Защита от дуги - ограничивающий резистор

В высоковольтных источниках питания, оборудованных системой защиты от дуговых разрядов, выявление возникающего дугового тока осуществляется посредством быстродействующего датчика-трансформатора, расположенного на стороне возвратного участка схемы умножителя напряжения. Этот трансформатор преобразует фактический ток короткого замыкания в пропорциональный сигнал напряжения, который далее обрабатывается схемой обнаружения.

Важно отметить, что данная схема требует тщательной настройки, исключающей ложные срабатывания при нормальном рабочем режиме зарядки умножителя, иначе это могло бы помешать нормальной работе устройства. Цель схемы защиты от дуговых разрядов состоит в предотвращении повреждений внутренних ограничивающих резисторов источника питания вследствие продолжительных и частых дуговых явлений. Следует понимать, что эта схема не является сложной и высокоточной системой и не предназначена для выявления каждого отдельного события дугового разряда.

Последовательно установленные ограничительные резисторы в сборке умножителя служат для ограничения величины токов короткого замыкания до безопасных и предсказуемых значений. Основываясь на знании этих предельных величин, специалисты производителей высоковольтных источников устанавливают порог чувствительности схемы обнаружения дуговых разрядов, позволяющий защитить источник питания от разрушительных последствий многократных дуговых проявлений, сохраняя при этом нормальное функционирование устройства.

Однако, если заказчик (пользователь) устанавливает внешний дополнительный ограничивающий резистор, включенный последовательно с выходом источника питания, это может фактически сделать схему защиты от дуг неэффективной. Причина заключается в том, что величина токов короткого замыкания снижается настолько сильно из-за внешнего резистора, что становится недостаточной для активации схемы обнаружения дуг.

Несмотря на это, подобное снижение токов оказывается полезным для самого источника питания, снижая нагрузку на внутренние ограничительные резисторы, которым предназначалась защита с помощью схемы защиты от дуг. Таким образом, установка внешнего дополнительного ограничивающего резистора часто бывает положительным фактором с точки зрения снижения риска перегрева и износа внутренних компонентов источника питания.

Существуют ситуации, когда интенсивность дуговых разрядов в конкретной задаче превосходит проектные пределы источника питания. В таких случаях внешний ограничивающий резистор может стать эффективным способом решения проблемы.

Почему дуговой разряд является проблемой

Конструкция высоковольтных источников питания позволяет выдерживать дуговые разряды (важно: не все серии высоковольтных источников питания имеют данную защиту). Отдельные или кратковременные дуговые разряды не вызывают проблем, однако постоянное и долговременное действие электрической дуги приводит к перегреву ограничителя выходного напряжения.

Секции высоковольтного выхода являются емкостными по своему характеру. Для ограничения тока дугового разряда к выходу источника питания последовательно подключается ограничительная цепь. Ее сопротивление ограничивает ток дугового разряда на безопасном и предсказуемом уровне.

В емкостной секции высоковольтного выхода накапливается энергия, равная ½ CU2 Дж, где C – емкость конденсатора, а U – выходное напряжение. При возникновении дугового разряда накопленная таким образом энергия рассеивается в виде тепла в блоке ограничителя выходного напряжения. При отдельных или кратковременных дуговых разрядах тепловая энергия рассеивается, однако постоянное и долговременное действие электрической дуги может вызвать перегрев ограничителя выходного напряжения.

Некоторые высоковольтные источники оснащены схемой защиты от дугового разряда, которая обнаруживает и гасит его с целью предотвратить ущерб от долговременного воздействия электрической дуги. Такими схемами оснащены не все устройства, поэтому долговременное воздействие дугового разряда может привести к перегреву ограничителя выходного напряжения и непоправимым повреждениям источника питания.

Обнаружение дугового разряда

Обратная связь по току / Токовая петля

Способ обнаружения дугового разряда источниками питания никак не связан с обратной связью по току и управляющей токовой петлей.

Перегрузка по току – это длительное состояние отказа в цепи с низким сопротивлением, которое может сохраняться в течение продолжительного периода времени. Источники питания обнаруживают его за счет обратной связи по току и переключаются из режима постоянного напряжения в режим постоянного тока для приведения непрерывного постоянного тока к уровню, заданному токовым входящим управляющим сигналом. Константы времени, связанные с цепью обратной связи по току и усилителем ошибок по силе тока, обычно равны нескольким миллисекундам или десяткам миллисекунд, поэтому мы не используем обратную связь по току для обнаружения дугового разряда. Обратная связь по току используется только для регулирования долговременного постоянного тока в соответствии с токовой петлей.

Характеристики дуговых разрядов
Дуговые разряды характеризуются очень низким сопротивлением, которое может возникнуть очень быстро и существовать всего лишь несколько микросекунд, десятков или сотен микросекунд. При возникновении такой ситуации, если рассматривать ее в отношении источника питания, то в принципе происходит ёмкостный разряд. У нас есть заряженный конденсатор (собственная емкость умножителя источника питания), к выходу которого подключен элемент с очень низким сопротивлением. Единственным фактором, ограничивающим силу тока, при этом будет внутренняя последовательная ограничительная схема (обычно состоящая из резисторов и (или) индукторов). При отсутствии каких-либо технических мер по ее ограничению, сила тока дугового разряда была бы бесконечно велика, но внутренние ограничивающие резисторы в наших устройствах удерживают силу тока на уровне безопасного разряда. Высоковольтный источник питания, номинальная сила тока которого исчисляется миллиамперами, в момент дугового разряда может выдавать амперы или даже десятки ампер. Это не обычный номинальный ток, а ток накопленного дугового разряда, и разница между этими явлениями очень велика.

Токочувствительный трансформатор
Из-за коротких промежутков времени и большой силы тока, возникающей в момент дугового разряда, производители используют другое средство для обнаружения дуговых разрядов — токочувствительный трансформатор. Токочувствительный трансформатор подключается к выходу схемы умножителя. Он не обнаруживает обычный постоянный ток малой силы, являющийся номинальным для источника питания, но обнаруживает дуговой разряд, сила тока которого очень велика, а продолжительность измеряется микросекундами. Таким образом мы обнаруживаем дуговой разряд.

Процесс гашения дугового разряда
Процесс гашения дугового разряда необходим, потому что любая накопленная в умножителе энергия излучается в виде тепла в блоке выходных ограничителей. Отдельные дуговые разряды не приводят к повреждению источника питания, однако повторяющиеся продолжительные дуговые разряды могут привести к перегреву схемы выходных ограничителей. После некоторого количества дуговых разрядов в течение определенного времени произойдет повреждение источника питания вследствие перегрева. Процесс гашения дугового разряда в наших устройствах предотвращает какие-либо повреждения. Изменить характер явления, которое мы называем дуговым разрядом, невозможно. Производитель определяет уровень чувствительности, достаточный для защиты источника питания, который в то же время не мешает нормальной эксплуатации устройства.

Для чего не предназначена схема защиты от дугового разряда
Процесс обнаружения и прерывания дугового разряда служит для защиты источника питания от чрезмерного долговременного воздействия дуговых разрядов; он не предназначен для высокоточной работы и непрерывной регулировки схемы пользователем. Если заказчику требуется высокоточное регулируемое обнаружение дуговых разрядов, производитель рекомендует реализовать его самостоятельно при помощи внешнего токочувствительного трансформатора. Таким образом будет сохранена необходимая источнику питания защита от дуговых разрядов, а заказчик получит возможность настроить внешний трансформатор для обнаружения дугового разряда в соответствии со своими потребностями.