Napięcia i prądy przejściowe, powszechnie znane jako przepięcia czy przetężenia, skoki napięcia lub prądu, są stosunkowo częstym zjawiskiem w wielu systemach elektronicznych. Przejściowe skoki mogą być wywołane różnymi czynnikami sztucznymi lub naturalnymi. Te spowodowane przez człowieka obejmują impulsy elektromagnetyczne, nadajniki dużej mocy, radary, czy ich zakłócacze, elektroniczne środki przeciwradarowe (ECM), uszkodzone transformatory, przełączanie kluczy, przycisków, przekaźników, elektronikę łukową (spawarki), przemysłowe obciążenia indukcyjne i źle zaprojektowaną elektronikę. Naturalne zjawiska odpowiadające za interferencję elektromagnetyczną (EMI), które mogą prowadzić do przejściowych przepięć, to rozbłyski słoneczne, koronalne wyrzuty masy (zorze polarne) i inne słoneczne/kosmiczne warunki pogodowe. Czy to wyzwolone przez człowieka, czy naturalne, przepięcia mogą prowadzić do przekraczania maksymalnych dopuszczalnych napięć czy prądów, które mogą całkowicie zniszczyć, uszkodzić lub pogorszyć parametry systemów elektronicznych, jeśli te nie są odpowiednio chronione. Przepięcie i przetężenie to jeden z mechanizmów, który może stać się przyczyną awarii elementów elektronicznych. Jednak przy wystarczająco długo utrzymującym się wysokim przejściowym napięciu/prądzie może również wystąpić przegrzanie i, w konsekwencji, pogorszenie niektórych parametrów znamionowych układów. Jest to szczególnie znaczące w przypadku wrażliwych urządzeń elektronicznych RF, które są często używane w sektorach takich jak obronność, lotnictwo, przemysł, motoryzacja oraz po prostu na dachach czy wysokich wieżach, gdzie systemy te mogą być bardziej narażone na niebezpieczne emisje EMI.
Ponieważ za elektroniką RF często znajdują się czułe obwody analogowe i cyfrowe, w pobliżu anteny lub we front-endzie RF (RFFE) urządzeń komunikacyjnych, radarowych i wykrywających, bardzo ważne jest, aby ją chronić. I zapobiegać kaskadowaniu przepięć spowodowanie uszkodzenia elektroniki, które kończy się naruszeniem innych wrażliwych sprzętów.
Ochrona przeciwprzepięciowa RF
Istnieje wiele metod i technologii stosowanych do ochrony obwodów RF. Techniki te mogą się nieco różnić od tych do zabezpieczania elektroniki pracującej z sygnałami DC czy o niskiej częstotliwości. To dlatego, że technologie elektroniczne służące do ochrony przed przepięciami w liniach RF muszą przepuszczać sygnały o wysokiej częstotliwości. Powszechne elektroniczne technologie ochrony przeciwprzepięciowej RF wykorzystują warystory z tlenków metali (MOV), krzemowe diody tłumiące przebicie lawinowe (SASD), rozwiązania oparte na filtrach i lampy wyładowcze.
Warystory tlenkowe (MOV)
MOV to elementy bazujące na półprzewodnikach, które są rezystorami zmiennymi o oporze zależnym od przyłożonego napięcia. Zwykle komponent taki jest umieszczany równolegle z obciążeniem lub innym, który ma być chroniony. Przy niskich napięciach MOV wykazują wysoką rezystancję. Jednak przy wysokich, mając nieliniową charakterystykę napięcia/prądu, ma znacznie niższą rezystancją pozorną dla sygnału wysokiego.
Rys.1. Wewnętrzna struktura MOV.
Rezultatem umieszczenia MOV jako bocznika dla obciążenia jest to, że przy szczycie wysokiego napięcia, MOV przechodzi w czasie mikrosekund do stanu o niskiej impedancji blisko obciążenia, na ogół zwierając niebezpieczny sygnał do masy. MOV są dwukierunkowe i mogą przenosić duże ilości energii. Elementy te są użytecznymi obwodami zabezpieczającymi, mimo że działają wolniej niż inne rozwiązania, ponieważ mogą odprowadzać prąd w dowolnym kierunku. Co może być korzystne w różnych zdarzeniach indukujących zakłócenia elektromagnetyczne lub przejściowe przepięcia, gdyż można odprowadzać prąd w przypadku tych dodatnich i ujemnych.
Diody krzemowe tłumiące przebicie lawinowe (SASD)
Diody SASD są półprzewodnikowymi urządzeniami tłumiącymi przepięcia. Elementy te mają za zadanie odprowadzić energię przepięcia, wykorzystując do tego zjawisko przebicia lawinowego, którego efektem jest nagły i gwałtowny wzrost przepływu prądu. Jeśli urządzenie SASD zostanie umieszczone jako bocznik obciążenia czy komponentu, który ma być chroniony, przepięcie spowoduje wzrost napięcia i zwarcie do masy przez element SASD. Urządzenia SASD charakteryzują się niezwykle dynamiczną reakcją w porównaniu z rezystorami MOV, co czyni je bardzo powszechnymi w szybkich aplikacjach cyfrowych, RF i DC w sprzętach sieciowych.
Dyski SASD generalnie nie są podatne na tzw. ucieczkę termiczną, podobnie jak urządzenia MOV. Mogą też działać nieprzerwanie, chyba że przekroczona zostanie ich krytyczna wartość napięcia czy prądu, co zwykle jest niższym progiem niż porównywalne urządzenia MOV. Dlatego często istnieją mechanizmy hybrydowe, które łączą w sobie zarówno MOV, jak i SASD, aby wykorzystać zalety obu elementów. MOV i SASD pozwalają na pracę z częstotliwościami RF do kilku gigaherców, przeważnie poniżej 3 GHz.
Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe (odgromnik) z lampą wyładowczą
Gazowe rury wyładowcze są na ogół zbudowane z gazu obojętnego w szczelnej komorze, w której dodatkowo znajdują się dwie elektrody. Jedna jest elektrycznie podłączona do punktu z potencjalnym wysokim napięciem przepięcia, a druga do uziemienia. Gdy na elektrodach rury wyładowczej pojawi się wystarczająco wysokie napięcie, znajdujący się w niej gaz obojętny jonizuje i staje się wysoce przewodzącym kanałem do bocznikowania ścieżki sygnału do elektroniki usytuowanej za nią zamiast do masy.
Rys.2. Lampa wyładowcza jest bardzo szybko działającym przełącznikiem, którego właściwości przewodzące zmieniają się dynamicznie. Toteż, gdy nastąpi awaria, przeradza się z obwodu otwartego w quasi-zwarciowy.
Po zdarzeniu udarowym jony dodatnie i ujemne rozproszone w rurze gazowej rekombinują, ponownie stając się nieprzewodzącymi. Dlatego lampy wyładowcze są wielozadaniową i skuteczną technologią tłumienia przepięć przejściowych, szczególnie w przypadku uderzeń pioruna. Są one również powszechnie stosowane w hybrydowych sprzętach przeciwprzepięciowych/tłumiących przepięcia obok urządzeń MOV i SASD. Mogą także być skonstruowane tak, aby umożliwić pracę z częstotliwością RF do kilku gigaherców.
Oparte na filtrach zabezpieczenie przeciwprzepięciowe
W przeciwieństwie do innych omówionych tutaj technologii ochrony i tłumienia, systemy bazujące na filtrach jako tłumiki przepięć przejściowych nie bocznikują nadmiaru energii przejściowej do uziemienia. Zamiast tego pochłaniają ją w rezystancyjnych elementach filtrujących lub odbijają ją od portu wejściowego filtra. W ten sposób tłumiki te są zgodne ze ścieżką sygnału RF, w opozycji do boczników uziemiających.
Zasadniczo tłumiki przepięć oparte na filtrach są filtrami pasmowoprzepustowymi, które zaprojektowano tak, aby przepuszczać określony zakres częstotliwości przy minimalnych stratach wtrąceniowych. Jednakże wykazują bardzo wysokie tłumienie sygnałów o częstotliwości poza tym ograniczonym pasmem.
Źródło: https://www.planetanalog.com/four-key-surge-protection-methods-for-rf-designs/
Ponieważ za elektroniką RF często znajdują się czułe obwody analogowe i cyfrowe, w pobliżu anteny lub we front-endzie RF (RFFE) urządzeń komunikacyjnych, radarowych i wykrywających, bardzo ważne jest, aby ją chronić. I zapobiegać kaskadowaniu przepięć spowodowanie uszkodzenia elektroniki, które kończy się naruszeniem innych wrażliwych sprzętów.
Ochrona przeciwprzepięciowa RF
Istnieje wiele metod i technologii stosowanych do ochrony obwodów RF. Techniki te mogą się nieco różnić od tych do zabezpieczania elektroniki pracującej z sygnałami DC czy o niskiej częstotliwości. To dlatego, że technologie elektroniczne służące do ochrony przed przepięciami w liniach RF muszą przepuszczać sygnały o wysokiej częstotliwości. Powszechne elektroniczne technologie ochrony przeciwprzepięciowej RF wykorzystują warystory z tlenków metali (MOV), krzemowe diody tłumiące przebicie lawinowe (SASD), rozwiązania oparte na filtrach i lampy wyładowcze.
Warystory tlenkowe (MOV)
MOV to elementy bazujące na półprzewodnikach, które są rezystorami zmiennymi o oporze zależnym od przyłożonego napięcia. Zwykle komponent taki jest umieszczany równolegle z obciążeniem lub innym, który ma być chroniony. Przy niskich napięciach MOV wykazują wysoką rezystancję. Jednak przy wysokich, mając nieliniową charakterystykę napięcia/prądu, ma znacznie niższą rezystancją pozorną dla sygnału wysokiego.
Rys.1. Wewnętrzna struktura MOV.
Rezultatem umieszczenia MOV jako bocznika dla obciążenia jest to, że przy szczycie wysokiego napięcia, MOV przechodzi w czasie mikrosekund do stanu o niskiej impedancji blisko obciążenia, na ogół zwierając niebezpieczny sygnał do masy. MOV są dwukierunkowe i mogą przenosić duże ilości energii. Elementy te są użytecznymi obwodami zabezpieczającymi, mimo że działają wolniej niż inne rozwiązania, ponieważ mogą odprowadzać prąd w dowolnym kierunku. Co może być korzystne w różnych zdarzeniach indukujących zakłócenia elektromagnetyczne lub przejściowe przepięcia, gdyż można odprowadzać prąd w przypadku tych dodatnich i ujemnych.
Diody krzemowe tłumiące przebicie lawinowe (SASD)
Diody SASD są półprzewodnikowymi urządzeniami tłumiącymi przepięcia. Elementy te mają za zadanie odprowadzić energię przepięcia, wykorzystując do tego zjawisko przebicia lawinowego, którego efektem jest nagły i gwałtowny wzrost przepływu prądu. Jeśli urządzenie SASD zostanie umieszczone jako bocznik obciążenia czy komponentu, który ma być chroniony, przepięcie spowoduje wzrost napięcia i zwarcie do masy przez element SASD. Urządzenia SASD charakteryzują się niezwykle dynamiczną reakcją w porównaniu z rezystorami MOV, co czyni je bardzo powszechnymi w szybkich aplikacjach cyfrowych, RF i DC w sprzętach sieciowych.
Dyski SASD generalnie nie są podatne na tzw. ucieczkę termiczną, podobnie jak urządzenia MOV. Mogą też działać nieprzerwanie, chyba że przekroczona zostanie ich krytyczna wartość napięcia czy prądu, co zwykle jest niższym progiem niż porównywalne urządzenia MOV. Dlatego często istnieją mechanizmy hybrydowe, które łączą w sobie zarówno MOV, jak i SASD, aby wykorzystać zalety obu elementów. MOV i SASD pozwalają na pracę z częstotliwościami RF do kilku gigaherców, przeważnie poniżej 3 GHz.
Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe (odgromnik) z lampą wyładowczą
Gazowe rury wyładowcze są na ogół zbudowane z gazu obojętnego w szczelnej komorze, w której dodatkowo znajdują się dwie elektrody. Jedna jest elektrycznie podłączona do punktu z potencjalnym wysokim napięciem przepięcia, a druga do uziemienia. Gdy na elektrodach rury wyładowczej pojawi się wystarczająco wysokie napięcie, znajdujący się w niej gaz obojętny jonizuje i staje się wysoce przewodzącym kanałem do bocznikowania ścieżki sygnału do elektroniki usytuowanej za nią zamiast do masy.
Rys.2. Lampa wyładowcza jest bardzo szybko działającym przełącznikiem, którego właściwości przewodzące zmieniają się dynamicznie. Toteż, gdy nastąpi awaria, przeradza się z obwodu otwartego w quasi-zwarciowy.
Po zdarzeniu udarowym jony dodatnie i ujemne rozproszone w rurze gazowej rekombinują, ponownie stając się nieprzewodzącymi. Dlatego lampy wyładowcze są wielozadaniową i skuteczną technologią tłumienia przepięć przejściowych, szczególnie w przypadku uderzeń pioruna. Są one również powszechnie stosowane w hybrydowych sprzętach przeciwprzepięciowych/tłumiących przepięcia obok urządzeń MOV i SASD. Mogą także być skonstruowane tak, aby umożliwić pracę z częstotliwością RF do kilku gigaherców.
Oparte na filtrach zabezpieczenie przeciwprzepięciowe
W przeciwieństwie do innych omówionych tutaj technologii ochrony i tłumienia, systemy bazujące na filtrach jako tłumiki przepięć przejściowych nie bocznikują nadmiaru energii przejściowej do uziemienia. Zamiast tego pochłaniają ją w rezystancyjnych elementach filtrujących lub odbijają ją od portu wejściowego filtra. W ten sposób tłumiki te są zgodne ze ścieżką sygnału RF, w opozycji do boczników uziemiających.
Zasadniczo tłumiki przepięć oparte na filtrach są filtrami pasmowoprzepustowymi, które zaprojektowano tak, aby przepuszczać określony zakres częstotliwości przy minimalnych stratach wtrąceniowych. Jednakże wykazują bardzo wysokie tłumienie sygnałów o częstotliwości poza tym ograniczonym pasmem.
Źródło: https://www.planetanalog.com/four-key-surge-protection-methods-for-rf-designs/
Fajne? Ranking DIY