電源サージ保護の基本

電力サージの問題

電圧サージは、多くの主電源デバイスでの懸念事項です。サージは、意図した環境に合わせて適切に設計されていないと、電源や電源を損傷する可能性があります。この記事では、電圧サージの原因を特定し、規制サージ試験規格について知り、サージ抑制設計とコンポーネントを示すことで、サージ保護の基本について説明します。

サージの3つの主な原因は次のとおりです。

• 雷
• 負荷過渡電流
• 障害

雷は外部サージ過渡電流の一般的な発生源であり、ほとんどの電子システムよりもはるかに高い電圧ではるかに多くの電流を流します。これらの電圧サージは、通常、適切なレベルの保護が適用されていない場合に電子機器を即座に故障させるのに十分なレベルです。

AC電源ラインでのサージは、電気回路の他のデバイスがオンまたはオフに切り替わったときにも発生する可能性があります。モーターやコンデンサバンサのような反応性負荷は、電界や磁場を確立する前の短絡と類似しています。オフにすると、これらのフィールドに保存されたエネルギーもシステム内にすばやく投げ返されます。どちらの場合も、大量かつ高速の過渡電流は電圧スパイクを誘発し、保護されていないデバイスでは故障につながる可能性があります。

故障はサージの原因にもなり、電源の入力に過度な電圧が印加されることもあります。システム コンポーネントやデバイスの故障は、回路の意図しない短絡または回路が開くことによって引き起こされるシステムの他の部分の過渡電圧や電流につながる可能性があります。

電源入力でのサージ電圧の強度と大きさは、内部または外部を問わず、電源入力に適用された場所、ケーブル配線、サージ保護のレベルなど、多くの要因によって異なります。

国際規格が保護レベルを定義する

規格は、必要な保護レベルを分類し、ガイダンスを提供するために開発されました。電源での最も一般的な規格は、International Electrotechnical CommissionのIEC 61000-4-5です。これは、マルチメディア機器のイミュニティ要件を設定するEN 55035などの、多くの国内イミュニティ規格で参照されています。

IEC 61000-4-5規格は、標準試験方法と、設置クラスとカップリング方法に基づく異なるレベルの保護を定義しています。DC電源は、通常、1kV～4kVのテスト要件がある設置クラス3-5で考慮されます（表1)。

サージ抑制回路とデバイス

典型的なサージから電源とその負荷を保護するには、何らかの形式で内部または外部のサージ保護回路が必要です。サージ保護回路には主に2つのクラスがあります。

• クランプ
• クローバー

サージクランプ

電圧クランプは、電圧が選択したクランプ電圧を超過してしまうのを防ぎます。サージ事象中、電圧はクランプ電圧で保持され、サージが通過するまで電流はクランプを通して転換されます。クランプとして一般的に使用される2つのデバイスとしては、過渡電圧抑制ダイオード（TVS）と金属酸化物バリスタ（MOV）があります。それぞれの速度とエネルギーの処理能力は、表2に示すように、逆比例しており、クランプタイプを組み合わせる必要性につながる可能性があります。

過渡抑制ダイオード

TVSは、電圧スパイクの過剰なエネルギーを吸収してクランプするように設計されたダイオードです。一方向または双方向のいずれかがあります。これらのダイオードは、ツェナーダイオードのようなニー電圧を有しており、その上にダイオードが伝導を始めます。これにより、電圧がニー電圧でクランプされ、過剰なエネルギーが電源から外に転換されます。

バリスタ クランプ

双方向半導体金属酸化物バリスタ（MOV）は、電圧に敏感な可変抵抗器です。MOVは低電圧で高抵抗になり、高電圧では低抵抗になります。これはよりソフトなクランプ電圧で、TVSダイオードよりも反応時間が遅くなります。MOVも摩耗し、限られた数のサージイベントしか処理できません。しかし、その低コストとサージ処理能力により、MOVは一般的に電源のサージ保護に使用されます。

クローバー回路

クローバーはサージ保護回路の異なるタイプです。Crowbarデバイスは、電圧を最大値に制限するのではなく、回路ノードを一緒に短絡させ、電圧をゼロに近づけます。ガス排出管（GDT）は、一般にクローバーとして使用されます。TVSと同様に、GDTは電圧依存スイッチとして機能します。このデバイスは、電圧閾値を超えると、通常、開回路と短絡として動作します。GDTは、より多くの電流に対処することができますが、最も遅い反応サージ保護デバイスになる傾向もあります。電源は、時により堅牢なソリューションのために他の方法と組み合わせて使用します。

既製電源のサージ イミュニティ

既製電源は、内部サージ保護を備えているものとそうでないものがあります。ボードマウント電源は、内部保護なしのものから最高レベルの保護があるものまで、幅広いオプションがあります。多くの場合、メーカーは固有のパフォーマンスレベルを向上させるためのリファレンスデザインを提供します。設計者はデータシートに注意して、メーカーの外部回路がアプリケーションに適した性能レベルを満たしているかどうかを確認する必要があります。

サージの予測とシステム評価

電圧サージには、個々のサージが完全に予測不可能であるという性質があります。そうは言っても、システムを評価し、どのようなタイプのサージが影響を受けるかを予測し、適切な量のサージ保護を推奨することは可能です。適切なレベルは異なることがあります。一部のシステムでは、ほぼ一般的で比較的容易に対処できる過電圧になると予想できます。たとえば、近くにある他の機器がオン/オフを切り替える場合などです。もう1つの極端な例は、雷が多い地域にあるシステムです。このような場合、より高い重症度のスパイクを処理するための保護がおそらく推奨されるでしょう。これら2つの間には多くの異なる状況があり、CUIのような専門家がアプリケーションに適した電源を選択するお手伝いをさせていただきます。

カテゴリ： 基礎、製品の選択、安全性とコンプライアンス

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