หลักการและการออกแบบเซอร์กิตเบรกเกอร์ป้องกันไฟกระชาก

จริงๆ แล้วเบรกเกอร์ป้องกันไฟกระชากเป็นสิ่งที่เรามักเรียกว่าอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากหรือที่เรียกว่าอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากฟ้าผ่าเป็นอุปกรณ์หรือวงจรชนิดหนึ่งที่ให้การป้องกันความปลอดภัยแก่อุปกรณ์ไฟฟ้า เครื่องมือ และวงจรสื่อสารต่างๆใช้เพื่อดูดซับแรงดันไฟกระชากหรือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับ เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์หรือวงจรที่ป้องกันจะไม่ได้รับความเสียหาย
เซอร์กิตเบรกเกอร์ป้องกันไฟกระชากสามารถรองรับแรงดันไฟกระชากหรือไฟกระชากหลายพันโวลต์ได้ แน่นอนว่าขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์และข้อกำหนดของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่เลือกนอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแบบ SPD สำหรับแรงดันหลายร้อยโวลต์โดยเฉพาะ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์การใช้งานของผู้ใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสามารถทนต่อแรงดันไฟกระชากสูงได้ในทันที แต่ระยะเวลาของแรงดันไฟกระชากต้องไม่ยาวเกินไป มิฉะนั้นอุปกรณ์ป้องกันจะร้อนและไหม้เนื่องจากการดูดซับพลังงานมากเกินไป

ไฟกระชากคืออะไร?

ไฟกระชากเป็นการรบกวนชั่วคราวชนิดหนึ่งภายใต้เงื่อนไขบางประการ แรงดันไฟฟ้าทันทีบนโครงข่ายไฟฟ้าเกินช่วงของแรงดันไฟฟ้าปกติที่กำหนดโดยทั่วไป ภาวะชั่วคราวนี้จะไม่นานเกินไป แต่อาจมีแอมพลิจูดที่สูงมากอาจสูงขึ้นอย่างฉับพลันในเวลาเพียงหนึ่งในล้านของวินาทีตัวอย่างเช่น ช่วงเวลาเกิดฟ้าผ่า การตัดการเชื่อมต่อโหลดอุปนัย หรือการเชื่อมต่อโหลดขนาดใหญ่จะมีผลกระทบอย่างมากต่อโครงข่ายไฟฟ้าในกรณีส่วนใหญ่ หากอุปกรณ์หรือวงจรที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าไม่มีมาตรการป้องกันไฟกระชาก ก็จะทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ง่าย และระดับของความเสียหายจะสัมพันธ์กับระดับแรงดันไฟฟ้าทนของอุปกรณ์

ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ แรงดันไฟฟ้าที่จุดทดสอบจะคงอยู่ที่สถานะคงที่ที่ 500Vอย่างไรก็ตาม หากสวิตช์ q ถูกตัดการเชื่อมต่อกะทันหัน จะเกิดไฟกระชากแรงดันสูงที่จุดทดสอบ เนื่องจากผลของแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงกระแสเหนี่ยวนำอย่างกะทันหัน

วงจรป้องกันไฟกระชากที่ใช้กันทั่วไปสองวงจร

1. เครื่องป้องกันไฟกระชากระดับแรก

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากระดับแรกมักจะติดตั้งไว้ที่ทางเข้าบ้านหรืออาคารจะช่วยปกป้องอุปกรณ์ทั้งหมดจากจุดเชื่อมต่อทางเข้าจากการถูกไฟกระชากข่มเหงโดยปกติแล้วความจุและปริมาตรของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากระดับแรกจะมีทั้งขนาดใหญ่และมีราคาแพง แต่ก็จำเป็น

2. อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากระดับที่สอง

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากระดับที่สองมีความจุไม่มากเท่ากับระดับแรกและดูดซับพลังงานน้อยกว่า แต่พกพาสะดวกมากโดยปกติจะติดตั้งที่จุดเข้าใช้งานของอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ปลั๊กไฟ หรือแม้กระทั่งติดตั้งไว้ที่ส่วนหน้าของแผงจ่ายไฟของอุปกรณ์ไฟฟ้า เพื่อให้มีความสามารถในการป้องกันรองสำหรับอุปกรณ์

รูปต่อไปนี้เป็นแผนผังอย่างง่ายของการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก:

วงจรป้องกันไฟกระชากทุติยภูมิทั่วไป

สำหรับคนจำนวนมาก ไม่ค่อยมีใครทราบเกี่ยวกับวงจรป้องกันไฟกระชากทุติยภูมิ เนื่องจากส่วนใหญ่จะติดตั้งอยู่บนแผงจ่ายไฟที่เรียกว่าแผงจ่ายไฟมักจะเป็นส่วนหน้าของอินพุตของอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิด โดยปกติแล้ว วงจร AC-AC, วงจร AC-DC ก็เป็นวงจรที่เสียบเข้ากับเต้ารับโดยตรงบทบาทที่สำคัญที่สุดของวงจรป้องกันฟ้าผ่าที่ออกแบบบนแผงจ่ายไฟคือการให้การป้องกันทันเวลาในกรณีเกิดไฟกระชาก เช่น การตัดวงจรหรือการดูดซับแรงดันไฟกระชาก กระแสไฟฟ้า
วงจรป้องกันไฟกระชากทุติยภูมิอีกประเภทหนึ่ง เช่น UPS (เครื่องสำรองไฟ) แหล่งจ่ายไฟของ UPS ที่ซับซ้อนบางชนิดจะมีวงจรป้องกันไฟกระชากในตัว ซึ่งมีหน้าที่เหมือนกับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากบนแผงจ่ายไฟทั่วไป

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากทำงานอย่างไร?

มีอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากซึ่งจะตัดไฟทันเวลาที่เกิดแรงดันไฟกระชากอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากชนิดนี้มีความชาญฉลาดและซับซ้อนมากและแน่นอนว่าราคาค่อนข้างแพง และโดยทั่วไปไม่ค่อยได้ใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากชนิดนี้โดยทั่วไปประกอบด้วยเซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้า ตัวควบคุม และสลักเซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าจะตรวจสอบว่ามีความผันผวนของแรงดันไฟกระชากในโครงข่ายไฟฟ้าเป็นหลักหรือไม่ตัวควบคุมจะอ่านสัญญาณแรงดันไฟกระชากของเซ็นเซอร์แรงดันไฟฟ้าและควบคุมสลักอย่างทันท่วงทีเพื่อเป็นการเปิด-ปิดของวงจรควบคุมแอคชูเอเตอร์ เมื่อพิจารณาว่าเป็นสัญญาณไฟกระชาก
มีวงจรป้องกันไฟกระชากอีกประเภทหนึ่งซึ่งไม่ได้ตัดวงจรเมื่อเกิดไฟกระชาก แต่จะจับแรงดันไฟกระชากและดูดซับพลังงานไฟกระชากซึ่งปกติจะติดอยู่ในแผงวงจร เช่น วงจรสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายก็จะมีวงจรป้องกันไฟกระชากประเภทนี้โดยทั่วไปวงจรดังแสดงในรูปด้านล่าง:

เครื่องป้องกันไฟกระชาก 1 ข้ามขอบเขตระหว่างเส้นสดและเส้นกลาง นั่นคือวงจรปราบปรามโหมดดิฟเฟอเรนเชียลอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก 2 และ 3 เชื่อมต่อตามลำดับด้วยสายไฟที่มีไฟฟ้าเข้ากับกราวด์และสายนิวทรัลเข้ากับกราวด์ ซึ่งเป็นโหมดปราบปรามทั่วไปอุปกรณ์ไฟกระชากโหมดดิฟเฟอเรนเชียลใช้ในการจับยึดและดูดซับแรงดันไฟกระชากระหว่างสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าและสายนิวทรัลในทำนองเดียวกัน อุปกรณ์ไฟกระชากโหมดทั่วไปจะใช้เพื่อยึดแรงดันไฟกระชากของสายเฟสเข้ากับโลกโดยทั่วไป การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก 1 ก็เพียงพอแล้วสำหรับมาตรฐานไฟกระชากที่มีความต้องการน้อยกว่า แต่สำหรับบางโอกาส จะต้องเพิ่มการป้องกันไฟกระชากในโหมดทั่วไป

ต้นกำเนิดของแรงดันไฟกระชาก

มีหลายปัจจัยที่สามารถสร้างแรงดันไฟกระชาก โดยทั่วไปเกิดจากฟ้าผ่า การชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุ วงจรเรโซแนนซ์ วงจรสวิตชิ่งอินดัคทีฟ การรบกวนของมอเตอร์ไดรฟ์ ฯลฯ แรงดันไฟกระชากบนโครงข่ายไฟฟ้าอาจกล่าวได้ว่ามีอยู่ทุกที่ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องออกแบบอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในวงจร

สื่อที่เผยแพร่กระแสไฟกระชาก

เฉพาะสื่อการแพร่กระจายที่เหมาะสมเท่านั้น แรงดันไฟกระชากจึงมีโอกาสทำลายอุปกรณ์ไฟฟ้าได้

สายไฟ-สายไฟเป็นสื่อที่สำคัญที่สุดและตรงที่สุดในการแพร่กระจายไฟกระชาก เนื่องจากอุปกรณ์ไฟฟ้าเกือบทั้งหมดใช้พลังงานจากสายไฟ และมีเครือข่ายการกระจายสายไฟอยู่ทั่วไป

คลื่นวิทยุ จริงๆ แล้วทางเข้าหลักคือเสาอากาศ ซึ่งง่ายต่อการรับคลื่นไร้สายหรือฟ้าผ่า ซึ่งสามารถพังอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ในทันทีเมื่อฟ้าผ่ากระทบเสาอากาศ มันจะทะลุเครื่องรับความถี่วิทยุ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ-ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์ จะมีการเน้นย้ำถึงแรงดันไฟฟ้ากระชากด้วยบ่อยครั้งเมื่อไดชาร์จมีการผันผวนที่ซับซ้อน แรงดันไฟกระชากขนาดใหญ่จะถูกสร้างขึ้น

วงจรอุปนัย - เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองของตัวเหนี่ยวนำเปลี่ยนแปลงกะทันหัน มักจะเกิดแรงดันไฟกระชาก

วิธีการออกแบบวงจรป้องกันไฟกระชาก

การออกแบบวงจรป้องกันไฟกระชากไม่ใช่เรื่องยากในความเป็นจริง การออกแบบวงจรป้องกันไฟกระชากในตัว วิธีที่ง่ายที่สุดต้องใช้เพียงส่วนประกอบเดียวเท่านั้น นั่นคือ MOV วาริสเตอร์หรือ TVS ไดโอดชั่วคราวดังแสดงในรูปด้านล่าง อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก 1-3 อาจเป็นวาริสเตอร์ MOV หรือ TVS

บางครั้ง จำเป็นต้องเชื่อมต่อวาริสเตอร์ MOV แบบขนานระหว่างเส้นกลางของสายไฟ AC เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน IECในการใช้งานหลายอย่าง จำเป็นต้องเพิ่มวงจรป้องกันไฟกระชากระหว่างสายไฟศูนย์กับกราวด์ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐานไฟกระชากที่สูงขึ้น เช่น ข้อกำหนดสูงกว่า 4KV

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสำหรับ Varistor MOV

ลักษณะพื้นฐานของ MOV

1. MOV ย่อมาจาก Metal ออกไซด์ varistor ตัวต้านทานโลหะออกไซด์ ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนไปตามแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานโดยปกติจะใช้ระหว่างโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อจัดการกับแรงดันไฟกระชาก
2. MOV เป็นอุปกรณ์พิเศษตามแรงดันไฟฟ้า
3. เมื่อ MOV ทำงาน ลักษณะของมันจะคล้ายกับไดโอดเล็กน้อย ไม่เป็นเชิงเส้น และไม่เหมาะกับกฎของโอห์ม แต่ลักษณะแรงดันและกระแสเป็นแบบสองทิศทาง ในขณะที่ไดโอดนั้นมีทิศทางเดียว
4. มันเหมือนกับไดโอด TVS แบบสองทิศทางมากกว่า
5. เมื่อแรงดันไฟฟ้าข้ามวาริสเตอร์ไม่ถึงแรงดันแคลมป์ จะอยู่ในสถานะวงจรเปิด

การเลือกตำแหน่งของวาริสเตอร์ในวงจรป้องกันไฟกระชาก

วาริสเตอร์เป็นส่วนประกอบสำคัญในอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากเมื่อออกแบบ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าฟิวส์อยู่ใกล้กับฟิวส์ที่ปลายอินพุตมากที่สุด ดังแสดงในรูปด้านล่างด้วยวิธีนี้ จึงมั่นใจได้ว่าฟิวส์จะถูกเป่าออกทันเวลาเมื่อมีกระแสไฟกระชากเกิดขึ้น และวงจรที่ตามมาอยู่ในสถานะเปิดเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายที่มากขึ้นหรือแม้กระทั่งไฟไหม้ที่เกิดจากกระแสไฟกระชาก