Come utilizzare i dispositivi di protezione dai picchi transitori c.a. ibridi per migliorare la protezione dai picchi transitori

I dispositivi elettronici sono onnipresenti e in rapida evoluzione, con circuiti sempre più sensibili che dipendono fortemente dalla protezione di front-end quando accedono all'infrastruttura elettrica, che può o meno disporre di protezione contro le sovratensioni e i transitori. I transitori possono essere causati fulmini, commutazioni o altri eventi simili capaci di generare sovratensioni e sovracorrenti che possono danneggiare o deteriorare i dispositivi elettronici sensibili.

Le attuali tecnologie di protezione dai picchi transitori a basso costo, come i tubi a scarica di gas (GDT) e i varistori metallo-ossido (MOV), deviano o limitano l'energia del picco transitorio impedendole di raggiungere il dispositivo protetto. Ognuno di questi dispositivi ha i suoi vantaggi, ma entrambi hanno limiti per quanto riguarda il numero di transitori che possono gestire prima di guastarsi. Inoltre, i GDT possono non interrompere completamente la corrente, mentre i MOV possono essere soggetti a guasti dovuti alla fuga termica dopo un certo numero di attivazioni per eventi transitori.

Per sfruttare il meglio dei GDT e dei MOV, attenuando al contempo le loro carenze, sono emersi componenti a tecnologia ibrida in un unico dispositivo integrato dalle dimensioni fisiche relativamente più compatte per un determinato livello di protezione dai picchi transitori. Sebbene la natura complementare dei componenti integrati migliori le prestazioni di entrambi e ne prolunghi la durata, perché siano efficaci è necessario abbinare attentamente gli elementi GDT e MOV. Implementati correttamente, questi limitatori di sovratensione ibridi IsoMOV™ sono particolarmente utili per garantire la conformità IEC/UL62368-1, uno standard basato sui rischi per le apparecchiature informatiche e audiovisive.

Questo articolo illustra brevemente il funzionamento dei limitatori di sovratensione GDT e MOV prima di esaminare con esempi reali le caratteristiche dei protettori ibridi IsoMOV di Bourns. L'articolo si conclude spiegando come implementare la tecnologia IsoMOV per soddisfare IEC/UL62368-1.

Come funzionano gli SPD?

I componenti di protezione dai picchi transitori funzionano in due modi: come un interruttore, deviando la sovratensione verso terra (a volte detto crowbar) oppure limitano la sovratensione bloccando la tensione massima a un livello ridotto, assorbendo e dissipando l'energia transitoria.

Il GDT è un esempio di limitatore crowbar. È costituito da uno spinterometro in un gas non reattivo come l'argon collegato alla linea elettrica. Se il livello di tensione è inferiore alla tensione di rottura del GDT, il dispositivo si trova fondamentalmente in uno stato "off" ad alta impedenza. Se un transitorio aumenta il livello di tensione oltre la tensione di rottura del GDT, quest'ultimo passa a uno stato di conduzione ("on") (Figura 1).

Figura 1: Forme d'onda di tensione e corrente per un GDT attivato. Una volta superata la tensione di rottura, la tensione scende a circa 10 V e la corrente aumenta notevolmente. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Poiché il GDT è collegato all'ingresso di alimentazione, in pratica mette in cortocircuito la fonte di alimentazione. Questo fa intervenire un fusibile, un interruttore automatico o un altro dispositivo di protezione seriale, proteggendo così i circuiti a valle del GDT. Si noti che nello stato off, la tensione è alta e la corrente è bassa. Nello stato on, si verifica l'opposto e la potenza dissipata è minima, tranne che nella transizione tra gli stati. Il ripristino dello stato del GDT richiede che la tensione di ingresso sia ridotta sotto la tensione di rottura. Nel caso in cui l'ingresso della linea di alimentazione non scenda sufficientemente, il GDT potrebbe non ripristinarsi e continuare a condurre una corrente di continuità, mantenendolo acceso. La possibilità che il GDT rimanga acceso è un limite significativo di questo tipo di tecnologia di protezione dai picchi transitori.

Il MOV è un dispositivo di tenuta all'impulso. Come il GDT, viene posizionato sulla linea elettrica. Nel funzionamento normale, il MOV si trova in uno stato di alta impedenza e assorbe solo una piccola corrente di dispersione (Figura 2).

Figura 2: La caratteristica corrente-tensione di un MOV mostra l'azione di tenuta all'impulso bipolare. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

In caso di sovratensione, l'impedenza del MOV si abbassa e assorbe più corrente, dissipando la potenza; ciò riduce e limita la tensione del transitorio. Quando il transitorio passa, l'impedenza del MOV aumenta e torna allo stato normale. I MOV sono classificati in base al numero di eventi transitori che possono tollerare. Dopo un certo numero di eventi transitori, la corrente di dispersione del MOV può aumentare. Questo aumenta la potenza dissipata dal dispositivo, causandone il riscaldamento. Il riscaldamento aumenta la corrente di dispersione e può provocare la fuga termica del MOV, con conseguente guasto catastrofico del dispositivo.

Nessuna di queste tecnologie di protezione dai picchi transitori è di per sé ideale. Tuttavia, se il GDT e il MOV vengono collocati in serie sulla linea di alimentazione, il loro comportamento complementare diventa evidente. Nel funzionamento normale, il GDT è spento e non c'è flusso di corrente di dispersione nel MOV. Durante un transitorio di tensione, il GDT si attiva, posizionando così il MOV nel circuito. Il MOV blocca quindi la sovratensione transitoria. Quando il transitorio è passato, il MOV si spegne, riducendo la corrente attraverso il GDT e consentendogli di spegnersi.

Il posizionamento in serie di GDT e MOV richiede un abbinamento attento delle loro caratteristiche in modo che siano vicendevolmente complementari. Le implementazioni discrete sono soggette a un'ampia gamma di variabili, dalla progettazione alla produzione, al collaudo e al confezionamento, che rendono difficile per i progettisti trovare l'abbinamento ideale. Per affrontare queste sfide, i protettori ibridi IsoMOV di Bourns combinano una serie di MOV e un elemento GDT accuratamente abbinati in un unico contenitore molto più piccolo dei singoli componenti (Figura 3).

Figura 3: L'SPD IsoMOV si forma integrando il GDT tra due MOV (a). Il simbolo schematico composito è mostrato a destra in (b). (Immagine per gentile concessione di Bourns)

La risposta composita alla tensione transitoria del protettore ibrido IsoMOV nella Figura 4 mostra come lavorino insieme i due elementi.

Figura 4: La risposta alla tensione del protettore ibrido IsoMOV mostra la rottura del componente GDT per attivare i componenti MOV, proteggendo i circuiti a valle. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Entrambi gli elementi del protettore ibrido IsoMOV sono progettati per resistere indipendentemente alla massima tensione di funzionamento continua (MCOV). Come già detto, il GDT blocca le correnti di dispersione del MOV in assenza di transitori. Anche dopo molti transitori, il GDT interrompe l'aumento dei livelli di corrente di dispersione del MOV. Il MOV impedisce la corrente di continuità dopo una sovracorrente transitoria, proteggendo così il GDT. La geometria del dispositivo IsoMOV aumenta la capacità di picco transitorio per unità di superficie rispetto a un singolo MOV.

Dal punto di vista del progettista, i dispositivi IsoMOV offrono una protezione avanzata in un contenitore compatto integrato che riduce al minimo il numero di componenti e lo spazio sulla scheda. Ad esempio, ISOM3-175-B-L2 è un protettore ibrido IsoMOV con una MCOV di 175 V_RMS, in grado di gestire almeno quindici sovratensioni nominali di 3 kA con una tensione massima di tenuta all'impulso di 470 V (Figura 5). Ha un diametro di 13,2 mm e uno spessore di 6,1 mm. Il diametro varia con la capacità di corrente massima e lo spessore aumenta con l'aumentare della MCOV.

Figura 5: ISOM3-175-B-L2 è un esempio di formato compatto del protettore ibrido IsoMOV. Pur comprendendo due MOV e un GDT, misura solo 13,2 mm di diametro e ha uno spessore di 6,1 mm. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

La famiglia IsoMOV di Bourns comprende tre correnti nominali di 3 kA, 5 kA e 8 kA, con valori MCOV da 175 a 555 V_RMS. I dispositivi di fascia media includono ISOM5-300-B-L2, un dispositivo da 300 V_RMS e 5 kA con un diametro di 17 mm e uno spessore di 7,1 mm. Per correnti elevate, ISOM8-555-B-L2 è un dispositivo da 8 kA con una MCOV di 555 V_RMS. Ha un diametro di 23 mm e uno spessore di 9,4 mm. Tutti questi dispositivi hanno un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 °C a +125 °C.

I protettori ibridi IsoMOV di Bourns offrono questi valori nominali di sovratensione in un fattore di forma compatto rispetto all'utilizzo di MOV e GDT separati. Hanno bassissime correnti di dispersione e la GDT in serie prolunga la vita del MOV. Inoltre, tutti gli SPD IsoMOV sono classificati come componenti UL1449 di tipo 4, il che facilita la loro progettazione in dispositivi di protezione dai picchi transitori.

Implementazione della protezione secondo i livelli IEC/UL62368-1

I componenti IsoMOV sono soluzioni utili per la conformità IEC/UL62368-1. Il nuovo standard di sicurezza IEC/UL 62368-1 per le apparecchiature audiovisive e per le tecnologie dell'informazione e della comunicazione si basa sui principi dell'Hazard Based Safety Engineering (HBSE) per la sicurezza fisica degli utenti delle apparecchiature e la realizzazione di misure di sicurezza. Identifica le fonti di energia potenzialmente pericolose e i processi attraverso i quali l'energia può essere trasmessa a un utente, sia in condizioni di funzionamento normale che in condizioni di guasto.

Il progetto di protezione degli ingressi di potenza raccomandato nella Figura 6 comprende dispositivi di protezione dalla linea al neutro, dalla linea alla terra di protezione e dal neutro alla terra di protezione.

Figura 6: Il circuito di protezione dell'ingresso di alimentazione raccomandato, conforme a IEC/UL62368-1, prevede dispositivi di protezione dalla linea al neutro, dalla linea alla terra di protezione e dal neutro alla terra di protezione. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

I GDT in serie con i MOV o gli IsoMOV tra linea e terra o neutro e terra sono necessari per proteggere dalle scosse elettriche che potrebbero verificarsi se si utilizzasse un MOV da solo. Se la messa a terra di protezione non fosse collegata, la corrente di dispersione del MOV da sola potrebbe essere sufficientemente elevata da causare lesioni nel caso l'utente tocchi il percorso di terra isolato. Il posizionamento del GDT in serie elimina la corrente di dispersione.

I pericoli associati ai MOV e ai dispositivi che li contengono includono scosse dovute a correnti di dispersione eccessive e possibilità di incendio. A causa della loro modalità di guasto, i MOV sono considerati potenziali fonti di accensione (PIS) e richiedono l'inclusione di misure per ridurre la possibilità di accensione e bloccare la propagazione di qualsiasi incendio.

I limitatori di sovratensione contribuiscono ad aumentare l'affidabilità dei prodotti e devono essere conformi ai test specifici richiesti dallo standard. Ad esempio, la MCOV di un MOV deve essere almeno 1,25 volte il limite superiore dell'intervallo di tensione dell'apparecchiatura. Per le apparecchiature con un intervallo di potenza in ingresso compreso tra 85 e 250 V c.a., la MCOV minima per un MOV di protezione di linea in tali apparecchiature dovrebbe essere di 313 V. I circuiti di protezione di linea che includono un MOV attraverso la linea sono soggetti a un test basato su una tensione di linea pari al doppio del valore nominale. La corrente di ingresso viene limitata in sequenza da resistenze a valori di 0,125, 0,25, 0,5, 1 e 2 A. Poiché il MOV è una potenziale fonte di incendio, il test continua finché il MOV non si guasta. Questa prova non è richiesta per i MOV con MCOV superiore a due volte la massima tensione nominale di linea, data la bassissima possibilità di guasto del MOV in queste condizioni.

Conclusione

I protettori ibridi IsoMOV forniscono una protezione migliore e più compatta ai sistemi elettronici più questi progrediscono, si miniaturizzano e proliferano, in un contesto di infrastrutture obsolete o scarsamente protette e di standard di protezione degli utenti in continua evoluzione. Oltre a prestazioni eccezionali e al risparmio di spazio, hanno un intervallo di temperatura esteso, bassa dispersione e un'elevata capacità di gestione dell'energia. Sebbene siano particolarmente vantaggiosi per le applicazioni industriali esposte a elevate sovratensioni transitorie, sono facili da implementare in apparecchiature audiovisive e nella tecnologia dell'informazione e della comunicazione per soddisfare lo standard IEC/UL62368-1 basato sull'Hazard Based Safety Engineering (HBSE).