Zabezpieczenia przed przepięciami

Kiedyś, po spektakularnej burzy, odwiedziłem kolegę w jego warsztacie. Oczywiście rozmowa zeszła na wydarzenia ostatniej nocy, a głównym jej punktem były modem i switch, które „spadły ze ściany po tym, jak piorun uderzył w niedaleką linię telefoniczną”. W tamtym momencie, już po zdarzeniu, relacja kolegi była bardzo zabawna, ale z drugiej strony – co wydarzyłoby się, gdyby ten modem stał przed nim na biurku (jak to często bywa), a nie był zawieszony w odległym kącie na ścianie?

Odwieczne pytanie o ochronę systemów elektrycznych jak sięgnąć pamięcią nurtuje wszystkich projektantów. Projektant, wspólnie z inwestorem, muszą znaleźć kompromis pomiędzy kosztami inwestycji a niezbędną, zapewnianą przez system ochroną użytkowników i urządzeń. Oczywiście mowa tu o rozwiązaniach nadmiarowych, które nie są wymagane przez normy lub inne regulacje prawne. Do takich należą na przykład zabezpieczenia przed przepięciami zakładane na linie telekomunikacyjne po stronie użytkownika lub na kable sieci komputerowych. Ci bardzo często zdają się na operatorów, a operatorzy – broniąc się przed nadmiernymi inwestycjami, zabezpieczają tylko swoje urządzenia i nawet nie informują abonentów, że ci powinni postąpić w ten sam sposób – zabezpieczyć się przed awariami. Znam z praktyki wiele takich przypadków, w których proste zabezpieczenie przed przepięciem uratowałoby firmę przed poniesieniem dużych kosztów na naprawę urządzeń i odbudowę sieci komputerowej. Kolejny przykład z życia. Pan Rysio dostał polecenie zainstalowania dodatkowego, mocnego haka na korytarzu, na którym miała być powieszona duża tablica zawierająca ekspozycję wyrobów oferowanych przez firmę. Wziął więc wiertarkę SDS i zaczął wiercić nie sprawdzając wcześniej, czy przypadkiem pod tynkiem nie przebiega jakaś instalacja. Kiedyś właściciel firmy miał kaprys taki, aby schować pod tynkiem przewody sieci komputerowej – zarówno te logiczne, jak i zasilające 230 V AC. Pan Rysio wiercąc trafił wiertłem najpierw w sieć logiczną, a później w energetyczną. Niestety, zanim zadziałały zabezpieczenia przeciwzwarciowe minęło kilkadziesiąt feralnych milisekund. Efekt? Uszkodzony serwer, utracone dane, uszkodzonych kilka komputerów w sieci. A można by tego uniknąć.
Problem zabezpieczenia instalacji przed przepięciami jest co najmniej tak stary, jak sieci komputerowe. Na szczęście świadomość konieczności stosowania zabezpieczeń rośnie.

Rysunek 1. Przykładowa budowa zabezpieczenia przed przepięciem

Jak działa zabezpieczenie przed przepięciem?

Na rysunku 1 pokazano budowę nieskomplikowanego zabezpieczenia przed przepięciem. Czasami, w materiałach różnych firm nazywane są one odgromnikami, jednak to określenie raczej nie pasuje do delikatnych urządzeń elektronicznych i raczej kojarzy się z energetyką. W przypadku ogranicznika stosowanego w elektronice bardziej właściwym określeniem jest iskiernik. Można go porównać do kondensatora o bardzo małej pojemności, którego rezystancja podczas pracy może zmieniać się od kilku GΩdo wartości mniejszych od 1Ωpo zapłonie spowodowanym przez wysokie napięcie. Po ustąpieniu napięcia, iskiernik powraca do stanu roboczego, chyba że przekroczono parametry termiczne i zadziałało zabezpieczenie przed przegrzaniem. Będzie o tym mowa dalej. W związku z taką zasadą działania, można założyć, że do momentu osiągnięcia napięcia zapłonu przez iskiernik nie płynie żaden prąd. Po zapłonie, napięcie spada do poziomu napięcia świecenia Vgl (zależnie od typu, zwykle 70...200V przy płynącym prądzie 0,01...1,5A). Przy dalszym wzroście napięcia iskiernik wchodzi w tryb wyładowania łukowego. W tym trybie napięcie ograniczane jest do wartości ok. 10...35V i w szerokim zakresie nie zależy ono od płynącego prądu. Przy zmniejszaniu się napięcia na iskierniku następuje sytuacja odwrotna – prąd przezeń płynący maleje aż spada poniżej pewnego minimum niezbędnego dla podtrzymania wyładowania łukowego. W konsekwencji wyładowanie to kończy się i po przejściu przez napięcie zapłonu warunki pracy iskiernika stabilizują się, a ten osiąga rezystancję rzędu wspomnianych kilku GΩ.
W zależności od napięcia roboczego i przenoszonych mocy, zabezpieczenia te wykonywane są w różny sposób. Te na mniejsze napięcia, stosowane w elektronice i automatyce, mają obudowy hermetyczne, w których zamknięte są elektrody umieszczone w otoczeniu argonu lub neonu. Hermetyczna obudowa standaryzuje warunki pracy i umożliwia wykonywanie zabezpieczeń o powtarzalnych parametrach, dlatego bardzo ważna jest jej jakość. Przerwa pomiędzy elektrodami typowo jest mniejsza od 1 mm. Bardzo ważny jest również materiał, z którego wykonane są elektrody. Ma on kluczowy wpływ na trwałość zabezpieczenia, które czasami musi funkcjonować przy wielokrotnych udarach napięć. Napięcie zapłonu definiowane jest przez odstęp pomiędzy elektrodami, rodzaj i ciśnienie gazu oraz stopień wstępnej jonizacji. Podawane jest ono jako wartość stałego napięcia zapłonu. Warto pamiętać o tym, że na jonizację gazu niezbędną aby przez zabezpieczenie popłynął prąd potrzebny jest pewien czas, toteż iskiernik, oprócz napięcia zadziałania, będzie cechował też czas do zadziałania.
Jako wariant opisanego wyżej rozwiązania, produkowane są również zabezpieczenia, w których jeśli nie ustępuje przeciążenie, to elektrody wewnętrznie zwierane są na stałe. Może się tak zdarzyć, gdy zabezpieczana linia zostanie zwarta na stałe z przewodem zasilającym. W takim przypadku prąd płynący przez zabezpieczenie rozgrzeje je do wysokiej temperatury. Zachodzi wówczas obawa o uszkodzenie zabezpieczenia na skutek przegrzania. Niemniej powód jego zadziałania nie ustąpił, więc nadal zachodzi konieczność ochrony urządzenia. Wewnątrz takiego zabezpieczenia znajduje się najczęściej element z tworzywa sztucznego, które mięknie i topi się w określonej, zależnej od materiałów, z których zbudowane jest zabezpieczenie, temperaturze. Element ten utrzymuje w stałej odległości od siebie sprężynujące elektrody i gdy stopi się, to te dociskane są do siebie przez sprężyny. Oczywiście takie zabezpieczenie będzie wymagać wymiany, jednak pomimo tego spełni ono swoją rolę.

Rysunek 2. Włączenie zabezpieczenia pomiędzy doprowadzenia a uziemienie

Włączanie zabezpieczeń

Stosowanie zabezpieczeń nie jest trudne. Najczęściej wykonywane są one jako elementy 2- lub 3-wyprowadzeniowe, które włącza się pomiędzy zabezpieczaną linię, a przewód ochronny lub połączoną z nim masę urządzenia (rysunek 2). Można je również włączyć pomiędzy doprowadzenia chronionego urządzenia (rysunek 3). Na rysunku 4 pokazano różne, standardowe konfiguracje zabezpieczeń stosowane podczas chronienia obwodów w telekomunikacji i w sieciach komputerowych. Zabezpieczenia 3-końcówkowe wymagają zastosowania tylko pojedynczego elementu zabezpieczającego, podczas gdy zabezpieczenia 5-końcówkowe wymagają również użycia dodatkowego elementu ograniczającego prąd, jak na przykład termistor PTC.
Zabezpieczenia 3-końcówkowe włączane są pomiędzy przewody a/b i uziemienie. W tej konfiguracji przepięcia zwierane są do ziemi. Stosowane są zarówno 2- jak i 3-końcówkowe elementy zabezpieczające. Jako wariant stosowane są również elementy zabezpieczające z dodatkową ochroną przed przegrzaniem, co pokazano na schematach w formie styku oznaczonego literą „t”.

Rysunek 3. Włączenie zabezpieczenia pomiędzy doprowadzenia urządzenia

Rysunek 4. Różne, standardowe konfiguracje zabezpieczeń stosowane podczas chronienia obwodów w telekomunikacji i w sieciach komputerowych. 

Zabezpieczenia 5-końcówkowe, oprócz odgromników, zawierają dodatkowe elementy ograniczające prąd. Zwykle jest to termistor PTC, którego rezystancja wzrasta wraz z temperaturą. Element ten włączany jest w obwodzie szeregowo, więc wzrost rezystancji powoduje ograniczenie płynącego prądu.
Teoretycznie praca iskiernika przy prądzie przemiennym powinna przebiegać zgodnie z opisaną wcześniej charakterystyką – spadek napięcia powinien powodować spadek prądu, a ten wyłączeni iskiernika choćby w momencie przejścia napięcia przez 0. Jeśli jednak impedancja wewnętrzna źródła jest bardzo mała, to może się okazać niewystarczająca do wyłączenia iskiernika pracującego w trybie wyładowania łukowego i mającego rezystancję poniżej 1 Ohm. W takiej sytuacji należy rozważyć dodatkowe podniesienie rezystancji źródła choćby za pomocą rezystora szeregowego. Inaczej iskiernik rozgrzeje się i jeśli nie będzie miał zabezpieczenia przed przegrzaniem, to może uszkodzić sąsiadujące z nim elementy.
Przy ochronie osprzętu telekomunikacyjnego zwykle iskierniki pracują przy zasilaniu napięciem stałym. W tych warunkach, po ustąpieniu przepięcia, iskierniki musi mieć możliwość wyłączenia się przy normalnych, nominalnych warunkach pracy. Pamiętajmy, że napięcie zapłonu jest wyższe od napięcia wyładowania łukowego. Zwykle iskierniki stosowany do zabezpieczenia linii telekomunikacyjnych świetnie radzą sobie z warunkami pracy, a to ze względu na ograniczoną wydajność nadajników linii. W innych przypadkach należy indywidualnie sprawdzić, czy ten rodzaj zabezpieczenia spełni swoją rolę w konkretnych warunkach pracy. Jako wyjątek od tej reguły można uznać sytuacje, w których nominalne napięcie pracy jest niższe od napięcia wyładowania łukowego iskiernika (10...35V, zależnie od typu).
Zabezpieczając wrażliwy sprzęt elektroniczny warto pamiętać o tym, że element zabezpieczający musi oferować maksymalny poziom bezpieczeństwa. Inaczej jego stosowanie nie ma większego sensu i jest niepotrzebnym poniesionym wydatkiem. Dlatego też należy stosować produkty sprawdzone, pochodzące od producentów, którzy są w stanie zapewnić zachowanie norm jakościowych i bezpieczeństwa.

Jacek Bogusz
j.bogusz@easy-soft.net.pl