2017 三月

过电压保护

基本保护

智能恒温器、门禁控制和防盗报警系统等在智能建筑和智能家居应用已逐步成为建筑管理系统的标准配置。在这些应用中,火灾报警系统显得尤其重要,因为该系统关系到人身和财产安全。为保障火灾报警系统的可靠性,TDK集团推出一系列爱普科斯 (EPCOS) 关键元件,其中最重要的莫过于过电压保护解决方案。

写字楼、酒店、机场、商场均为人群大量流动的建筑场所,因此必须配备自动火灾报警系统。该系统是由传感器、执行器、电源和数据传输单元所组成的复杂系统。一般而言,每个火灾探测器都能通过网络链接到控制器。

根据建筑结构和布局的不同,我们采用环形和星形网络拓扑结构。控制器执行两项具体任务:定期扫描安装设备,如果随后发现探测器已启动,控制器必须触发包括建筑物内所有的声音和可视化报警装置执行必要的动作,关闭防火门,以及通过LAN或移动通信网络执行消防服务。

例如,火灾报警系统可通过24V电源供电。由于系统在电源发生故障时仍然需要继续工作,因此火灾报警系统电源集成了UPS,即使发生长时间断电,系统也能确保合适的供电电压。除火灾探测器外,运动探测器和玻璃破碎传感器也必须集成到该系统中。图1显示了火灾报警系统的基本结构。

 

图1:火灾报警系统结构,其中火灾探测器网络采用双环拓扑结构。此外,声音报警装置(扩音器)还能在星形网络拓扑结构中运行。

火灾探测器采用不同的传感器技术,具体技术取决于其应用需求:

  • 探测烟雾的光学传感器
  • 检测温升的温度传感器
  • 探测CO和CO2的气体传感器

图2显示了带光学传感器的火灾探测器的原理框图。

 

图2:在火灾探测器内部,微控制器 (3.3 V)、红外发射器和接收器 (10 V) 通过电源总线 (24 V) 供电。 


严苛的过压保护要求

由于工作环境的复杂性,火灾报警系统需要应对各种过电压现象,如数据和电源电缆产生过电压.电源线和信号线都会受到过压影响。由于系统电缆较长,具有多种耦合情形由,过电压问题更加严重。图3概述了可能存在的过电压类型。

 

图3:根据电压等级、持续时间和原因,过电压会有所不同。可采取多种相应的测量波形和标准对过电压进行测量。

静电放电IEC 61000 4-2
雷电冲击电压IEC 61000 4-5
电压突变,EFT(电快速瞬变)IEC 61000 4-4
感性负载切换ISO 7637-2
TOV(暂时过电压)无标准

TDK集团生产的爱普科斯 (EPCOS) 压敏电阻适用于各种过电压类型。不过这里必须区分单片式和叠层式。

单片式压敏电阻专为高电压和大电流而设计,因此适用于电源输入端。除传统的片状压敏电阻,爱普科斯 (EPCOS) ThermoFuse™压敏电阻的T14和T20系列特别适用于与安全相关的应用。其工作电压为130 VRMS至1000 VRMS,抗浪涌电流能力可高达10,000 A (8/20 µs)。

如果ThermoFuse压敏电阻过热,集成熔丝会将压敏电阻与网络隔离,防止印制电路板上出现任何着火现象,或损坏位于压敏电阻附近的元件。熔丝和压敏电阻安装在塑料外壳的内部,并且与压敏电阻的涂层类似,采用阻燃性材料制成。

这些元件具有三个接头:两个用于电力电缆,一个用于监测输出,例如可通过该监测输出,经由LED显示元件的状态。为便于更换,这些压敏电阻可采用印制电路板端子进行安装。

 

图4:防止过热的ThermoFuse系列压敏电阻。 此外,元件状态可通过监测输出端进行持续监测。


对火灾报警系统电源总线以及火灾探测器本身而言,CTVS浪涌保护系列的多层压敏电阻适用于参考IEC 61000 4-5标准定义的浪涌测试。由于采用多层设计,CTVS能提供满足需求的各种额定电压的产品。封装尺寸为0805至2220的表面贴装元件专为8/20 µs (4 kV) 或10/700 µs (2 kV) 的脉冲电流而设计,其抗浪涌电流能力可高达6000 A,并且能承受高达15 J的冲击能量。这些元件适用于IEC 61000 4-2 Level 4的ESD防护要求,并且能提供高达30 kV的可靠保护。

与其它保护元件技术(如TVS二极管)不同,爱普科斯 (EPCOS) CTVS压敏电阻在温度高达150°C时都不会出现性能降额。

根据安全系统制造商对某些元件的特定要求,CTVS系列的相关类型产品已经通过了UL 1449(文档编号E481997)认证。

同一压敏电阻适用于各种电压等级

采用光学传感器的火灾探测器需要提供额外的内部供电电压等级:红外发射器和接收器为10 V,微控制器为3.3 V。图5显示了在火灾探测器内部生成不同电压等级的可能电路图。

 

图5:通过10 V分立式解决方案和3.3 V LDO(线性调压器)在火灾探测器内部生成不同的电压等级。此处使用四个压敏电阻以防止过电压。



通过24V直流母线供电的输入端必须始终使用压敏电阻 (CTSV1) 进行过压防护。CTVS浪涌电压保护系列的CT2220K30G 爱普科斯 (EPCOS) 表明贴装型(SMD) 多层压敏电阻可实现该目的,其最大直流电压为38 V,耐冲击电流设计为1200 A (8/20 µs)。该压敏电阻应尽可能靠近接线端子安装。并联的C1投切电容器(如TDK MLCC)可抑制高频干扰。根据总线电压或冲击电压的要求,TDK集团的产品系列还包括许多其它可用于输入端的多层压敏电阻。

包含Q1、R1和D1在内的电路构成了输出电压为10V的电压控制器。为提高安全性,CT0402S11ACCG爱普科斯 (EPCOS) 压敏电阻与齐纳二极管 (D1)并联,当二极管故障时压敏电阻可以导通以防止Q1基极处出现过电压。10V稳压输出端通过另外一个压敏电阻 (CTVS3) 提供保护。另外,陶瓷电容器C2和C3用于稳压和噪声抑制。而LDO控制器产生的微控制器电压可通过CDS2C05GTA压敏电阻 (CTSV4) 进行保护。

爱普科斯 (EPCOS) CTVS浪涌保护系列的关键数据


VRMS [V]:30 - 115
VDC [V]38 - 150
Isurge (8/20 µs) [A] 80 - 6000
Wmax [J]0.3 - 15
尺寸(EIA)0805 - 2220


除电源线缆,还需要对数据电缆进行保护,因为静电 (ESD)会对接口造成严重的损坏。鉴于此,TDK集团推出爱普科斯 (EPCOS) CeraDiode®高速数据线系列,为客户提供出色的保护。由于该系列产品的电容值低至0.6 pF(具体视型号而定),信号的完整性不会受到任何影响。除常规单路器件,还有阵列类产品,比如最多适用四路数据线的阵列产品。该产品另外一个引人注目的技术特点是CeraDiodes的响应时间极短,≤0.5 ns。

通过PTC热敏电阻提供短路保护

由于所有的火灾探测器并联再电源总线上,因此单个设备的短路可能会导致整个线路部分的瘫痪。为防止这种情况发生,每个火灾探测器必须配备相应的保险丝。PTC热敏电阻特别适合于该任务,因为它们能作为自恢复保险丝。其功能原理是:当热敏电阻处于低温(室温)状态下,它保持低阻态。如果遇到短路情况,即出现明显高于指定最大值的电流,则PTC热敏电阻将会发热,并立即切换到高阻抗状态。这能将电流限制到安全水平内。一旦短路原因被排除,PTC热敏电阻将重新冷却并返回其低阻抗状态。B59873C0120A570 爱普科斯 (EPCOS) PTC在25°C时的最大负载电流为90 mA,非常适合火灾探测器。

各种火灾报警系统元件

除过电压保护解决方案外,其它的爱普科斯 (EPCOS) 和TDK元件系列也适用于火灾报警系统。这些元件包括电感和陶瓷、薄膜和铝电解电容器,以及NTC热敏电阻。除此以外,NTC热敏电阻还能根据其热工作原理而制造,以满足火灾探测器的应用。

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