Моделирование работы защиты от перенапряжения, Дроссель, TVS-диод, конденсатор Опции

[Alt.F4]

Добрый день.
Решил промоделировать схему защиты от перенапряжения включающую в себя:
Дроссель 100мкГн, затем TVS-диод на 22В и конденсатор.
Моделирую в NI Multisim 10.
Результат следующий:
1. Если на вход подано 80В, то супрессор открывается и при этом на R1 измеряю 80В. (Ставил пред, но пока он перегорит...)
2. Включаю 80В импульсом ~2мс, на выходе импульс достигает 100В.
Вопрос: что я неправильно делаю?
Спасибо.

з.ы. модель диода по току выбрана не верно, но в симуляторе видимо это не учитывается, т.к. ошибок не выдавалось (мощных в библиотеке почему-то на 18В-22В нет)

Еще промоделировал работу биполярного транзистора.
Почему сопротивление открытого коллектора 620кОм?
Это ошибка симулятора?
Спасибо.


Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 8 2011, 15:22

[тау]

Вопрос: что я неправильно делаю?

Это ошибка симулятора?

это не ошибка симулятора. Предохранитель надо бы вставить , он красиво выгорает. А еще лучше все это делать в реале . Как показывает жизнь, к симуляторам надо приступать когда есть некоторый реальный собственный опыт и хотя бы минимальные знания.

Для наводки Вам привожу некоторые картинки. А учебники Вы читали ?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alt.F4]

это не ошибка симулятора. Предохранитель надо бы вставить , он красиво выгорает.

Но ведь предохранитель выгорает не мгновенно (тем более если напряжение будет приложено импульсно)! И за это время все может повыгорать?!

А учебники Вы читали ?

Пишут вот так: "в режиме насыщения (транзистор открыт) сопротивление коллектор - эмиттер транзистора равно не более 1Ом" (Из интернета)

Для наводки Вам привожу некоторые картинки.

Что супрессор открывается и ток через него достигает 125А это понятно.
По второй картинке - не знаю...

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 8 2011, 18:46

[тау]

Но ведь предохранитель выгорает не мгновенно (тем более если напряжение будет приложено импульсно)! И за это время все может повыгорать?!

Да, предохранитель на 100 А выгорит позже слабенького стабилитрона.

Пишут вот так: "в режиме насыщения (транзистор открыт) сопротивление коллектор - эмиттер транзистора равно не более 1Ом"

это неправда. Что за книжка такая модная ?

Для биполярного транзистора более уместен праметр "напряжение насыщения" при каком -то или ином токе коллектора и заранее заданном токе базы. Почитайте Титца и Шенка.

Вот в вашем случае при нулевом токе коллектора модель показывает напряжение насыщения примерно 6 милливольт, а прибор , который подключен в симуляторе "проверяет цепь " током 10 наноампер по умолчанию. Этот мизерный ток не в состоянии изменить напряжение насыщения 2-х переходов транзистора, там текут гораздо более сильные токи из цепи базы. Прибор делит измеренные 6 милливольт на свои 10nA и получает результат в 600 килоом.

"в режиме насыщения (транзистор открыт) сопротивление коллектор - эмиттер транзистора равно не более 1Ом" (Из интернета)

в данном примере интернет - это помойка.

Сообщение отредактировал тау - Mar 8 2011, 19:06

[Alt.F4]

Да, предохранитель на 100 А выгорит позже слабенького стабилитрона.

Будем считать, что супрессор не выгорает и возьмем пред на 3А. За 2мс импульса в 80В он не выгорает, зато эти 80В попадают на защищаемые цепи...
Просто раньше как-то не задумывался, что вся защита по сути сводится на выгорание преда.

тау, по поводу транзистора, разобрался, спасибо большое. Это у меня со временем забывается инфа, которую раньше получил. Надо записывать...

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 8 2011, 19:18

[Microwatt]

А что у Вас в схеме делает дроссель? Вы его назначение можете пояснить? или просто так. где-то люди ставили и я поставил какой на глаза попался?
В вашем случае он совершенно бесполезен.

[Alt.F4]

Microwatt, он замедляет наращивание тока в цепи. Дроссель вместе с конденсатором стоит, чтобы за время открытия супрессора в защищаемой цепи были минимальные изменения напряжения.
Супрессор открывается за 1мкс. Таким образом ток за 1мкс вырастет до: (e / L )* dt = ((80В-12В) / 100мкГн) * 1мкс = 680мА
Для изменения напряжения в цепи на 0,1В надо конденсатор на: С = I * dt / dU = 0,68A * 1мкс / 0,1В = 6,8мкФ (я промоделировал с 1мФ).

А вот что делается после открытия супрессора, я не знаю...

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 8 2011, 19:56

[Alexashka]

А вот что делается после открытия супрессора, я не знаю...

Попробуйте заменить его батарейкой на 22В и резистором на 10...20 Ом. По идее должно тоже самое получиться

[Alt.F4]

Попробуйте заменить его батарейкой на 22В и резистором на 10...20 Ом. По идее должно тоже самое получиться

Вы намекаете, что в цепи будет напряжение 22В?
Но ведь я просимулировал и сделал скриншот (первый пост). Все не так.

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 8 2011, 20:50

[Alexashka]

Вы намекаете, что в цепи будет напряжение 22В?
Но ведь я просимулировал и сделал скриншот (первый пост). Все не так.

Да но у Вас индуктивность идеальная? И импульс достаточной длительности. А значит ток через нее будет расти пока напряжение на нагрузке не сравняется с напряжением импульса, вплоть до бесконечности. Добавьте сопротивление в индуктивность(0.1...1Ом), но даже в этом случае делитель образуемый этими сопротивлениями не уменьшит напряжение импульса в значительной степени. Нужен другой диод, с меньшим активным и диф.сопротивлением.

[Microwatt]

Microwatt, он замедляет наращивание тока в цепи.
Супрессор открывается за 1мкс. Таким образом ток за 1мкс вырастет до: (e / L )* dt = ((80В-12В) / 100мкГн) * 1мкс = 680мА
А вот что делается после открытия супрессора, я не знаю...

Сапрессор открывается куда быстрее. Те пару наносекунд за которые он откроется задержит и индуктивность линии.
За те 2 мс, которые Вы заложили в модели и в десять раз больший дроссель существенно ничего не замедлит.
Вообще-то, можно сказать, что дроссели в этом месте ставят не для замедления скорости роста, а для ограничения тока. Если ставят дроссель, то предполагают, что перенапряжения будут ограниченной длительности и ток вообще не нарастет до опасных значений.
После открытия сапрессора начинается соревнование: кто быстрее выгорит - линия, предохранитель, сапрессор? Соревнование, обычно, заканчивается без победителя, поскольку заканчивается кратковременный выброс.
Попробуйте пересчитать так, чтобы дроссель и предохранитель заменить резистором на 1-2 ома. Если уж попадет на высокое напряжение, то какая разница - менять резистор или предохранитель?
А в пределе можно и RC-цепью на входе обойтись. Она поглотит короткие перенапряжения.

[Alt.F4]

За те 2 мс, которые Вы заложили в модели и в десять раз больший дроссель существенно ничего не замедлит.

По-моему по ГОСТам не менее 10мс допустимы импульсы большой амплитуды в автомобиле.

Если ставят дроссель, то предполагают, что перенапряжения будут ограниченной длительности и ток вообще не нарастет до опасных значений.

Вопрос у меня не про ток, а про напряжение. При симуляции 80В присутствуют на выходе.
Вопрос: зачем тогда супрессор? Ну открылся он, ну пошел большой ток, но ведь 80В уже на выходе!!! В чем тогда суть защиты?

После открытия сапрессора начинается соревнование: кто быстрее выгорит - линия, предохранитель, сапрессор?

А то, что на выходе схемы, не может выгореть?

Что-то я долго редактирую месаги...

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 8 2011, 22:33

[Alexashka]

Я немного не улавливаю смысл. Вы предлагаете снизить напряжение на выходе с помощью резистивного делителя?

Защита от перенапряжения сводится к обрыву предохранителя в конечном итоге? Я правильно рассуждаю?

Упс. Поздно написал... Сейчас исправлюсь.

Да нет же

Попробуйте заменить его батарейкой на 22В и резистором на 10...20 Ом.

добавьте сопротивление в индуктивность(0.1...1Ом)

Если Вы соберете эту цепь то увидите что сопротивление катушки и диф.сопротивление стабилитрона образуют делитель напряжения. (ну еще можно учесть сопротивление нагрузки, однако не суть важно)
Это к вопросу о том откуда у Вас 80В на нагрузке.
Если же вопрос в том что и где должно сгореть, то Microwatt достаточно подробно расписал.
От себя добавлю, что задача супрессора всетаки поглощать энергию импульса, однако она должна быть чемто ограничена. В Вашей симуляции она ничем по сути не ограничивается: дроссель на таких временах уже не спасает, активного сопротивления в цепи питания (ни в батарейко, ни в дросселе) нетути. Поэтому супрессор тут бессилен.

[Alt.F4]

Если Вы соберете эту цепь то увидите что сопротивление катушки и диф.сопротивление стабилитрона образуют делитель напряжения. (ну еще можно учесть сопротивление нагрузки, однако не суть важно)

Образуют делитель. В итоге пусть будет на выходе 50В, но это все равно много.

От себя добавлю, что задача супрессора всетаки поглощать энергию импульса, однако она должна быть чемто ограничена. В Вашей симуляции она ничем по сути не ограничивается: дроссель на таких временах уже не спасает, активного сопротивления в цепи питания (ни в батарейко, ни в дросселе) нетути. Поэтому супрессор тут бессилен.

Сопротивление добавил, результат отрицательный.

И все-таки, в конечном итоге, когда супрессор открыт, на выходе мы имеем большое напряжение. Где-то ошибка или так должно быть?

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 9 2011, 10:01

[Microwatt]

Другими словами, Вы устроили в модели идеальное короткое замыкание источника помехи бесконечной мощности на сапрессор. Бесконечно большой ток он пропустить не может, источник помехи - идеальный источник напряжения, с нулевым внутренним сопротивлением.
Реальная жизнь тем от модели отличается, что нет в ней идеальных источников токов, напряжений, проводников. Сопротивление подводящих проводов, дорожек, провода кторым намотан дроссель, источника самой помехи существует и далеко не нулевое. Добавьте вместо дросселя 0.1Ома добавьте в сам источник внутреннее сопротивление и поведение модели резко изменится.
А то, что по ГОСТ выбросы до 10мс - пусть будет и 10, но надо же это учитывать, использовать в расчете. Если всплеск длится 10мс, то ток в 100мкГн дросселе нарастет до такой величины, что и не снилось. Тогда явно он бесполезен, не решает поставленной задачи.

[galya]

...вообще-то ZPD22 это простой стабилитрон(ZPD - zener power diode) и к супрессорам имеет мало отношения тем более что даже изготовитель не нормирует его быстродействия и даже емкости...
...сравните параметры стабилитрона и защитного диода..

Сообщение отредактировал galya - Mar 9 2011, 09:04

Прикрепленные файлы

 ZPD1_75.pdf ( 413.81 килобайт ) Кол-во скачиваний: 11
 SMP100MC.pdf ( 121.48 килобайт ) Кол-во скачиваний: 12

 

[Alt.F4]

Microwatt, Вы наверное пропустили мой пост 14, я это уже сделал.
galya, я же писал в первом посте: з.ы. модель диода по току выбрана не верно, но в симуляторе видимо это не учитывается, т.к. ошибок не выдавалось (мощных в библиотеке почему-то на 18В-22В нет)

[galya]

...модель диода по току выбрана не верно.......а причём здесь ток....ZPD22 - это просто стабилитрон типа Д81хх....а TVS-диод это грубо говоря симистор с определённым напряжением срабатывания...
зайдите сюда по ссылкам ..там есть и datasheet и модели spice ...

...http://www.onsemi.com/PowerSolutions/parametrics.do?id=824
http://www.onsemi.com/PowerSolutions/suppo...amp;rpn=ESD7951

Сообщение отредактировал galya - Mar 9 2011, 10:27

[Пушкарев Михаил]

ZPD22 - это просто стабилитрон типа Д81хх....а TVS-диод это грубо говоря симистор с определённым напряжением срабатывания...

Неправда ваша. TVS - это тоже стабилитроны с некоторыми технологическими ухищрениями, позволяющими более равномерное токораспределение по площади кристалла при пробое.

[Alt.F4]

Ответьте на один вопрос:
В конечном итоге, когда супрессор открыт, на выходе мы имеем большое напряжение. Где-то ошибка или так должно быть?

[Alexashka]

 я же писал в первом посте: з.ы. модель диода по току выбрана не верно, но в симуляторе видимо это не учитывается, т.к. ошибок не выдавалось (мощных в библиотеке почему-то на 18В-22В нет)

О чем Вы говорите? Каких ошибок? Модели глубоко фиолетово какой вы импульс к ней приложите, это формула. То что в модели этот диод после приложенных 80В продолжает как ни в чем не бывало работать ничего не говорит о том, что в реальной жизни от него бы осталась лишь кучка пепла.

ЗЫ. А несколько диодов параллельно соединить не приходило в голову?

[тау]

И все-таки, в конечном итоге, когда супрессор открыт, на выходе мы имеем большое напряжение. Где-то ошибка или так должно быть?

Так должно быть!
Сапрессор не может поглотить неограниченную мощность сам по себе. Или мощность помехи ограничивайте (в реале она всегда ограничена) или ставьте перед сапрессором фильтр, который эту помеху не пропустит . Можно поставить активный фильтр (ограничитель тока) , который при малом входном напряжении будет как-бы открыт , а при повышении начнет ограничивать ток.
Для малых мощностей потребления проще всего поставить резистор с большим запасом по мощности на импульс 10 миллисекунд. сколько надо иметь на выходе защищенного питания 12 V, 5 V , 3 V - от этого отталкивайтесь , оптимальные решения будут разными.

[galya]

...мдяяя....какая-то путаница в терминологии... у одних производителей TVS диод это действительно быстрый двуханодный стабилитрон....у других двуханодный стабилитрон с функцией симистора...
...а так как модель это математическое отображение свойств этого компонента(только не поставлены граничные условия на перегорание) то при увеличении тока через стабилитрон напряжение на нём может быть выще чем напряжение пробоя за счёт внутреннего резистора(обьёмного сопротивления....)

Сообщение отредактировал galya - Mar 9 2011, 10:59

[Alt.F4]

Alexashka, сейчас не идет речь про реальную модель. Мне надо понять суть, каким образом идет поглощение энергии импульса.
тау, так ведь я же уже ограничил здесь. Результат - на выходе 50В.

Что вообще подразумевается под "поглощением мощности диодом". Он открывается и замыкает цепь - идет максимальный ток. Но в чем смысл, если на выходе тоже поднимается напряжение?
Или вся суть открытия диода сводится к образованию резистивного делителя, про который пишет Alexashka?

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 9 2011, 10:59

[Пушкарев Михаил]

Ответьте на один вопрос:
В конечном итоге, когда супрессор открыт, на выходе мы имеем большое напряжение. Где-то ошибка или так должно быть?

Для примера привожу текст модели стабилитрона BZX84. В модели bv - пробивное напряжение, Rs - последовательное сопротивление (сопротивление тела диода). Если Вы подключили к такому устройству с напряжением стабилизации 22 В батарею с напряжением 80 В, то 58 В выпадут на последовательном сопротивлении. При этом ток через стабилитрон 116 А, можете проверить в симуляторе.
.model BZX84C12L D(Is=.6u Rs=.5 Cjo=150p nbv=5 bv=12 Ibv=1m Vpk=12 mfg=Motorola type=zener)

[Alt.F4]

Если Вы подключили к такому устройству с напряжением стабилизации 22 В батарею с напряжением 80 В, то 58 В выпадут на последовательном сопротивлении. При этом ток через стабилитрон 116 А, можете проверить в симуляторе.

Ё! Спасибо. Теперь понятен смысл супрессора!!! Наконец-то!
Проблема того, что на выходе в симуляторе я имею большое напряжение в том, что диод в открытом состоянии имеет свое сопротивление, и если оно достаточно велико к отношению всей цепи, то основное падение напряжения будет на самом диоде.
Поставил в симуляторе BZV55-B22 и на выходе имею положенные 22В!
З.Ы. BZX84C22 - по ходу имеет большое внутреннее сопротивление, с ним при суммарном сопротивлении цепи от источника тока до диода в 700мОм на выходе было 40В.

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 9 2011, 11:24

[Пушкарев Михаил]

Ё! Спасибо. Теперь понятен смысл супрессора!!! Наконец-то!
Проблема того, что на выходе в симуляторе я имею большое напряжение в том, что диод в открытом состоянии имеет свое сопротивление, и если оно достаточно велико к отношению всей цепи, то основное падение напряжения будет на самом диоде.
Теперь вопрос: какое обычно сопротивление в реальных условиях от источника тока, до нагрузки?
Спасибо.

Из Вашего сообщения не ясно, где предполагается эксплуатировать устройство. В стандартах в описании методов испытаний на устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии сопротивление воздушной линии электропередачи принимается равным 2 Ом, сопротивление сигнальных линий - 42 Ом.
В общем случае следует принимать сопротивление проводов от источника помехи до защищаемого устройства. Ну и предохранитель для защиты ограничителя напряжения не помешает.

[Alt.F4]

Пушкарев Михаил, спасибо Вам большое за объяснение принципа работы защиты с помощью TVS-диода!
Теперь все понятно

[тау]

Поставил в симуляторе BZV55-B22 и на выходе имею положенные 22В!
З.Ы. BZX84C22 - по ходу имеет большое внутреннее сопротивление, с ним при суммарном сопротивлении цепи от источника тока до диода в 700мОм на выходе было 40В.

а что вы будете делать, когда узнаете что у BZV55-B22 максимальный ток 1,25A в течении 100 мкс ? На симулятор пенять ?

[Alt.F4]

тау, я уже несколько раз писал з.ы. модель диода по току выбрана не верно, но в симуляторе видимо это не учитывается, т.к. ошибок не выдавалось (мощных в библиотеке почему-то на 18В-22В нет)
В реале буду использовать 1.5КЕ22А

Вопрос исчерпан.

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 9 2011, 12:00

[Alexashka]

Вопрос исчерпан.

Т.е почему

Мне надо понять суть, каким образом идет поглощение энергии импульса.

Вы уже поняли? Ну слава Богу  ежели так

[тау]

В реале буду использовать 1.5КЕ22А

ага, 32 вольта на 47 амперах при допустимой мощности 10mS одиночного импульса в 400-600 вт, которая должна быть снижена к концу импульса вполовину .

Вопрос исчерпан.

сильно сомневаюсь

[Alt.F4]

Вы уже поняли?

Меня интересовал вопрос, почему на выходе схемы при открытом диоде было высокое напряжения. Ответ был получен.

ага, 32 вольта на 47 амперах при допустимой мощности 10mS одиночного импульса в 400-600 вт, которая должна быть снижена к концу импульса вполовину

Что-то я не понял о чем Вы. Из даташита:
Max.Clamping Voltage = 30.6В
Max.Peak Pulse Current = 49А
Peak Power Dissipation (at tp = 1.0ms) = 1500Вт
С учетом того, что написал уважаемый Microwatt: После открытия сапрессора начинается соревнование: кто быстрее выгорит - линия, предохранитель, сапрессор? Соревнование, обычно, заканчивается без победителя, поскольку заканчивается кратковременный выброс., я считаю что данного супрессора хватит для моего случая. С 10мс я возможно переборщил.

[тау]

Max.Clamping Voltage = 30.6В

это напряжение устраивает ? (на самом деле оно будет больше так как будет больше ток)

Max.Peak Pulse Current = 49А

реальный ток в цепи с резистором 0.6 Ома и внутренним резистором сапрессора (32-22)/49= 0.2 Ома , в сумме 0.8 Ом , будет (80-22)/0.8= 72 А , при этом на сапрессоре упадет 22+0.2*72= 36 вольт (устраивает 36 вольт на нагрузке в течении 10mS ??? )

Peak Power Dissipation (at tp = 1.0ms) = 1500Вт

грубо считайте что для импульса в 10 раз ширее эта мощность должна быть в 10 раз меньше, чтобы сапрессор не развалился. т.е 150-200Вт , или 10 Ампер через сапрессор максимум ! , у вас предвидится в 8 раз больше.

С учетом того, что написал уважаемый Microwatt: После открытия сапрессора начинается соревнование: кто быстрее выгорит - линия, предохранитель, сапрессор? Соревнование, обычно, заканчивается без победителя, поскольку заканчивается кратковременный выброс., я считаю что данного супрессора хватит для моего случая. С 10мс я возможно переборщил.

Для 1 миллисекунды пиковая мощность 36*72=2592 ватта, так что тоже не проходит, тем более это постоянная мощность на сапрессоре в импульсе в вашей схеме, а если внимательно почитать даташит и разобраться с Fig.3 "PULSE WAVEFORM" то к концу 1mS импульса мощность 1500Вт должна упасть вдвое , чтобы сапрессор не развалился.

я считаю что данного супрессора хватит для моего случая

урезайте осетра или ищите другое решение (предлагаю 20 штук 1.5КЕ22А выбранных вами в параллель) - тогда Вы вероятно выполните свои требования в такой схеме. Или резистор ставьте побольше , не 0,6 Ома, или индуктивность на порядки бОльшую, или вообще другую схему.

Сообщение отредактировал тау - Mar 9 2011, 13:30

[Alt.F4]

это напряжение устраивает ? (на самом деле оно будет больше так как будет больше ток)

Почему- это оно будет больше? Это самый предел, т.е. при этом напряжении диод будет открыт 100%. А вообще он на 22В.

реальный ток в цепи с резистором 0.6 Ома и внутренним резистором сапрессора (32-22)/49= 0.2 Ома , в сумме 0.8 Ом , будет (80-22)/0.8= 72 А , при этом на сапрессоре упадет 22+0.2*72= 36 вольт (устраивает 36 вольт на нагрузке в течении 10mS ??? )

Реальный ток в цепи будет с учетом сопротивления всех проводов, источника тока, дросселя будет намного меньше. Я предполагаю не более 40А. Кстати импульс в 80В взят из потолка.

По-моему сейчас уже мы просто переливаем из пустого порожнее.

Сообщение отредактировал Alt.F4 - Mar 9 2011, 13:45