Всем доброго времени суток!
Мне поставили задачу "Вход устройства должен выдерживать импульс напряжения 1,2/50 мкс амплитудой 4 кВ по ГОСТ 51317.4.5-99"
Имеем графическое изображение импульса (в ГОСТе) и его амплитуду.
Возможно ли теоретически прикинуть, подойдут ли для защиты ограничительные диоды, например, 1.5KE?

Возможно.

есть статьи с формулами в интернете как пересчитать длительности/амплитуду в энергию и подобрать правильный супрессор(ы).

Определите, какое выходное сопротивление генератора помехи будет применяться для ваших цепей. По ГОСТ может быть 3 варианта: 2 Ом, 12 Ом и 42 Ом.
Если речь идет о цепях ввода-вывода, то скорее всего речь будет идти о 42 Ом. Исходя из этого определяйте ток, который должен пропустить через себя элемент защиты, падение, которое на нем будет при этом токе, соответственно будете знать рассеиваемую мощность. Дальше по этим параметрам выбираете нужный элемент или составляете схему из них. МИП - достаточно простая и предсказуемая помеха, разве что мощная.

Статьи с формулами ищу со вчерашнего дня, и очень удивился, что не нашел на этом форуме ничего по этой теме.
По поводу последнего ответа - поделив 4 кВ на 42 ома получим амплитуду импульса 95 А. А почему не надо учитывать его длительность?

Как правило в характеристиках элементов защиты от импульсных перенапряжений указывается и формы импульса тока, для которого приведены их характеристики. В ГОСТ также указана форма импульса тока испытательного генератора для случая его работы в режиме КЗ выхода. Вот вам нужно все это вместе свести и выбрать элемент защиты или цепочку из них.

Получается, я расчитал пиковый ток - 95 А. Рабочее напряжение защищаемой цепи 48 В.
Рассмотрим диод SMBJ48A.
Vcl = 100V, Ipp=40A это при 8/20 мкс.
Получается, такой диод мне не подходит, так?

Если я не ошибаюсь ST в своих даташитах на защитные супрессоры перешла на 8/20мкс - это, согласно ГОСТу, и есть форма импульса тока, если испытательное напряжение погасить на КЗ, чем и является супрессор.

По поводу подходит диод или нет - тут надо выяснить два вопроса:
1. Подходит ли этот диод для Вашей схеме по остаточному напряжению.
2. Выдержит ли этот диод указанный импульс тока.

По В.1. все просто:
У вас ток - 95А. Номинальные характеристики диода вы привели. В том же даташите есть график и формула для расчета Vcl для других токов. Типа такой: Vclmax=Vcl-Rd x(Ipp-Ippappl). В вашем случае, выходит приблизительно 155В при токе в 95А.
Т.е. остаточное напряжение, которое попадет в вашу схему при таком импульсе будет около 160В. Вопрос собственно - выдержит ли она? Если да, то можно переходить к вопросу №2. Если нет - надо добавлять второй уровень защиты - резистор, стабилитрон, ограничитель тока и т.д.

По В. 2. у SMBJ пиковая мощность на 4/20µs - 4кВт. Если считать, что у вас будет 95А с падением 160В, то выходит,что пиковая мощность будет 15,2кВт - т.е. диод гавкнется.

Еще добавлю, что как правило TVS не ставят прямо на вход цепи, в которую приходит МИП. TVS ставят уже как второй каскад защиты, а в первом лучше ставить либо варисторы, либо разрядники, либо их комбинацию, в зависимости от защищаемой цепи. Вы бы схему входной цепи привели, чтобы было понятно о цем речь.

В принципе для сигнальных цепей - т.е с сопротивлением генератора 42 Ома - TVS неплохо справляется при уровнях помех до 2кВ и если рабочее напряжение до 30В. Тогда больше ничего и не нужно.
А вот для цепей питания - 2 Ома - там да. Но даже уже сейчас есть TVS, которые при этом выживают. Например STIEC45 - прекрасно выдерживают МИП до 500А напрямую.

Кстати для ТС - 1.5KE47 вроде как по второму пункту проходит. Но выдержит ли ваша схема остаточное напряжение в районе 80В?

Испытывал на 2кВ супрессоры P6SMB/SM6T/SMBJ/1.5SMC на напряжения от 5 В до 220 В, стоящих непосредственно на входе дискретного входа. Свою функцию выполняют, выходов из строя не замечено.

Это типовые требования для изделий, устанавливаемых на улице - 2 кВ, т.е. 3-я степень по схеме провод-провод и 4 кВ, т.е. 4-я - по схеме провод-земля (в том же ГОСТ приложение А). Автор же хочет 4 кВ по схеме провод-провод, т.е. на одну ступень жесткости выше. Я вообще такого не встречал ни разу, даже не представляю, для чего это нужно - удар молнии выдержать?

Про удар молнии вы прямо в точку. Обычно эти вопросы начальство интересовали в июне-июле, а тут что-то у них поменялось.

Изначально мы имеем схему 1 (цифровой ввод данных, общий провод + питаия). Потом получили команду "чтобы это не ломалось никогда".
Чтобы не ломать себе голову "как же это правильно должно быть" стали искать стандарты. Нашли вроде на эту штуку - ГОСТ Р МЭК 870-3-93. Там в таблице 6 есть предельно допустимые параметры по постоянному току: +200% от Uном (24В) и -125% от Uном. Проверили - держит. Ну и отталкиваясь от параметров по постоянному току выбрали диоды.
Ну а таблицу А.1 конечно проморгали, спасибо что на неё указали.
Ни каких испытаний делать не будем, просто надо обосновать как-то выбор диодов.
Удивлят еще вот что - понаходили в интернете фото плат цифрового ввода Сименс, АББ. Ну нигде супрессоров не видели.
И еще вопрос: для чего на некоторых платах плюс и минус питания соединены с "землей" (в смысле с контуром заземления) через пленочные конденсаторы?

Для того чтобы помеха через них стекала на землю, а не лезла внутрь аппаратуры. То же самое можно делать и на дискретных входах, вернее даже без них иногда просто не обойтись.

вот по автомобильным импульсам
вот пример двухуровневой защиты
ps. у Microsemi есть супрессоры и на 15 и на 30 кВт
от молнии на входе сначала разрядники и позисторы ставят, а все что пролезло уже на втором уровне защиты давят.

Иногда это когда?


Спасибо!

Не могу дать однозначного ответа. Все зависит от схемотехники и разводки. Из своей практики: пока стояли обычные оптроны (например HCPL-817), на помехах (вроде это были повторяемые КЗП) они замыкали выход, даже при закороченном диоде. Заменили их на оптроны с экраном (ACPL-M50L) проблема ушла. Поставили "суперкомбайн" HCPL-0370, проблема вернулась и опять в бой пошли конденсаторы.

А какие конденсаторы: пленочные или керамические?

Y1, Y2 пленочные EPCOS. Керамику смотрели но то-ли из-за цены, то-ли из-за доступности не стали даже пробовать.

А источник питания от "земли" изолирован, так?

Да.

Пораскинул сегодня мозгами - если лспытания проводить по схеме "провод-провод" между входали (первый рисунок), есть ли смысл в защите от перенапряжений? Ток в схеме 2000В/3000 Ом = 666 мА, больше пикового тока для оптрона и диода.
Но если подавать импульсы между входом и общим проводом (второй рисунок, внизу на нем выход блока питания), то напряжение окажется приложеным к диоду блока питания и, как я понимаю, укакошит его. Как тут быть? Припаять супрессор на вход питания платы дискретного ввода?

По второй схеме - у вас катод оптрона тоже выходит из прибора?

Нет. Есто только цифровые входы и общий провод (СОМ), он же +24В.

Ну значит Вам надо супрессор ставить между входом и +24В. Это, кстати, должно автоматически решить и проблему на рис. 1.

То есть между каждым входом и +24В ("общим")?

ГОСТ - это документ, который нужно читать "от и до". Попробуйте прочитать его еще раз и осознать разницу между симметричными и несимметричными линиями.

Я понимаю что у меня на рисунках "неэкранированные несимметричные линии".
В стандарте пишут " в настоящем стандарте использованы термины, установленные в ГОСТ 14777, ГОСТ 30372/ГОСТ Р 50397-92, а также следующие...". Ни в одном я не увидел определения симметричных и несимметричных линий.
Подскажите, где искать.

Это из теории линейных электрических цепей. В Вашем случае симметричная линия это витая пара. На улице после грозы выживает то, что подключено витыми парами.

То есть больше шансов уцелеть у аппаратуры, подключаемой связевыми, а не контрольными кабелями?
И попадает ли под термин "симметричная линия" вход/выход аппаратуры? Все таки у связистов полная развязка с линией через трансформаторы, а у нас к кабелю подключен еще выход источника питания.
К чему я все спрашиваю - в нашей технике для питания цепей двоичного ввода применили изолированный DC-DC преобразователь "Ирбис" марка вылетела из головы. При грозе их много выходит из строя, больше чем у половины из-за пробоя выпрямительного диода.
Не имея средств на опыты и испытания, мы решили хоть как-то теоретически расчитать защиту, дабы выбить средства хоть для какой-то модернизации.

Мне кажтся, что у вас входной ток оптрона завышен, если сравнивать с аналогичными решениями.
На уровне 12 мА. Т.е. ток входа около 15 мА.
И еще вопрос появился: какая максимальная частота сигнала дискретных входов? На вашей оценочной схеме отстутствуют емкости на входе оптронов, которые имеются во многих схемах для повышения помехоустойчивости. При оценке влияния коротких импульсов на вход они бы значительно влияли.
На выходе источника питания значительная для коротких импульсов емкость. Поэтому надо целенаправленно действовать, чтобы убить выпрямительный диод преобразователя.

Ток через оптрон действительно завышен. В "заводской" версии он был, по моему, 0,6 мА. И очень часто были ложные "несрабатывания", тоесть контакт-датчик замкнут, но фототранзистор закрыт. Потом кто-то принес статю про дискретные входы микропроцессорных защит, по моему автор Гуревич, почитали, решили ток через оптрон повысить. А до какой величины? Взяли ГОСТ Р МЭК 870-3-93, там есть таблица "классы токов для двоичных входных сигналов" и решили остановиться на 2-м классе (5-10 мА).
А конденсаторов действительно нет. Хотя читал когда-то документ Аллен Брэйдли (сегодня порылся в сети, но с наскока не нашел), там рекомендовали шунтировать дискретный вход керамическим конденссатором. И кроме того, они ставили такие же керамические на 50 В между входом и "землей", ходя выше Bear ku говорил, что он от них отказался.

Хотел бы еще поинтересоваться о конденсаторах на "землю".
Нашел фото платы дискретного ввода АББ (она вставляется, как я понял, п пластиковый профиль).В ней стоят Y2 конденсаторы между землей и общими проводами. На сайте s7detali.narod.ru/ много фотографий плат сименсовских ПЛК, почти во всех общий провод дискретного ввода соединен с шасси через конденсатор. Вопрос: почему только общий провод?
И еще - в чем смысл испытания импульсами "провод-земля" в такиз системах? В полевых условиях ясно, есть сопротивление изоляции и емкость длинных кабелей, а в лабораторных условиях? (может, опять чего в стандарде не увидел). Какие повреждения или сбои может вызвать подача импульса "дискретный вход-земля", например, для платы на рисунке, у которой даже металлического корпуса нет?

Лабораторные испытания имитируют полевые условия. Если на плате есть точка подключения "земли", значит, при испытаниях относительно нее будут подавать импульсы. Предполагая, что в полевых условиях эта точка может соединяться с настоящей "землей".

На этой картинке плата цифрового ввода Scada Pack. На ней нет контакта "земля", хотя её корпус металлический и, наверно, заземляется. Как проводят испытания подачей импульсов "провод-земля" для неё?

Это Вам лучше у производителя спросить.
Однако, исходя из этого http://rfemcdevelopment.eu/ru/standarti/en61000-6-2-2005, можно сделать вывод, что стандартом такие испытания не предусмотрены.

Если у устройства есть "земля", то проблем с испытаниями "провод-земля" никаких нет. Если же вы хотите испытывать плату вне конечного устройства, то этот шаг становится просто непонятен.

То есть если я утверждаю, что мое устройство соответствует 4-му классу по ГОСТ Р 51317.4.5, оно должно илеть вывод "земля" для испытания "провод-земля"?

Если у вас неметаллический корпус, то зачем?

Поинтересовался в испытательной лаборатории, однозначного ответа не получил. С одной стороны в ГОСТ-ах про эту ситуации ничего не нашли. С другой стороны, связь оборудования с землей все равно есть. И то что, в устройстве отсутствует болт заземления, не спасет его от наведенной на провода помехи.

Из практики испытательной лаборатории: в конструкции устройства без предусмотренного заземления землю крепили болтом к металлическому основанию и проверяли по полной.

Каким образом?

Как минимум по питанию. То что в оборудование заходит всего два провода, не означает что где-то там, вдалеке они не связаны с землей. А также учтите и емкостные связи. Элементы крепления тоже внесут свою лепту. Как простейший пример: если вы возьметесь за фазу в розетке, мало не покажется.

Все правильно, требования электробезопасности. Потому что, если допускается использовать девайс на улице, через металлический корпус может протекать ток от разряда молнии. Поэтому корпус должен быть заземлен, даже если там по питанию применяется двойная изоляция.

Я не понимаю в чем проблема. Микросекундную помеху можно либо задавить, либо игнорировать. Если корпус непроводящий и нет земляного вывода, то логично предположить, что оборудование не связано с землей. Следовательно прицепив землю к любому месту на обшивке прибора, и подавая 4кв между ней и проводами, ничего не произойдет. Фактически испытания на помеху в этом случае превращаются в испытания изоляции на импульсный пробой, в котором кстати форма импульса такая же.
Про фазу в розетке я не понял - если я изолируюсь от земли, то чего мне мало покажется?

Угу, и прибору ничего не будет если его засунуть в резиновые перчатки, положить на резиновый коврик и главное не включать.
А испытания изоляции, на сколько я помню, проводят при выключенном оборудовании. Вы уверены что это одно и то же?

Andy Mozzhevilov - правильно написал, что TVS не ставят непосредственно на вход. Медленные они, на пиковую мощьность выходят к 10мкс, мы решали данную проблему - путем затягивания переднего фронта, LC цепью. По спытаниям все прошло. Да и если прибор не предусматривает подключения "земли", то испытания "провод-земля" не проводят

Это фронт импульса 10 мкс при испытаниях, а сами TVS вот такие:
Ничего быстрее их пока что не придумали.

А пробовали проводить испытания без LC цепей? Я имею ввиду зачем создавать проблему, там где ее нет? У нас стоит TVS непосредственно на входе сигнальных линий. При испытаниях 42Омным генератором на 1кВ все прекрасно прошло без проблем.

Без LC взрывались, испытания проводили ИИП-4000, стояли 15KE400.

Ну тут как-бы он обязан был взорваться. Но все-же утверждение

не совсем верно для более низких рабочих напряжений.