Freewheeling Diode vs Surge Arrester: Complete Protection Guide

چرا بیشتر مهندسان دستگاه‌های حفاظتی را اشتباه می‌گیرند—و تاوان آن را می‌پردازند

ماه گذشته، یک مهندس اتوماسیون یک ماژول خروجی PLC از کار افتاده را برای سومین بار در شش ماه تعویض کرد. مقصر؟ نبود دیودهای هرزگرد روی سیم‌پیچ‌های رله. هزینه: 850 دلار قطعات به اضافه 12 ساعت خرابی. نکته طعنه‌آمیز؟ این تأسیسات به تازگی به ارزش 15000 دلار دستگاه حفاظت از ولتاژهای ناگهانی برای محافظت در برابر صاعقه نصب کرده بود.

این سناریو یک سوء تفاهم اساسی را آشکار می‌کند: دیودهای هرزگرد و برقگیرها جایگزین یکدیگر نیستند—آنها در برابر تهدیدهای کاملاً متفاوت در مقیاس‌های کاملاً متفاوت محافظت می‌کنند. اشتباه گرفتن آنها، یا فرض اینکه یکی جایگزین دیگری می‌شود، شکاف‌هایی را در استراتژی حفاظتی شما ایجاد می‌کند که در نهایت باعث خرابی‌های پرهزینه می‌شود.

این راهنما وضوح فنی را برای تعیین دستگاه حفاظتی مناسب برای هر موقعیت، حذف اشتباهات پرهزینه و درک اینکه چرا سیستم‌های طراحی شده مناسب به هر دو فناوری نیاز دارند تا با هم کار کنند، ارائه می‌دهد.

درک دیودهای هرزگرد (دیودهای فلای‌بک/اسنابر)

دیود هرزگرد چیست؟

دیود هرزگرد—که دیود فلای‌بک، اسنابر، سرکوب‌گر، گیره یا کموتاسیون نیز نامیده می‌شود—یک دستگاه نیمه‌رسانا است که در سراسر بارهای القایی متصل می‌شود تا ولتاژهای ناگهانی تولید شده در هنگام سوئیچینگ را سرکوب کند. هدف اصلی: محافظت از سوئیچ‌ها (ترانزیستورها، ماسفت‌ها، IGBTها، کنتاکت‌های رله، خروجی‌های PLC) در برابر نیروی ضد محرکه (نیروی الکتروموتوری) مخرب تولید شده هنگامی که جریان از طریق یک سلف به طور ناگهانی تغییر می‌کند.

مشکل ولتاژ ناگهانی: هنگامی که جریان از طریق یک سلف (سیم‌پیچ رله، سلونوئید، سیم‌پیچ موتور) قطع می‌شود، قانون لنز حکم می‌کند که میدان مغناطیسی فرو می‌ریزد و یک ولتاژ ناگهانی القا می‌کند که سعی در حفظ جریان دارد. این ولتاژ ناگهانی از معادله V = -L(di/dt) پیروی می‌کند، که در آن L اندوکتانس و di/dt نشان‌دهنده نرخ تغییر جریان است. با سرعت‌های سوئیچینگ معمولی، این ولتاژ می‌تواند به 10 برابر ولتاژ تغذیه یا بالاتر برسد—و یک مدار 24 ولت را به یک خطر 300 ولت+ تبدیل کند که سوئیچ‌های نیمه‌رسانا را فوراً از بین می‌برد.

دیودهای هرزگرد چگونه کار می‌کنند

دیود هرزگرد به صورت موازی با بار القایی، پلاریته معکوس نسبت به منبع تغذیه. متصل می‌شود. این قرارگیری ساده یک مکانیسم حفاظتی ایجاد می‌کند:

در طول عملکرد عادی: دیود به صورت معکوس بایاس می‌شود (آند منفی‌تر از کاتد)، بنابراین امپدانس بالایی را نشان می‌دهد و هدایت نمی‌کند. جریان به طور معمول از طریق بار القایی از منبع تغذیه از طریق سوئیچ بسته جریان می‌یابد.

هنگامی که سوئیچ باز می‌شود: سلف سعی می‌کند جریان را حفظ کند، اما با باز بودن سوئیچ، هیچ مسیری از طریق منبع تغذیه وجود ندارد. پلاریته ولتاژ سلف معکوس می‌شود (انتهایی که مثبت بود منفی می‌شود)، که دیود هرزگرد را به صورت مستقیم بایاس می‌کند. دیود بلافاصله شروع به هدایت می‌کند و یک حلقه بسته ایجاد می‌کند: سلف → دیود → بازگشت به سلف.

اتلاف انرژی: انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سلف (E = ½LI²) به صورت گرما در مقاومت DC سلف و افت ولتاژ مستقیم دیود تلف می‌شود. جریان به صورت نمایی با ثابت زمانی τ = L/R کاهش می‌یابد، که در آن R مقاومت کل حلقه است. ولتاژ در سراسر سوئیچ تقریباً به ولتاژ تغذیه + افت ولتاژ مستقیم دیود (0.7-1.5 ولت)محدود می‌شود—که برای همه سوئیچ‌های استاندارد ایمن است.

مشخصات فنی

• زمان پاسخگویی: نانوثانیه (به طور معمول <50ns for standard silicon, <10ns for Schottky)
• تحمل ولتاژ: به طور معمول <100V DC circuits (though PIV ratings can be 400V-1000V)
• تحمل جریان: رتبه‌بندی‌های پیوسته از 1 آمپر تا 50 آمپر+؛ رتبه‌بندی‌های ولتاژ ناگهانی گذرا 20 آمپر - 200 آمپر (برای موج نیمه سینوسی 8.3 میلی‌ثانیه)
• افت ولتاژ مستقیم: 0.7-1.5 ولت (پیوند PN سیلیکونی)، 0.15-0.45 ولت (سد شاتکی)
• انواع رایج:
  • سیلیکون استاندارد (سری 1N4001-1N4007): مصارف عمومی، رتبه‌بندی‌های PIV 50 ولت - 1000 ولت، 1 آمپر پیوسته
  • دیودهای شاتکی: بازیابی سریع (<10ns), low forward drop (0.2V), preferred for PWM circuits >10 کیلوهرتز
  • دیودهای بازیابی سریع: بهینه‌سازی شده برای کاربردهای سوئیچینگ سخت، زمان‌های بازیابی <100ns

کاربردهای معمولی: درایورهای سیم‌پیچ رله، کنترل شیر برقی، درایوهای PWM موتور DC، انژکتورهای سوخت خودرو، مدارهای کنتاکتور، محرک‌های HVAC، ماژول‌های ورودی/خروجی آردوینو/میکروکنترلر.

معیارهای انتخاب

1. ظرفیت جریان مستقیم پیک: باید تخلیه انرژی ذخیره شده سلف را تحمل کند. جریان گذرا پیک را تقریباً به صورت I_peak ≈ V_supply / R_coil محاسبه کنید، سپس دیودی را انتخاب کنید که برای 2-3 برابر این مقدار رتبه‌بندی شده باشد تا حاشیه ایمنی فراهم شود.
2. ولتاژ شکست معکوس (PIV): باید از حداکثر ولتاژی که می‌تواند در سراسر دیود ظاهر شود، بیشتر باشد. رویه محافظه‌کارانه: PIV ≥ 10 × ولتاژ تغذیه. برای مدارهای 24 ولت، از دیود با رتبه ≥400 ولت (1N4004 یا بالاتر) استفاده کنید.
3. افت ولتاژ مستقیم: هرچه کمتر باشد بهتر است تا اتلاف توان در طول هرزگردی به حداقل برسد. دیودهای شاتکی (Vf ≈ 0.2 ولت) 1/3 توان سیلیکون استاندارد (Vf ≈ 0.7 ولت) را برای جریان معادل تلف می‌کنند.
4. زمان بازیابی: برای سوئیچینگ با فرکانس بالا (PWM > 10 کیلوهرتز)، از دیودهای شاتکی یا بازیابی سریع استفاده کنید. دیودهای یکسوساز استاندارد ممکن است زمان‌های بازیابی > 1μs داشته باشند که باعث تلفات سوئیچینگ در مدارهای سریع می‌شود.

درک برقگیرها (SPD/MOV/GDT)

برقگیر چیست؟

برقگیر—که به طور رسمی دستگاه حفاظت از ولتاژهای ناگهانی (SPD) یا سرکوب‌گر ولتاژهای ناگهانی گذرا (TVSS) نامیده می‌شود—از کل سیستم‌های الکتریکی در برابر ولتاژهای ناگهانی پرانرژی خارجی محافظت می‌کند. برخلاف حفاظت در سطح قطعه دیودهای هرزگرد، برقگیرها در برابر تهدیدهای سطح سیستم که از طریق خطوط توزیع برق وارد می‌شوند، دفاع می‌کنند.

منابع اصلی ولتاژهای ناگهانی خارجی:

• صاعقه: برخورد مستقیم به خطوط هوایی یا برخورد نزدیک به زمین که به سیم‌کشی متصل می‌شود (جریان‌های ضربه‌ای 20 کیلوآمپر - 200 کیلوآمپر)
• عملیات سوئیچینگ شبکه: سوئیچینگ بانک خازنی تأسیسات، انرژی‌دهی ترانسفورماتور، رفع خطا (ولتاژهای ناگهانی 2 کیلوولت - 6 کیلوولت)
• راه‌اندازی موتور: جریان هجومی موتور بزرگ باعث افت ولتاژ و ولتاژهای ناگهانی بازیابی می‌شود
• عملیات بانک خازنی: سوئیچینگ خازن‌های اصلاح ضریب توان، ولتاژهای ناگهانی با فرکانس بالا تولید می‌کند

برقگیرها چگونه کار می‌کنند

برقگیرها از قطعات محدودکننده ولتاژ استفاده می‌کنند که هنگام تجاوز ولتاژ از یک آستانه، از امپدانس بالا به امپدانس پایین تغییر می‌کنند و مسیری به زمین ایجاد می‌کنند که جریان ناگهانی را از تجهیزات محافظت شده منحرف می‌کند.

مکانیزم وریستور اکسید فلزی (MOV): MOV از سرامیک اکسید روی تشکیل شده است که بین دو الکترود فلزی به صورت دیسک یا بلوک فشرده شده است. در ولتاژ کاری عادی، MOV مقاومت بسیار بالایی (>1MΩ) از خود نشان می دهد و فقط میکروآمپرهایی جریان نشتی می کشد. هنگامی که ولتاژ به ولتاژ وریستور (Vn) می رسد، مرزهای دانه بین کریستال های ZnO شکسته می شوند و مقاومت به شدت کاهش می یابد. <1Ω, and the MOV conducts surge current to ground. After the transient passes, the MOV automatically returns to high-impedance state.

مکانیزم لوله تخلیه گاز (GDT): GDT شامل دو یا سه الکترود است که توسط شکاف های کوچک از هم جدا شده اند (<0.1mm) inside a sealed ceramic or glass tube filled with inert gas (argon, neon, or mixtures). At normal voltage, the gas is non-conductive and the GDT presents open-circuit impedance. When applied voltage reaches the spark-over voltage (Vs), the gas ionizes (creating a plasma), impedance drops dramatically, and the GDT conducts surge current through the ionized gas path. After current falls below the holding current threshold, the gas de-ionizes and the GDT returns to its insulating state.

ولتاژ کلمپینگ (Clamping voltage): ولتاژی که در طول یک رویداد موجی (surge event) در تجهیزات محافظت شده ظاهر می شود، “ولتاژ عبوری” یا “رتبه بندی حفاظت ولتاژ” (Vr) نامیده می شود. مقادیر Vr پایین تر، حفاظت بهتری را ارائه می دهند. SPDs (دستگاه های حفاظت در برابر ولتاژهای ناگهانی) با ولتاژی که در سطوح جریان موجی خاص (به طور معمول در 5kA یا 10kA، شکل موج 8/20μs آزمایش می شود) کلمپ می کنند، مشخص می شوند.

مشخصات فنی

• زمان پاسخگویی:
  • MOV: <25 nanoseconds (component level). توجه: در حالی که این قطعه فوراً پاسخ می دهد، طول سیم نصب، اندوکتانسی را اضافه می کند که به طور قابل توجهی بر زمان پاسخ سیستم و ولتاژ عبوری تأثیر می گذارد. نصب صحیح با امپدانس پایین بسیار مهم است.
  • GDT: 100 نانوثانیه تا 1 میکروثانیه (به دلیل تاخیر یونیزاسیون گاز کندتر است)
  • هیبریدی (MOV+GDT): <25ns initial response (MOV), sustained conduction via GDT
• تحمل ولتاژ: سیستم های 120 ولت AC تا 1000 ولت DC (ولتاژ کاری مداوم Un)
• تحمل جریان: جریان تخلیه نامی (In) 5kA-20kA، حداکثر جریان تخلیه (Imax) 20kA-100kA (شکل موج 8/20μs مطابق با IEC 61643-11)
• جذب انرژی: MOVs بر حسب ژول (J) رتبه بندی می شوند. SPDs پانل معمولی: 200J-1000J در هر فاز
• طبقه بندی (UL 1449 / IEC 61643-11):
  • نوع 1 (کلاس I): ورودی سرویس، آزمایش شده با شکل موج 10/350μs (شبیه سازی صاعقه مستقیم)، رتبه 25kA-100kA
  • نوع 2 (کلاس II): پانل های توزیع، آزمایش شده با شکل موج 8/20μs (صاعقه غیر مستقیم/گذراهای سوئیچینگ)، رتبه 5kA-40kA
  • نوع 3 (کلاس III): نقطه استفاده در نزدیکی بارهای حساس، رتبه 3kA-10kA
• انطباق با استانداردها: UL 1449 Ed.4 (آمریکای شمالی)، IEC 61643-11 (بین المللی)، IEEE C62.41 (مشخصه یابی محیط موجی)

مقایسه فناوری MOV در مقابل GDT

ویژگی	Metal Oxide Varistor (MOV)	لوله تخلیه گاز (GDT)	هیبریدی (MOV+GDT)
زمان پاسخ	<25ns (very fast)	100ns-1μs (کندتر)	<25ns (MOV dominates initial response)
ولتاژ بستن	متوسط (1.5-2.5× Un)	کم (1.3-1.8× Un) پس از یونیزاسیون	به دلیل عملکرد هماهنگ، به طور کلی کم است
ظرفیت فعلی	بالا (20kA-100kA برای پالس های کوتاه)	بسیار بالا (40kA-100kA پایدار)	بالاترین (MOV لبه سریع را کنترل می کند، GDT انرژی را کنترل می کند)
جذب انرژی	محدود شده توسط جرم حرارتی، با گذشت زمان تخریب می شود	عالی، عملاً نامحدود برای جریان نامی	عالی، MOV توسط GDT محافظت می شود
جریان نشتی	10-100μA (با افزایش سن افزایش می یابد)	<1pA (essentially zero)	<10μA (GDT isolates MOV at normal voltage)
Capacitance	بالا (500pF-5000pF)	بسیار کم (<2pF)	کم (GDT به صورت سری ظرفیت خازنی موثر را کاهش می دهد)
Failure Mode	می تواند اتصال کوتاه یا باز شود. نیاز به قطع حرارتی دارد	به طور معمول اتصال کوتاه می شود (ولتاژ جرقه زنی کاهش می یابد)	قطع حرارتی MOV از خطر آتش سوزی جلوگیری می کند
طول عمر	با تعداد موج ها و تنش اضافه ولتاژ تخریب می شود	عملاً نامحدود (دارای رتبه 1000+ عملیات)	طولانی (GDT تنش MOV را کاهش می دهد)
هزینه	کم ($5-$20)	متوسط ($10-$30)	بالاتر ($25-$75)
بهترین برنامه‌ها	مدارهای عمومی AC/DC، انرژی های تجدیدپذیر، پانل های صنعتی	مخابرات، خطوط داده، تجهیزات دقیق (ظرفیت خازنی کم بسیار مهم است)	کاربردهای حیاتی که نیاز به حداکثر حفاظت و طول عمر دارند

مقایسه جانبی: دیود هرزگرد در مقابل برقگیر

ویژگی	دیود هرزگرد	برقگیر (SPD)
هدف اصلی	سرکوب پس زنی القایی از بارهای محلی	محافظت از سیستم ها در برابر موج های پرانرژی خارجی
منشاء موج	خود القایی (بار القایی خود مدار)	خارجی (صاعقه، گذراهای شبکه)
مقیاس حفاظت	سطح قطعه (تک سوئیچ/ترانزیستور)	سطح سیستم (کل پانل برق)
محدوده ولتاژ	<100V typically	صدها تا هزاران ولت
ظرفیت فعلی	آمپر (گذرا: 20A-200A)	کیلوآمپر (5kA-40kA+)
زمان پاسخ	نانوثانیه (<50ns)	نانوثانیه (MOV) به میکروثانیه (GDT)
فناوری	پیوند PN ساده یا دیود شاتکی	MOV، GDT یا اجزای هیبریدی مبتنی بر سرامیک
Energy Handling	میلی ژول به ژول	صدها تا هزاران ژول
اتصال	موازی در سراسر بار القایی	موازی در سراسر خطوط برق (خط به زمین، خط به خط)
تخریب	حداقل (مگر اینکه از مقدار نامی PIV فراتر رود)	MOV با افزایش مکرر تخریب می‌شود. GDT عمر طولانی دارد.
هزینه	$0.05-$2 در هر جزء	$15-$200+ در هر دستگاه SPD
استانداردها	مشخصات کلی دیود (JEDEC، MIL-STD)	UL 1449، IEC 61643، IEEE C62.41
برنامه های کاربردی معمولی	درایورهای رله، کنترل موتور، سلونوئیدها	ورودی‌های سرویس، تابلوهای توزیع، تجهیزات حساس
محل نصب	مستقیماً در ترمینال‌های بار القایی	سرویس اصلی، تابلوهای توزیع، تابلوهای فرعی
پیامدهای خرابی	خروجی سوئیچ/PLC آسیب دیده ($50-$500)	تجهیزات/کل سیستم نابود شده ($1000s-$100,000s)
مقدار مورد نیاز	یک عدد در هر بار القایی (می‌تواند 100 عدد در هر تأسیسات باشد)	3-12 عدد در هر تأسیسات (آبشاری هماهنگ)

چه زمانی از هر دستگاه حفاظتی استفاده کنیم

کاربردهای دیود هرزگرد

سناریوهای حفاظت در سطح قطعه:

• ماژول‌های خروجی PLC: هنگام سینک/سورس کردن جریان برای درایو کویل‌های رله، کنتاکتورها یا شیرهای برقی. از خروجی‌های ترانزیستور در برابر اسپایک‌های 300 ولت+ که مدارهای خروجی را از بین می‌برند، محافظت می‌کند.
• مدارهای کنترل کنتاکتور: کویل‌های DC در استارترهای موتور، کنتاکتورهای HVAC، ماشین‌آلات صنعتی. هنگام طراحی تابلوهای کنترل با کنتاکتورها، سرکوب مناسب ولتاژهای ناگهانی از خرابی کارت خروجی جلوگیری می‌کند—درباره انتخاب و حفاظت کنتاکتور بیشتر بیاموزید.
• درایوهای PWM موتور DC: مدارهای H-bridge که سیم‌پیچ‌های موتور القایی را در فرکانس‌های کیلوهرتز سوئیچ می‌کنند. دیودهای شاتکی به دلیل Vf پایین و بازیابی سریع ترجیح داده می‌شوند.
• سیستم‌های خودرو: درایورهای انژکتور سوخت، درایورهای کویل احتراق، کنترل فن خنک‌کننده، موتورهای شیشه بالابر برقی—هر بار القایی 12 ولت/24 ولت.
• ماژول‌های رله آردوینو/میکروکنترلر: از پین‌های GPIO (که معمولاً فقط برای ±0.5 ولت فراتر از ریل‌های تغذیه رتبه‌بندی می‌شوند) هنگام درایو کویل‌های رله محافظت می‌کند.
• کنترل‌های HVAC: عملگرهای دمپر منطقه‌ای، شیرهای معکوس‌کننده، کنتاکتورهای کمپرسور در کنترل آب و هوای مسکونی/تجاری.

برای راهنمایی بیشتر در مورد خرابی‌های حفاظت از کویل، بررسی کنید عیب‌یابی کنتاکتور و استراتژی‌های حفاظت.

کاربردهای برقگیر

سناریوهای حفاظت در سطح سیستم:

• ورودی سرویس برق اصلی (SPD نوع 1): اولین خط دفاعی در برابر صاعقه‌های مستقیم/نزدیک. جریان‌های ضربه‌ای 40kA-100kA را تحمل می‌کند. درک مناسب مکان‌های نصب SPD در تابلوهای برق حفاظت موثر را تضمین می‌کند.
• تابلوهای توزیع و تابلوهای فرعی (SPD نوع 2): حفاظت ثانویه در برابر ولتاژهای ناگهانی باقیمانده که از طریق دستگاه‌های نوع 1 عبور می‌کنند به علاوه گذراهای سوئیچینگ تولید شده به صورت محلی. دنبال کردن الزامات نصب SPD و انطباق با کد برای انطباق با NEC/IEC.
• سیستم‌های خورشیدی PV: SPDهای جعبه ترکیب‌کننده از اینورترها در برابر ولتاژهای ناگهانی ناشی از صاعقه در تاسیسات در معرض دید روی پشت بام/زمین محافظت می‌کنند. راهنمایی تخصصی در دسترس است راهنمای انتخاب SPD سیستم خورشیدی.
• مراکز کنترل موتور صنعتی (MCC): از VFDها، استارترهای نرم و تجهیزات کنترل در برابر گذراهای شبکه و سوئیچینگ موتورهای بزرگ محافظت می‌کند.
• مراکز داده: حفاظت از تجهیزات حیاتی که نیاز به آبشار SPD هماهنگ (نوع 1 + نوع 2 + نوع 3) با ولتاژ عبوری کم دارد.
• تجهیزات مخابراتی: SPDهای مبتنی بر GDT با ظرفیت خازنی کم روی خطوط داده حساس برای جلوگیری از اعوجاج سیگنال.

برای راهنمایی جامع در مورد مشخصات SPD، به راهنمای خرید نهایی SPD برای توزیع‌کنندگان مراجعه کنید و درک کنید مبانی دستگاه حفاظت از ولتاژهای ناگهانی (SPD).

اشتباهات رایج و تصورات غلط

اشتباه 1: استفاده از دیود هرزگرد برای حفاظت در برابر صاعقه

خطا: تعیین یک دیود هرزگرد (1N4007، دارای جریان نامی 1 آمپر پیوسته، 30 آمپر جریان ناگهانی) در ورودی سرویس برای محافظت در برابر صاعقه.

چرا این کار جواب نمی دهد: جریان های ضربه ای ناشی از صاعقه به 20kA-200kA با زمان صعود می رسند <10μs. A standard diode rated for 30A (8.3ms duration) vaporizes instantly when exposed to kiloamp currents. The diode fails in short-circuit mode, creating a direct fault to ground that trips the main breaker or causes fire.

رویکرد صحیح: همیشه از SPD های دارای لیست UL 1449 که برای ولتاژهای ناگهانی خارجی رتبه بندی شده اند استفاده کنید. SPD های نوع 1 در ورودی سرویس باید شکل موج های 10/350μs (شبیه سازی صاعقه مستقیم) را با رتبه های 25kA-100kA تحمل کنند.

اشتباه 2: حذف دیودهای هرزگرد روی سیم پیچ های رله

توجیه: “این رله به مدت سه سال بدون دیود هرزگرد به خوبی کار کرده است، بنابراین ما به آن نیازی نداریم.”

واقعیت پنهان: رله کار می کند تا زمانی که خروجی PLC از کار بیفتد. اسپایک های پس زنی القایی 300V-500V به تدریج به محل اتصال ترانزیستور خروجی فشار وارد می کنند و باعث تخریب پارامتری می شوند. پس از صدها چرخه سوئیچینگ، ترانزیستور از کار می افتد (اغلب به صورت “قفل شده” یا “ناتوان در سوئیچ کردن” ظاهر می شود). تعویض ماژول خروجی PLC هزینه ای بین 200 تا 500 واحد پولی به اضافه زمان عیب یابی و خرابی سیستم دارد.

با اعداد: هزینه دیود 1N4007، 0.10 واحد پولی است. هزینه ماژول خروجی PLC، 250 واحد پولی است. بازگشت سرمایه جلوگیری از خرابی: 2500:1.

راهنمایی های اضافی در مورد جلوگیری از خرابی های مربوط به سیم پیچ: راهنمای عیب یابی کنتاکتور.

اشتباه 3: انتخاب نوع SPD اشتباه

سناریو A - نوع 3 در ورودی سرویس: نصب یک SPD نقطه استفاده با رتبه 3kA در تابلوی اصلی، با این فرض که “هر محافظ ولتاژ ناگهانی کار خواهد کرد.”

چرا این کار جواب نمی دهد: SPD های نوع 3 برای ولتاژهای ناگهانی باقیمانده پس از اینکه حفاظت بالادستی بیشتر انرژی ناگهانی را محدود کرده است، طراحی شده اند. یک دستگاه 3kA که در معرض یک ولتاژ ناگهانی 40kA ناشی از صاعقه قرار می گیرد، خارج از محدوده طراحی خود عمل می کند، بلافاصله از کار می افتد (اغلب در حالت اتصال کوتاه) و هیچ محافظتی ارائه نمی دهد.

سناریو B - عدم هماهنگی: نصب SPD های نوع 1 و نوع 2 با طول کابل ناکافی بین مراحل (به عنوان مثال، 2 متر به جای 10+ متر مورد نیاز). هر دو SPD سعی می کنند به طور همزمان عمل کنند، که باعث تقسیم جریان کنترل نشده و خرابی احتمالی دستگاه با پاسخ سریعتر می شود.

رویکرد صحیح: دنبال کردن استراتژی های ماتریس تریاژ استقرار SPD و استفاده مناسب از دستورالعمل های تعیین اندازه رتبه kA SPD. با پیاده سازی از اشتباهات رایج اجتناب کنید بهترین شیوه های نصب SPD.

اشتباه 4: نادیده گرفتن تخریب SPD

فرض: “ما پنج سال پیش SPD نصب کردیم، بنابراین محافظت می شویم.”

واقعیت: SPD های مبتنی بر MOV با هر رویداد ولتاژ ناگهانی تخریب می شوند. هر بار که MOV یک اسپایک ولتاژ را محدود می کند، تغییرات ریزساختاری در سرامیک اکسید روی رخ می دهد. پس از 10-50 رویداد ولتاژ ناگهانی قابل توجه (بسته به سطح انرژی)، ولتاژ محدود کننده MOV افزایش می یابد و ظرفیت جذب انرژی آن کاهش می یابد. در نهایت، MOV از کار می افتد - یا اتصال کوتاه (باعث قطع شدن مزاحم کلیدهای مدار می شود) یا مدار باز (هیچ محافظتی ارائه نمی دهد).

علائم هشدار دهنده:

• افزایش جریان نشتی (قابل اندازه گیری با آمپرمتر چنگکی: نرمال <0.5mA, degraded >5mA)
• تغییر وضعیت نشانگر LED از سبز به زرد یا قرمز
• شواهد فیزیکی: ترک خوردگی بدنه، علائم سوختگی، صداهای وزوز، گرما در حین کارکرد عادی

برنامه نگهداری: SPD های نوع 2 را سالانه در مناطق مستعد صاعقه و هر 2-3 سال یکبار در مناطق معتدل بازرسی کنید. SPD های مبتنی بر MOV را پس از رویدادهای ولتاژ ناگهانی بزرگ (صاعقه های تایید شده، خطاهای تاسیساتی در نزدیکی) تعویض کنید. درباره طول عمر SPD و مکانیسم های پیری MOV برای برنامه ریزی چرخه های جایگزینی اطلاعات کسب کنید.

استراتژی حفاظت مکمل: چرا به هر دو نیاز دارید

اصل اساسی: دیودهای هرزگرد و برقگیرها جایگزین یکدیگر نیستند - آنها در برابر تهدیدهای مختلف در مقیاس های مختلف محافظت می کنند و باید در سیستم های طراحی شده به درستی با هم کار کنند.

شکاف حفاظتی

بدون دیودهای هرزگرد: تاسیسات شما دارای 20000 واحد پولی SPD های نوع 1 و نوع 2 است که در برابر ولتاژهای ناگهانی خارجی محافظت می کنند. هنگامی که یک خروجی PLC یک سیم پیچ رله 24 ولت را خاموش می کند، اسپایک القایی 400 ولت ترانزیستور خروجی PLC را از بین می برد. SPD ها هیچ کاری انجام نمی دهند - آنها برای ولتاژهای ناگهانی کیلوولت و کیلوآمپر در سطح شبکه طراحی شده اند، نه برای اسپایک های موضعی در سطح قطعه. هزینه: 350 واحد پولی ماژول PLC + 4 ساعت خرابی.

بدون SPD: هر سیم پیچ رله دارای یک دیود هرزگرد است که کاملاً از خروجی های PLC در برابر پس زنی القایی محافظت می کند. برخورد صاعقه در فاصله 200 متری باعث ایجاد یک ولتاژ ناگهانی 4 کیلوولت در ورودی سرویس تاسیسات می شود. دیودها، که دارای رتبه <100V, vaporize along with the power supplies, PLCs, VFDs, and control electronics connected to the unprotected panel. Cost: $50,000+ equipment replacement + weeks of downtime.

مثال حفاظت کامل: تابلوی کنترل صنعتی

یک تابلوی کنترل صنعتی با حفاظت مناسب با استارترهای موتور، PLC و HMI شامل موارد زیر است:

حفاظت در سطح سیستم (برقگیرها):

• SPD نوع 2 (40kA، 275V) در فیدرهای ورودی تابلوی اصلی، متصل به خط به زمین در هر فاز
• اتصال به زمین مناسب با شینه زمین متصل به فولاد سازه ساختمان
• اندازه مناسب هادی (حداقل 6 AWG برای اتصالات زمین SPD)

حفاظت در سطح قطعه (دیودهای هرزگرد):

• دیودهای 1N4007 در سراسر هر سیم پیچ رله که توسط خروجی های PLC کنترل می شود
• دیودهای بازیابی سریع (یا شاتکی) در سراسر سیم پیچ های شیر برقی در کاربردهای با نرخ چرخه بالا
• اسنابرهای RC یا سرکوبگرهای MOV روی سیم پیچ های کنتاکتور AC (به طور متناوب، دیودهای TVS دو طرفه برای کاربردهای AC)

این رویکرد دو لایه به هر دو دسته تهدید می پردازد. برای معماری جامع حفاظت الکتریکی، روابط بین اتصال به زمین، GFCI و حفاظت از ولتاژهای ناگهانی را درک کنید. فناوری های حفاظتی مرتبط را مقایسه کنید: قطعات MOV در مقابل GDT در مقابل TVS و روشن کنید اصطلاحات برقگیر در مقابل صاعقه گیر.

راهنمای انتخاب برای مهندسان

ماتریس تصمیم‌گیری سریع

دیود هرزگرد را انتخاب کنید، هنگامی که:

• محافظت از ترانزیستورها، رله‌ها، IGBTها یا سوئیچ‌های مکانیکی در برابر پس‌زدگی القایی
• بار یک سیم‌پیچ رله، سلونوئید، سیم‌پیچ موتور یا اولیه ترانسفورماتور باشد
• پیک ولتاژ از عمل سوئیچینگ خود مدار ناشی شود (خود القایی)
• ولتاژ عملیاتی <100V DC
• بودجه اجازه $0.05-$2 به ازای هر نقطه حفاظت را بدهد
• کاربرد به صدها نقطه حفاظت نیاز داشته باشد (یک عدد برای هر بار القایی)

برقگیر را انتخاب کنید، هنگامی که:

• محافظت در برابر امواج خارجی (صاعقه، سوئیچینگ تاسیسات، گذراهای ناشی از راه‌اندازی موتور)
• محافظت از کل تابلوهای برق، اتاق‌های تجهیزات یا سیستم‌ها
• ولتاژ کاری >50 ولت AC یا >100 ولت DC باشد
• انرژی موج از 100 ژول تجاوز کند
• انطباق با UL 1449، IEC 61643 یا NEC Article 285 مورد نیاز باشد
• کاربرد به 1 تا 12 دستگاه در هر تاسیسات نیاز داشته باشد (آبشاری هماهنگ)

توصیه‌های محصول VIOX

VIOX Electric راه حل‌های کامل حفاظت از موج را برای کاربردهای صنعتی، تجاری و انرژی‌های تجدیدپذیر ارائه می‌دهد:

مجموعه محصولات SPD:

• SPDهای نوع 1 (کلاس I): حفاظت از ورودی سرویس، تست شده با شکل موج 10/350μs، رتبه‌بندی 40kA-100kA، مناسب برای قرار گرفتن مستقیم در معرض صاعقه
• SPDهای نوع 2 (کلاس II): حفاظت از تابلوی توزیع، تست شده با شکل موج 8/20μs، رتبه‌بندی 5kA-40kA، پیکربندی‌های DIN-rail ماژولار یا نصب روی پانل
• SPDهای نوع 3 (کلاس III): حفاظت از نقطه استفاده در نزدیکی تجهیزات حساس، رتبه‌بندی 3kA-10kA، فرمت‌های پلاگین موجود است
• فناوری هیبریدی MOV+GDT: طول عمر بیشتر، تحمل انرژی برتر، ولتاژ عبوری کم، کاهش تخریب در مقایسه با طرح‌های فقط MOV

محدوده‌های ولتاژ: سیستم‌های 120V-1000V AC/DC

گواهینامه‌ها: UL 1449 Ed.4، IEC 61643-11، دارای علامت CE، مناسب برای نصب‌های مطابق با NEC

ویژگی‌ها:

• نشانگرهای وضعیت بصری (سبز = عملیاتی، قرمز = تعویض)
• قطع حرارتی از خطر آتش‌سوزی در صورت گرم شدن بیش از حد MOV جلوگیری می‌کند
• کنتاکت‌های آلارم از راه دور برای ادغام با سیستم‌های مانیتورینگ ساختمان
• رتبه‌بندی محفظه IP20-IP65 بسته به کاربرد

مرور کامل کاتالوگ محصول VIOX SPD برای مشخصات فنی و راهنمای کاربرد. برای برنامه‌ریزی استراتژیک استقرار، بررسی کنید ماتریس تریاژ استقرار SPD ما و روش اندازه‌گیری رتبه‌بندی kA SPD.

سوالات متداول

س: آیا می‌توانم به جای برقگیر از دیود هرزگرد برای صرفه‌جویی در هزینه استفاده کنم؟

پاسخ: مطلقا نه. دیودهای هرزگرد برای آمپر در ولتاژ پایین رتبه‌بندی شده‌اند (<100V) and cannot survive kiloamp lightning currents or kilovolt grid transients. A 1N4007 diode rated for 30A surge current (8.3ms duration) vaporizes instantly when exposed to a 20kA lightning impulse (<10μs rise time). Using a $0.50 diode where a $50 SPD is required results in catastrophic failure, potential fire hazard, and zero protection for downstream equipment. The 100:1 cost difference reflects entirely different protection scales and capabilities.

س: آیا در تابلوی کنترل خود به دیودهای هرزگرد و برقگیر نیاز دارم؟

پاسخ: بله، تقریباً در تمام کاربردهای صنعتی و تجاری. آنها عملکردهای مکمل و غیر همپوشانی دارند:

• دیودهای هرزگرد محافظت از اجزای منفرد (خروجی‌های PLC، ترانزیستورها، IGBTها) در برابر پس‌زدگی القایی موضعی (خود تولید شده،, <100V, amps) when switching relay coils or motor windings
• برقگیرها محافظت از کل پانل در برابر گذراهای خارجی (صاعقه، سوئیچینگ شبکه، کیلوولت، کیلوآمپر) که از طریق خطوط توزیع برق وارد می‌شوند

حتی با حفاظت کامل SPD در برابر امواج خارجی، حذف دیودهای هرزگرد خروجی‌های PLC شما را در برابر پیک‌های 300 ولت+ از سیم‌پیچ‌های رله آسیب‌پذیر می‌کند. برعکس، حتی با وجود دیودها روی هر رله، حذف SPDها کل پانل را در برابر امواج ناشی از صاعقه که منابع تغذیه، درایوها و الکترونیک کنترل را از بین می‌برند، آسیب‌پذیر می‌کند.

س: اگر دیود هرزگرد را روی سیم‌پیچ رله حذف کنم چه اتفاقی می‌افتد؟

پاسخ: هنگامی که سیم‌پیچ رله غیرفعال می‌شود، میدان مغناطیسی در حال فروپاشی، نیروی ضد محرکه (back-EMF) را مطابق با V = -L(di/dt) تولید می‌کند. برای یک رله 24 ولت معمولی با اندوکتانس 100 میلی‌هنری و جریان ثابت 480 میلی‌آمپر، باز کردن سوئیچ در 10μs یک پیک -480 ولت تولید می‌کند. این پیک:

• سوئیچ‌های نیمه‌هادی را از بین می‌برد (ترانزیستورها، ماسفت‌ها، IGBTها از ولتاژ شکست فراتر می‌روند و باعث خرابی پیوند می‌شوند)
• به کارت‌های خروجی PLC آسیب می‌رساند (هزینه جایگزینی $200-$500)
• باعث ایجاد قوس در کنتاکت‌های مکانیکی می‌شود (سایش تسریع شده، جوش خوردن کنتاکت)
• تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند (EMI) که بر مدارهای مجاور و ارتباطات تأثیر می‌گذارد

هزینه دیود $0.10 است و از همه این خرابی‌ها جلوگیری می‌کند. هزینه جایگزینی یک ماژول خروجی PLC: $250+ به علاوه زمان عیب‌یابی و خرابی سیستم. بازگشت سرمایه: 2500:1.

س: چگونه بفهمم که برقگیر من تخریب شده و نیاز به تعویض دارد؟

پاسخ: SPDهای مبتنی بر MOV با هر رویداد موج به تدریج تخریب می‌شوند. روش‌های نظارت:

نشانگرهای بصری: اکثر SPDهای با کیفیت شامل چراغ‌های وضعیت LED هستند. سبز = عملیاتی، زرد = ظرفیت کاهش یافته، قرمز = خراب/تعویض فوری. وضعیت نشانگر را به صورت فصلی بررسی کنید.

آزمایش‌های الکتریکی: جریان نشتی را با آمپرمتر کلمپی روی هادی زمین SPD اندازه‌گیری کنید. نرمال: <0.5mA. Degraded: 5-20mA. Failed: >50 میلی‌آمپر یا قرائت‌های نامنظم.

بازرسی فیزیکی: به دنبال ترک خوردگی، علائم سوختگی، تغییر رنگ یا برآمدگی در بدنه باشید. در حین کارکرد عادی به صدای وزوز/زمزمه گوش دهید (نشان دهنده استرس MOV است). گرمای بیش از حد را احساس کنید (دمای بدنه >50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای محیط نشان دهنده مشکل است).

برنامه نگهداری:

• مناطق مستعد صاعقه: سالانه بازرسی کنید
• بررسی متوسط: هر 2-3 سال یکبار بازرسی شود
• پس از رویدادهای مهم: بلافاصله پس از تایید برخورد صاعقه یا خطاهای شبکه در فاصله 1 کیلومتری، بازرسی شود

SPDs پیشرفته شامل کنتاکت های مانیتورینگ از راه دور هستند که هنگام نیاز به تعویض، به سیستم های کنترل مرکزی سیگنال می دهند و امکان نگهداری پیشگیرانه را فراهم می کنند. درباره بیشتر بدانید طول عمر SPD و مکانیزم های تخریب.

س: آیا می توان از دیود شاتکی به جای دیود سیلیکونی استاندارد برای کاربردهای هرزگرد استفاده کرد؟

پاسخ: بله، و دیودهای شاتکی اغلب به دلیل ویژگی های عملکردی برتر برای کاربردهای خاص ترجیح داده می شوند:

مزایا:

• افت ولتاژ مستقیم کمتر (0.15-0.45 ولت در مقابل 0.7-1.5 ولت برای سیلیکون) باعث کاهش اتلاف توان در طول هرزگردی می شود
• زمان بازیابی سریعتر (<10ns vs 50-500ns) critical for pwm frequencies>10 کیلوهرتز
• کاهش تلفات سوئیچینگ در مدارهای فرکانس بالا (VFD ها، منابع تغذیه سوئیچینگ)

ملاحظات:

• ولتاژ شکست معکوس کمتر (به طور معمول 40V-60V برای شاتکی قدرت در مقابل 400V-1000V برای سیلیکون استاندارد)
• جریان نشتی بالاتر در دماهای بالا
• هزینه بالاتر ($0.50-$2 در مقابل $0.10-$0.50 برای جریان نامی معادل)

دستورالعمل انتخاب: هنگامی که فرکانس سوئیچینگ از 10 کیلوهرتز فراتر می رود یا زمانی که افت ولتاژ مستقیم به طور قابل توجهی بر راندمان تأثیر می گذارد، از دیودهای شاتکی استفاده کنید. بررسی کنید که مقدار PIV از حداکثر اسپایک ولتاژ مورد انتظار بیشتر باشد (توصیه می شود: PIV ≥ 5 × ولتاژ منبع تغذیه برای شاتکی). برای کاربردهای فرکانس پایین (<1kHz) with higher voltages (>48 ولت)، سیلیکون استاندارد (سری 1N400x) تعادل هزینه-عملکرد بهتری را ارائه می دهد.

س: تفاوت بین برقگیرهای نوع 1، نوع 2 و نوع 3 چیست؟

پاسخ: این طبقه بندی محل نصب، روش آزمایش و قابلیت حفاظت را تعریف می کند:

نوع 1 (کلاس I):

• مکان: ورودی سرویس، بین کنتور برق و قطع کننده اصلی
• شکل موج آزمایشی: 10/350μs (شبیه سازی برخورد مستقیم صاعقه، محتوای انرژی بالا)
• رتبه‌بندی‌ها: جریان ضربه 25kA-100kA
• هدف: اولین خط دفاعی در برابر صاعقه مستقیم/نزدیک، بالاترین جذب انرژی
• نصب: نیاز به OCPD (حفاظت در برابر جریان اضافه) فهرست شده دارد، که اغلب با برقگیر یکپارچه می شود

نوع 2 (کلاس II):

• مکان: تابلوهای توزیع، مراکز بار، تابلوهای فرعی
• شکل موج آزمایشی: 8/20μs (صاعقه غیر مستقیم، گذراهای سوئیچینگ)
• رتبه‌بندی‌ها: جریان تخلیه 5kA-40kA
• هدف: حفاظت ثانویه در برابر امواج باقیمانده عبوری از نوع 1، به علاوه گذراهای تولید شده محلی (راه اندازی موتور، سوئیچینگ خازن)
• نصب: رایج ترین نوع، نصب مدولار روی ریل DIN یا پیکربندی نصب روی پانل

نوع 3 (کلاس III):

• مکان: نقطه استفاده در نزدیکی تجهیزات حساس (کامپیوترها، ابزار دقیق)
• شکل موج آزمایشی: موج ترکیبی 8/20μs (ولتاژ 1.2/50μs، جریان 8/20μs)
• رتبه‌بندی‌ها: جریان تخلیه 3kA-10kA
• هدف: مرحله حفاظت نهایی، ولتاژ عبوری را به سطوح بسیار پایین کاهش می دهد (<0.5kV)
• نصب: نوارهای دوشاخه، نصب شده روی تجهیزات، اغلب شامل فیلتر EMI می شود

آبشار هماهنگ: تاسیسات به درستی محافظت شده از هر سه نوع با 10+ متر کابل بین مراحل استفاده می کنند و یک سیستم حفاظت هماهنگ ایجاد می کنند که در آن هر مرحله قبل از عملکرد مرحله بعدی، انرژی موج را کاهش می دهد.

س: چگونه جریان نامی یک دیود هرزگرد را تعیین کنم؟

پاسخ: این محاسبه را بر اساس ویژگی اساسی سلف ها دنبال کنید (جریان نمی تواند به طور لحظه ای تغییر کند):

مرحله 1 - تعیین جریان حالت پایدار سیم پیچ:
I_steady = V_supply / R_coil

مرحله 2 - تعیین جریان گذرا پیک:
در لحظه دقیق باز شدن سوئیچ، سلف جریان را مجبور می کند تا با همان مقدار به جریان خود ادامه دهد. بنابراین:
I_peak_transient = I_steady

مرحله 3 - دیود را با حاشیه ایمنی انتخاب کنید:
دیودی را انتخاب کنید که جریان مستقیم پیوسته (I_F) > I_steady باشد.
توجه: در حالی که اسپایک های ولتاژ به شدت افزایش می یابند، جریان از مقدار حالت پایدار کاهش می یابد. دیودهای استاندارد دارای جریان هجومی بالایی (I_FSM) هستند، بنابراین تعیین اندازه برای I_F معمولاً حاشیه ایمنی کافی را فراهم می کند.

مثال: رله 24 ولت، مقاومت سیم پیچ 480Ω

• I_steady = 24V / 480Ω = 50mA
• I_peak_transient = 50mA (جریان اسپایک نمی زند؛ ولتاژ این کار را می کند)
• انتخاب: 1N4007 (دارای رتبه I_F = 1A). از آنجایی که 1A > 50mA، این دیود یک حاشیه ایمنی 20 برابری ارائه می دهد و به راحتی از پس اتلاف انرژی بر می آید.