Ny komponent muliggør længere levetid

Beskyttelse imod skadelige og destruktive transiente overspændinger er en standarddisciplin ved dimensionering af strømforsyninger. En ny komponent til formålet er dukket op på markedet, og den har vigtige og anderledes egenskaber.

Transienter og beskyttelse mod overspænding

Forsyningsnettet leverer de nødvendige 230 V til net-indgangen på de fleste produkter. Der optræder dog også en gang imellem pludselige overspændinger på nettet. Det kan være transienter fra omkoblinger på nettet – fra lynnedslag i nærheden eller blot fra mekaniske kontaktorer – der aktiveres på samme del af forsyningsnettet, som produktet anvender. Overspænding kan også optræde på net med andre spændinger og på DC-forsyningsnet.

Transienter kan være fra nogle få volt til flere kilovolt, og varigheden kan være fra nanosekunder til hundreder af mikrosekunder (µsek). Test med transienter er en integreret del af EMC-test som led i CE-mærkning i Europa.

Kendt varistor med kendte egenskaber

Næsten alle produkter indeholder en overspændingsbeskyttelse i form af en metaloxid-varistor (en ”MOV”), det vil sige en spændingsafhængig modstand, der kobles mellem fase og nul på forsyningen.

Komponentens opgave er at kortslutte og aflede energien fra overspændinger, så der ikke optræder destruktive eller skadelige overspændinger over selve produktet. Varistoren optager impulsenergien og opvarmes meget i den korte tid, transienten afledes.

Så længe forsyningsspændingen er i sit normale område, flyder der kun ubetydelig lækstrøm gennem varistoren. Varistoren kan dog ændre opførsel, efter den har afledt kraftige impulsstrømme. Metaloxid-lagene ændrer sig ved opvarmningen, og det kan føre til øget lækstrøm i komponenten. Den begrænserspænding, som varistoren sikrer, falder, når temperaturen stiger. Efter gentagne påvirkninger vil forøget lækstrøm og selvopvarmning øges og varistoren i alvorlige tilfælde ødelægges. Samtidig vil man ofte opleve, at en sikring springer, da varistoren kan trække meget stor strøm i en ’thermal runaway’-proces.

En senere omtalt mini-undersøgelse har med termisk kamera vist, at varistoren ændrer egenskaber, hvis den når en temperatur på 200°C til 250°C.

Ny komponent ved kombination af to velkendte dele

Varistorens evne til selvopvarmning er med en ny komponent blevet tøjlet ved at koble varistorelementet i serie med en anden velkendt overspændingsbegrænser: gnistgabet (’spark gap’ eller ’Gas Discharge Tube’, GDT).

Gnistgab anvendes også til overspændingsbeskyttelse, men har den upraktiske egenskab, at de ikke holder op med at lede strøm fra forsyningsnettet, hvis de først er blevet tændt af en transient. De bruges derfor normalt kun på signalledninger, hvor den lave spænding sikrer, at gnistgabets lysbue slukker af sig selv efter en aktivering. Gnistgab har derudover den positive egenskab, at de tåler meget kraftige impulsstrømme uden egentlig degradering.

Producenter af overspændingsbeskyttelse har lanceret en seriekombination af de to komponenter i fælles indkapsling. Bourns anvender produktnavnet GMOV for kombinationen (se Figur 1).

Figur 1: GMOV-varistor med stor keramikskive og lille gnistgabsdel kombineret. Billede: Bourns.

Kombination af to verdener

Seriekombination af varistor og gnistgab er langtfra nyt. Det er dog ikke særlig anvendt i almindelige produkter. Kombinationen betyder i princippet en lidt højere ’beskyttet’ transientværdi, da der er spændingsfald både over varistoren og gnistgabet i serieforbindelsen ved afledning af transientstrømme. Dette kan man dog minimere ved at vælge en lidt lavere varistor-spændingsklasse.

Kombinationen har dog en anden fordel, der måske er mindre indlysende: Lækstrømmen kan reduceres til nærmest nul, da gnistgabet ved korrekt dimensionering er ubetydelig. Gnistgabet betyder også, at lækstrømmen efter afledning af en transientstrøm igen falder til nul. Det sker også, selv om varistorens oxidlag måske er blevet ændret af impulsstrømmen. På den måde vil selvopvarmning på grund af forøget lækstrøm i en ’slidt’ varistor være stærkt reduceret.

Mini-projekt afdækker egenskaber

DTU-studerende Magnus Gøtsche-Rasmussen har gennem et mini-projekt undersøgt specielt ’thermal runaway’-fejlfunktionen af varistorer og af GMOV-varianten. Projektet har arbejdet specifikt med at eftervise thermal runaway for begge typer komponenter, med at initiere processen ved hjælp af transienter og med at undersøge, hvordan lækstrøm og dennes jonisering af gnistgabets gas påvirker egenopvarmning af GMOV.

Der er i projektarbejdet arbejdet med varistorer, som ikke helt passer med en 230 V-konstruktion, da der skal særdeles meget transientenergi til at ødelægge en 230 V-varistor. Observationerne i projektet er derfor kvalitative, men kan uden videre skaleres til 230 V-komponenter også.

Tærskel og thermal runaway

Figur 2 viser et forløb, hvor en 150 V varistor er koblet på 230 V-forsyningsnettet. Varistoren er fejldimensioneret og er tæt på en runaway.

Figur 2: 230 V AC-spænding og strøm fra nettet ved thermal runaway.

Ved spændingsspidserne på ca. 315 V løber der kortvarigt nogle få ampere i hver spændingsspids. Efter 11 spændingsspidser har dette opvarmet varistoren så meget, at dens begrænserspænding er faldet til ca. 100 V. Strømmen gennem varistoren stiger i dette tilfælde til næsten 100 A, før en sikring brænder over og afbryder netspændingen. Varistoren er eksploderet.

GMOV forhindrer øget lækstrøm

Varistordelen af en GMOV-komponent har de samme egenskaber som traditionelle varistorer. Tilføjelsen af gnistgabet betyder imidlertid, at den ved normal dimensionering ikke har nogen lækstrøm – heller ikke kort efter en transient.

Varistoren slipper ikke tilstrækkelig lækstrøm igennem til gnistgabets opretholdelse af joniseringen i gabet. Man kan sige, at gnistgabet frakobler varistoren fra forsyningsspændingen. Det sker, når lækstrømmen gennem gnistgabet falder til under en vis værdi.

Figur 3 viser tydeligt, hvor gnistgabet aktiveres ved ca. 240-250 V, men lækstrømmen stopper igen, når spændingen falder til under 230 V DC. En 130 V varistor vil normalt bruges ved 115 V AC, hvor spidsværdien af spændingen ikke når over 163 V. Gnistgabet vil derfor ikke være aktiveret ved normal, nominel forsyningsspænding.

Figur 3: Lækstrøm starter og stopper, når DC-spænding varieres (130 V GMOV)

Betydning for levetiden

En utilsigtet thermal runaway for en varistor vil kunne føre til en brændt sikring – og dermed funktionsstop for produktet. Det vil man imidlertid opdage, og hvis sikringen kan skiftes, vil produktet måske fungere igen.

Hvis varistoren er eksploderet, har produktet ikke længere nogen overspændingsbeskyttelse.

Er varistoren kortsluttet, hvilket også kan ske, vil sikringen brænde igen, og produktet må kasseres. Kun en professionel reparatør kan i den situation forventes at være i stand til at reparere produktet.

Levetidsmæssigt vil et produkt kunne tåle et antal overspændingstilstande uden skader. Hvis produktet tåler mange flere af sådanne hændelser ved brug af en GMOV, så kan det formodentlig leve længere. GMOV er dog en faktor 5-10 dyrere end blot en varistor alene. Den prisforskel skal naturligvis tages med i betragtning.

Af Per Thåstrup, FORCE Technology