома: управление и дополнительные возможности

Управление устройства осуществляется с помощью кнопок на передней панели. Устанавливается нижний предел (обычно от 190 до 210 В). Шаг переключения составляет 1−2 В. После таким же образом выставляется верхний предел (220−280 В, шаг в 1−2 В). На последнем этапе можно установить задержку включения – от 3 до 900 сек.

Номинальный ток прибора зависит от марки и модели и может быть равен 25А, 32А, 40А, 50А или 63А. Этот параметр будет зависеть от нагрузки, создаваемой всеми потребителями в квартире или частном доме, подключёнными к 3- или 1-фазному реле контроля напряжения. Но это лишь общие сведения. В зависимости от марки и модели, перечисленные параметры могут отличаться.

Довольно удобны простые розетки со встроенным реле напряжения

К дополнительным возможностям можно отнести термозащиту, срабатывающую при внутреннем перегреве. Она отключает устройство при нагреве до определённой температуры, что может произойти при плохом контакте.

Пример расчета цепей ограничения di/dt и du/dt

Для регулирования выделяемой на резисторе мощности используют тиристор. Необходимо определить параметры защитных цепей. Uc = 400В, di/dt = 50 А/мкс, du/dt = 200 В/мкс. Схема показана ниже:

Итак, мы знаем, что напряжение на конденсаторе не меняется мгновенно, а также то, что полупроводниковый элемент имеет довольно большое внутреннее сопротивление в зоне низкой проводимости. Поэтому при замыкании Q схему можно заменить на эквивалентную:

Уравнения напряжений будут иметь вид:

Где Rш – сопротивление резистора в шунтирующей цепи.

Из предыдущей формулы следует, что di/dt будет иметь максимальное значение при i = 0:

Напряжение на тиристоре:

Продифференцировав это уравнение по времени получим:

Выполнив преобразования получим:

Если сопротивление Rш будет слишком малым, то это приведет к довольно большим потерям в нем. Из схемы выше можно увидеть, что в момент замыкания ключа Q абсолютно все напряжения источника питания до открытия тиристора будет приложено к конденсатору С. Это приведет к тому, что в момент открытия вентильного ключа произойдет резкий бросок тока, и его пиковое значение будет тем выше, чем меньше будет значение сопротивления Rш. Таким образом, сопротивление Rш может быть достаточным (с точки зрения токового ограничения), но слишком большим для ограничения du/dt. Емкость Сш, в свою очередь, то же выбирают небольшой, для того что бы предотвратить выход вентиля из строя при его открытии. Довольно частые значения Rш и Сш составляют 10 Ом и 0,1 мкФ. При известном значении Rш можно найти индуктивность реактора L:

Виды ОПН

Вы уже поняли, что конструкция бывает совершенно разных типов в зависимости от способов применения, но всё-таки со всеми устройствами так и не ознакомились. Как выбрать ограничитель перенапряжения для дома вы узнаете ниже, узнав в деталях все возможные видовые особенности.

Различаются ОПН по следующим характеристикам:

• Изоляционный тип (полимерный или фарфорный)
• Количество колонок
• Величина стандартного напряжения
• Установочное место прибора

Можно потом углубиться в конкретные особенности и отличия трехфазных и однофазных приборов. Есть к тому же и классификация, которая относится к месту установки – делятся на B, C и D. Но нам куда важнее разобраться с техническими свойствами.

Отвод тепла в процессе работы тиристора

В открытом состоянии полупроводниковый вентиль имеет довольно малое сопротивление и падение напряжения на нем не превышает 1-2 В. Это относительно небольшое падение, при значительных токах анодных приводит к серьезным тепловым потерям, которые способны вызвать выход прибора из строя. Для предотвращения перегрева полупроводниковых устройств их крепят на специальные радиаторы, которые способствуют теплоотведению. Если теплоотводящих свойств радиатора недостаточно – применяют принудительное охлаждение.

Допустимые параметры электроэнергии

Номинал напряжения, обозначенный на всей бытовой электротехнике, составляет 220В, однако в реальной жизни это значение стабильно далеко не всегда. Это учитывается при изготовлении современных приборов, и они могут устойчиво работать при колебании напряжения от 209 до 231В, а также переносить разброс от 198 до 242В. Если бы небольшие перепады разности потенциалов не были предусмотрены конструкцией бытовой техники, она ломалась бы постоянно. Более значительные отклонения приводят к перегрузке сети, и это снижает эксплуатационный ресурс аппаратуры.

Чтобы сгладить колебания напряжения и обеспечить безопасность приборов, достаточно установить стабилизатор. Гораздо опаснее для электротехники перенапряжение (так называется резкий скачок разности потенциалов).

Защита тиристоров от перенапряжений

Не всегда процесс работы полупроводника проходит в нормальных условиях. Иногда, при ударах молний, не удовлетворительных условиях коммутации, переходных процессах на полупроводниковом ключе может возникнуть перенапряжение. Для защиты от перенапряжений используют нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от напряжения (например, стабилитрон). Они подключаются параллельно элементу, и, при больших напряжениях шунтируют силовую цепь.

Результаты тестирования

Для получения результатов по эффективности защиты была протестирована серия операционных усилителей с использованием стандарта МЭК (IEC‑61000–4-2) в части требований по устойчивости к электростатическим разрядам. В таблице 4 показано, какие компоненты предохраняют те или иные схемы защиты. Несмотря на то, что стандарт предусматривает испытания тремя воздействиями импульса перенапряжения уровнем ±8 кВ, все представленные схемы (чтобы обеспечить достаточный технологический запас по степени защиты) прошли тестирование при 100 импульсах воздействия уровнем ±9 кВ.

Таблица 4. Список устройств и соответствующих им конфигураций защиты, которые прошли испытания на соответствие стандарту IEC-­61000­-4-­2

Согласно стандарту МЭК, требуется, чтобы заземление генератора испытательного импульса было подключено к заземлению усилителя через два резистора номиналом 470 кОм параллельно с конденсатором емкостью 30 пФ. Используемая тестовая установка выполнена более жесткой, потому что заземление генератора испытательного сигнала было напрямую связано с заземлением усилителя. Для дополнительной аутентичности эти результаты были также проверены и с помощью описанной выше схемы заземления в соответствии с требованиями МЭК. Имейте в виду, что усилители имеют очень разные внутренние структуры — то, что пригодно для устройств из предложенного списка, может работать или нет для других. Рекомендуется, чтобы при использовании иных операционных усилителей или других защитных компонентов они предварительно были тщательно протестированы.

Используемые компоненты защиты:

• Резисторы: серия ERJ-P6, типоразмер 0805, производство компании Panasonic.
• Конденсаторы: керамические, типоразмера 0805, диэлектрик C0G/NPO, номинальное рабочее напряжение 100 В, производства компании Yageo.
• TVS-диоды: CDSOD323‑T36SC, производство компании Bourns (двунаправленные, напряжение 36 В, с малым током утечки, нормированные для защиты от электростатического контактного разряда, электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивые к выбросам напряжения в рамках требований соответствующих стандартов).
• Варисторы для защиты от разрядов статического электричества: многослойные варисторы серии MLA, типоразмер 0603, рабочее напряжение 26 В, производство компании Bourns.

Защита от аварийных токов

Полупроводник имеют относительно небольшую теплоемкость, поэтому они довольно плохо переносят перегрузку, работу при импульсных токах, а также краткосрочные броски тока. Для обеспечения защиты от таких режимов используют старые добрые проверенные методы, а именно – автоматические выключатели и плавкие предохранители. Автоматические выключатели обеспечивают защиту от перегрузок, а плавкие предохранители от коротких замыканий КЗ. Время срабатывания защитной аппаратуры должно соответствовать характеристикам защищаемых элементов. Также самым важным фактором должно быть отключение прибора от сети при возникновении аварийных ситуаций до его выхода из строя. Именно исходя из этого условия и подбирают защитную аппаратуру.

Часто задаваемые вопросы

1. Есть ли смысл устанавливать плавкий предохранитель на линию нейтрали?

Да, при обрыве линий ЛЭП фаза часто попадает на нейтраль или заземление, в этом случае на розетку могут прийти две разные фазы это 380В. В нейтральную жилу или в заземление может попасть молния это сотни тысяч вольт.

1. Если через УЗИП при скачке напряжения проходит сотни тысяч вольт, какого сечения провода надо ставить?

Провода устанавливаются с расчетным сечением для всего дома на вводной автомат, если УЗИП ставится на отдельную группу освещения или розеток, то сечение такое же, как и в проводах этой группы. На вводе обычно 10 -16 мм2,

Группы освещения 07-1,5 мм2, розетки 2.5 – 4 мм2.

Защита цепи управляющего электрода тиристора

Управляющие цепи требуют защит, как от аварийных токов, так и от перенапряжений. Поскольку их мощность малая, то это позволяет применять простые способы защиты – от напряжений стабилитроны, от токов – токоограничивающие резисторы. Немаловажным фактором является и защита от ложных срабатываний. Ложное срабатывание может происходить из-за коммутации соседних вентилей или же возможных сетевых помех, которые могут вызывать переход тиристора в открытое состояние. Защита цепей управления состоит в экранировании или скручивании их проводов. Довольно часто между катодом и выводом управляющего электрода устанавливают конденсатор и резистор, выполняющий роль фильтра. На рисунке ниже показана схема защиты тиристора:

Виды ОПН

Конструкции ОПН, предлагаемые производителями энергетикам весьма разнообразны, их различают по следующим признакам:

1. Типу изоляции (фарфор или полимер).
2. Конструктивному исполнению (одна или несколько колонок).
3. Величине рабочего напряжения.
4. Месту установки ограничителя.

Если говорить об ограничителях перенапряжения, устанавливаемых на DIN-рейку, то тут устройства первоначально разделяются на однофазные и трехфазные. Помимо этого модульные ОПН (они же УЗИП), делятся на три основных класса: B, C и D. Ограничители класса B устанавливаются на вводе в здание, C — непосредственно в распределительном щите квартиры либо дома, D — на отдельное оборудование, которое нужно защитить от помех, если с этим не справились ОПН класса B и C. Подробнее о модульных ограничителях перенапряжения вы можете узнать из видео:

Схемная защита

Защиты, рассмотренные выше, не всегда могут обеспечить должный уровень защиты. Для организации защиты тиристорных преобразователей может использоваться большое количество схемных решений. Самое распространенное из них – блокировка импульсов управления. Также могут использовать дополнительный параллельный тиристор, который будет шунтировать основной до срабатывания основной защиты (автоматический выключатель).

Возможна схема с емкостным гасящим устройством, применима для инверторов с аварийным режимом при включении элементов одного плеча. Применима для инверторов с реверсом тока, состоит из конденсатора обладающего небольшой емкость, включенного сразу реактором фильтра. При одновременном включении двух элементов ток переводится в гасящий конденсатор, и полуволна отрицательная, которая образуется в колебательном LC контуре запрет тиристоры. Ну и, соответственно, параметры реактора и конденсатора подбирают таким образом, чтоб образованные в данном контуре токи не превысили допустимые токи элементов. Предохранитель не должен перегорать при каждом импульсе тока. Более того, данный контур может применяться и как коммутирующий.

3-х фазная схема в нормальном режиме

Однако остается главный вопрос, как же это все взаимосвязано с обрывом нуля и перенапряжением в розетках? Дело в том, что напряжение изначально из трансформаторных будок ТП и КТП, выходит и приходит в щитовую дома по 3-х фазной схеме, а не по однофазной, как мы рисовали выше.

Что она из себя представляет? В общем случае это четыре проводника:

От каждой фазы подключается отдельный потребитель (квартира, дом) или группа потребителей (несколько квартир в подъезде). При этом ноль у всех общий.

Между фазой и нолем будут привычные нам 220V, а между двух фаз — те самые 380V. При нормальных условиях все лампочки и токоприемники работают исправно.

Можно подключать разную нагрузку, разного номинала, это никак не будет вызывать перенапряжение. Ток в данной схеме течет по каждой фазе, проходит через своего потребителя и уходит через ноль.

Средняя стоимость РН на российском рынке

Сейчас разберёмся, по какой стоимости можно купить реле напряжения 220В для дома, попутно отметив некоторые характеристики устройств. Средняя стоимость, отмеченная в таблице, указана по состоянию на апрель 2021 года.

Есть и более дорогие модели, но в сегодняшнем обзоре мы их рассматривать не будем. Те же, которые вошли в нашу таблицу, можно смело назвать идеальными по соотношению «цена−качество».

Электрощит должен быть настолько аккуратно смонтирован, насколько это возможно

Подключение стабилизатора

Теперь переходим к непосредственному подключению самого стабилизатора. Для того, чтобы подобраться к его контактам, может понадобиться снять внешнюю крышку.

Пропускаете два кабеля (вход и выход) через отверстия и зажимаете под клеммы по следующей схеме:

фазную жилу входного кабеля стабилизатора затягиваете на клемме ВХОД (Lin)

нулевую жилу (синего цвета) к клемме N (Nin)

заземляющую жилу к винтовому зажиму с обозначением ”земля”

Кстати, отдельной клеммы ”земля” может и не быть. Тогда данную жилу закручиваете под винт на самом корпусе аппарата.

Есть модели с клеммниками всего под 3 провода. В них назад возвращается только фаза.

Ноль на питание электроприборов берется с общего щитка.

Теперь когда вы подали напряжение от щитка до стабилизатора, вам нужно вернуть это напряжение, но уже стабилизированное обратно в общий щит.

Высоковольтные тиристоры с элементами самозащиты при работе в аварийных режимах

Современный рынок энергетического оборудования требует применения высоконадежных технических решений и комплектующих, так как отказ силового полупроводникового при эксплуатации может привести к весьма затратному отказу всего преобразовательного оборудования. Применительно к высоковольтным преобразовательным установкам, в состав которых входят силовые полупроводниковые тиристоры (обычно рассчитанные на напряжение порядка 6500 В), отказ драйвера управления силовым тиристором может привести к ситуации, выходящей за область безопасной работы стандартного мощного тиристора, когда тиристор необходимо перевести в проводящее состояние при отсутствии внешнего сигнала управления в связи с отказом драйвера.

Поэтому важным направлением совершенствования конструкций высоковольтных силовых полупроводниковых тиристоров является введение в полупроводниковую структуру элементов самозащиты от перенапряжения [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Данное решение позволяет исключить отказ высоковольтного тиристора при возникновении несанкционированного режима работы за счет придания тиристорному элементу свойства динистора (переключение в проводящее состояние при подаче определенного значения напряжения катод-анод) [6].

Известно, что протонное облучение вводит в структуру полупроводникового прибора рекомбинационные центры, что позволяет регулировать динамические параметры тиристоров и обычно используется для изготовления быстродействующих и быстровосстанавливающихся тиристоров и диодов [4]. Кроме того, протонное облучение (имплантация атомов водорода) индуцирует возникновение связанных с ним донорных центров, по свойствам аналогичных традиционным донорам (фосфор, мышьяк, сурьма) [4, 7]. Такое локальное протонное облучение может формировать элементы самозащиты от перенапряжения, при этом с высокой точностью регулируя напряжения лавинного пробоя, что особенно актуально для работы тиристоров в последовательных сборках высоковольтных вентилей [5].

Таким образом, тиристор в составе последовательной сборки может безопасно переключаться при отказе драйвера (отсутствии штатных сигналов управления), и, соответственно, вентиль сохраняет работоспособность при отказе драйвера одного из тиристоров [5].

Экспериментальные образцы

Данное конструктивно-технологическое решение опробовано на тиристорах с диаметром полупровод­никового элемента 80 мм, рассчитанных на напряжение 2000 В, где под областью основного управляющего электрода была сформирована n-область при помощи протонного облучения.

В качестве программы исследования было проведено следующее:

• измерение основных электрических параметров и характеристик и сравнение с результатами измерений до формирования элементов самозащиты;
• испытания на безопасное переключение при малых анодных токах (до 35 А);
• испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1250 А;
• электрическое воздействие (ударным током) с целью определения стабильности поведения механизма переключения в условиях эксплуатации;
• повторные испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1250 А.

Измерение основных электрических параметров и характеристик до и после формирования встроенных элементов самозащиты позволило сделать вывод, что введение в структуру тиристора локальной области, отвечающей за переключение в проводящее состояние, не ухудшает основные электрические и тепловые параметры и характеристики испытуемых тиристоров.

Испытания тиристоров с элементами самозащиты на безопасное переключение по аноду заключались в проверке их способности выдерживать воздействие импульсов тока значительной амплитуды при переключении под действием перенапряжений в прямом направлении. Испытания проводились как при разомкнутой, так и при закороченной цепи управления и выполнялись в два этапа.

На первом этапе тиристоры подвергались воздействию перенапряжения в прямом направлении от высоковольтного источника тока, который при переключении испытуемого тиристора формировал импульс тока полусинусоидальной формы длительностью 100 мкс по уровню 0,5 от амплитудного значения. Выходное напряжение холостого хода источника составляло не менее 6 кВ, амплитуда импульса тока устанавливалась равной 35 А. Каждый образец подвергался воздействию пяти импульсов перенапряжения. После испытаний контролировались значения повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии и повторяющегося импульсного обратного тока.

На втором этапе тестируемые образцы подвергались воздействию перенапряжений в схеме, после переключения тиристора обеспечивающей формирование импульса тока трапецеидальной формы большой амплитуды с высокой скоростью нарастания переднего фронта.

В зажимное устройство стенда устанавливались последовательно включенные испытуемый образец, цепь управления которого была либо закорочена, либо разомкнута, и коммутирующий тиристор типа Т173-2000-34. При испытаниях использовалась формирующая линия с волновым сопротивлением 1 Ом. До подачи импульса управления коммутирующим тиристором напряжение на каждом из тиристоров примерно равно и составляет половину напряжения на формирующей линии. При включении коммутирующего тиристора все напряжение прикладывается к испытуемому тиристору, и, поскольку его значение превышает напряжение переключения испытуемого тиристора, он переключается. Амплитуда тока задавалась включенными последовательно дополнительными резисторами с сопротивлением 6,7 или 0,75 Ом. Скорость нарастания тока регулировалась включенной последовательно с резистором катушкой индуктивности. Напряжение на формирующей линии перед включением коммутирующего тиристора устанавливалось равным 2300 В. Схема подключения испытуемого тиристора к формирующей линии показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытаний

Рис. 2. Осциллограммы напряжения
на двух последовательно включенных тиристорах (желтая);
коммутирующем тиристоре (голубая);
испытуемом тиристоре с самозащитой (красная)

Напряжение на коммутирующем тиристоре и на двух последовательно включенных тиристорах, коммутирующем и испытуемом, регистрировалось осциллографом TPS2024 и делителями напряжения типа Tektronix P5100. Осциллограмма напряжения на испытуемом тиристоре с самозащитой получена методом дифференциального измерения. Осциллограммы напряжения на испытуемом образце и тока через него представлены на рис. 2–6.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения
на двух последовательно включенных тиристорах (фиолетовая)
и тока через испытуемый тиристор с самозащитой (голубая) при амплитуде тока 290 А

Рис. 4. Осциллограммы напряжения
на двух последовательно включенных тиристорах (фиолетовая)
и переднего фронта тока через испытуемый тиристор с самозащитой (голубая) при амплитуде тока 290 А

Рис. 5. Осциллограммы напряжения
на двух последовательно включенных тиристорах (фиолетовая)
и тока через испытуемый тиристор с самозащитой (голубая) при амплитуде тока 1250 А

Рис. 6. Осциллограммы напряжения
на двух последовательно включенных тиристорах (фиолетовая)
и переднего фронта тока через испытуемый тиристор с самозащитой (голубая) при амплитуде тока 1250 А

При сопротивлении нагрузки 6,7 Ом амплитуда тока составляла 290 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 равна 75 А/мкс, длительность импульса по уровню 0,5 — 350 мкс. Количество воздействий на каждый образец — 300 импульсов с частотой 1 Гц.

При сопротивлении нагрузки 0,75 Ом амплитуда тока составляла 1250 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 равна 90 А/мкс, длительность импульса по уровню 0,5 — 125 мкс. Количество воздействий на каждый образец — 120 импульсов с частотой 1 Гц.

В результате тиристоры выдержали испытания на безопасное переключение, то есть на токах до 1250 А механизм самозащиты при переключении под воздействием перенапряжения сработал (рис. 2–6). Стойкость тиристоров к воздействию скорости нарастания тока в открытом состоянии при переключении по аноду у исследуемых образцов сопоставима с типичными значениями di/dt стойкости при включении тиристоров по управляющему электроду.

Для проверки возможности отжига эффекта локального облучения (в аварийных режимах работы тиристора) были проведены испытания в режиме высокотемпературного хранения при температуре +125 °С в течение 168 ч и испытания на стойкость к воздействию 20 последовательных импульсов ударного тока амплитудой 40 кА при Т = 125 и V_D = V_R = 0. После чего были измерены параметры-критерии годности и проведено повторное испытание на переключение тиристора со встроенным механизмом самозащиты от воздействия перенапряжения при токе 1250 А. В результате испытаний не наблюдалось изменения значений напряжения переключения тиристоров в прямом направлении и не было обнаружено параметрических и катастрофических отказов.

Разработка нового высоковольтного тиристора со встроенными элементами самозащиты от перенапряжения

На основании полученного опыта при проведении эксперимента по формированию встроенных элементов самозащиты от перенапряжения было принято решение о разработке мощного высоковольтного тиристора Т483-1600-60, который характеризуется:

• оптимизированной диффузионной структурой и применением технологии низкотемпературного спекания для снижения динамического сопротивления (r_T);
• модернизированной топологией диффузионного элемента и применением протонного облучения для получения малых (до 400 мкс) значений времени выключения тиристора;
• прецизионным регулированием значений заряда обратного восстановления (Q_RR) до уровня ±5%;
• интегрированным элементом самозащиты от перенапряжения, что исключает необходимость применения таких технических решений, как установка внешних ограничителей напряжения (BOD), и, соответственно, устраняет необходимость доработки конструкции силового блока для применения систем защиты.

Данное решение позволит снизить сложность силовой сборки и нивелировать связанные с этим риски, при сопоставимом с применением внешних элементов защиты уровне затрат. Дополнительно на выходных испытаниях АО «Протон-Электротекс» планирует проверку работы интегрированной системы защиты в составе тиристора, то есть с точки зрения потребителя будет аттестован не только сам прибор, но и система защиты, входящая в структуру прибора, что невозможно сделать при использовании компонентов по отдельности.

Основные параметры и характеристики разрабатываемого тиристора сведены в таблицу.