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        壓敏電阻在IEC 62368-1中的試驗要求

        2022-03-26 07:37:16胡華軍
        電子元器件與信息技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:壓敏電阻外殼串聯(lián)

        胡華軍

        (中檢集團(tuán)南方測試股份有限公司,廣東 深圳 518055)

        0 引言

        隨著電子信息科技的發(fā)展,各種電子電器設(shè)備給我們的生活帶來便利,同時也存在無形的安全隱患。壓敏電阻是指MOV或VDR。壓敏電阻在電子電器產(chǎn)品設(shè)計上是一個非常重要的元器件。安全標(biāo)準(zhǔn)IEC62368-1《音頻/視頻、信息和通信設(shè)備 第1部分:安全要求》針對壓敏電阻提出了新的要求,本文分析并介紹相關(guān)測試要求。

        1 壓敏電阻定義和介紹

        “壓敏電阻”是一種限壓型保護(hù)器件,具有非線性伏安特性的電阻器件,主要用于在電路承受過壓時進(jìn)行電壓鉗位,吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件,從而實現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor”,簡寫為“VDR”,或者叫作“Varistor”。現(xiàn)在大量使用的“氧化鋅”(ZnO)壓敏電阻,具有殘壓低、響應(yīng)時間快、無續(xù)流等優(yōu)點,目前在電子技術(shù)、通信領(lǐng)域大量使用。但是它同時也存在泄露和寄生電流較大等弊端,不利于對高頻電子的保護(hù)[1]。

        1.1 氣體放電管

        氣體放電管是一種間隙式的防雷保護(hù)元件,放電管內(nèi)充入電氣性能穩(wěn)定的惰性氣體,外殼材料多為陶瓷,又稱陶瓷放電管。氣體放電管它的極間絕緣電阻大、寄生電容小,但是它的通流能力比壓敏電阻大,響應(yīng)時間較長。而且,氣體放電管用于電網(wǎng)電源電路時,存在續(xù)流問題:即當(dāng)氣體放電管兩端的浪涌電壓消失后,電網(wǎng)電源電壓仍然大于氣體放電管的維持放電電壓,使其持續(xù)放電,無法恢復(fù)到初始的高阻抗?fàn)顟B(tài)。所以氣體放電管一般不單獨用在電網(wǎng)電源電路中,多應(yīng)用于次級通信電路中,或者壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)電路中。

        1.2 壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)

        由于壓敏電阻和氣體放電管本身材料特性,在單獨使用時都存在一定弊端。在需要更高可靠性和安全性的服務(wù)器和交換機(jī)等設(shè)備上使用的開關(guān)電源[2],我們經(jīng)常見到將一個壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)后使用在相線與地之間。在壓敏電阻的前級加入氣體放電管進(jìn)行能量配合使用,可以降低輸出殘壓,提高流通量,減緩元件老化,延長壽命[3]。

        1.3 針對使用串聯(lián)電路時IEC62368-1標(biāo)準(zhǔn)

        第5.5.7條款規(guī)定了需滿足如下條件。

        如在電網(wǎng)電源和保護(hù)地之間使用SPD,則SPD應(yīng)當(dāng)由壓敏電阻(MOV)和GDT(氣體放電管)串聯(lián)組成,并符合以下兩個條件要求:

        (1)壓敏電阻(MOV)應(yīng)當(dāng)符合G.8.2.2;

        (2)GDT(氣體放電管)應(yīng)當(dāng)符合以下兩個條件要求:

        GDT(氣體放電管)應(yīng)該滿足基本的絕緣抗電強(qiáng)度試驗;

        GDT(氣體放電管)應(yīng)該滿足基本的絕緣外部電氣間隙和爬電距離的要求(中國標(biāo)準(zhǔn)差異,若適用于高海拔5000m以上,則電氣間隙需要乘1.48倍的系數(shù))。

        2 壓敏電阻電擊防護(hù)要求

        壓敏電阻應(yīng)符合IEC 61051-2或IEC61643-331標(biāo)準(zhǔn),不論其是否具有防火防護(hù)外殼都要考慮下列所有要求:

        (1)優(yōu)先氣候類別

        下限類別溫度:-10℃;

        上限類別溫度:+85℃;

        穩(wěn)態(tài)濕熱試驗的持續(xù)時間:21d。

        (2)最大連續(xù)電壓

        至少為設(shè)備額定電壓的1.25倍,或至少為設(shè)備額定電壓范圍的上限電壓的1.25倍。

        (3)組合脈沖

        (IEC61051-2:1991+修訂1:2009的表I,組別1或IEC61643-331:對該項試驗,按照IEC61051-2:1991修訂1:2009的2.3.6或IEC61643-331選擇組合脈沖。(試驗由10個正極性脈沖或10個負(fù)極性脈沖組成,每個脈沖的電壓波形為1.2/50s,電流波形為8/20s。同時還需要滿足IEC62368附錄G.8.2.2、G.8.2.3相關(guān)試驗要求,選擇組合脈沖時,電網(wǎng)電源電壓低于300V時,過電壓類別Ⅳ,必須通過6kV/3kA電壓電流組合脈沖(電壓脈沖波形為1.2/50μs,電流脈沖波形為8/20μs)。判定要求:試驗后,壓敏電阻采用制造商規(guī)定的電流測量,其電壓與試驗前相比變化不應(yīng)大于10%。

        3 壓敏電阻著火的安全防護(hù)

        用作防火安全防護(hù)的壓敏電阻,壓敏電阻應(yīng)被認(rèn)為是PIS。壓敏電阻過載試驗和暫態(tài)過電壓試驗應(yīng)按照表1根據(jù)最大連續(xù)交流電壓進(jìn)行。

        表1 G.10 壓敏電阻器的過載和瞬時過電壓試驗

        Vr為設(shè)備額定電壓或者額定電壓范圍的上限值。

        3.1 壓敏電阻過載試驗(G.8.2.2)

        過載測試條件:外殼由可燃性材料制成且距離壓敏電阻小于13mm時。

        對于跨接在電網(wǎng)電源間(L到L或L到N)、相線到保護(hù)地(L到PE)、中線到保護(hù)地(N到PE)的壓敏電阻或者包含壓敏電阻的浪涌抑制電路,按照表1進(jìn)行以下試驗:

        (1)施加兩倍的額定輸入電壓2×Vr;

        (2)串聯(lián)可調(diào)電阻,電流按串聯(lián)到交流電源的試驗電阻Rx計算;

        (3)Vr為設(shè)備額定電壓或者額定電壓范圍的上限值。

        對于L線到N線,設(shè)備中裝有不超過10A的保險絲與壓敏電阻串聯(lián),可以使用初始測試電阻器(R1)產(chǎn)生相同的結(jié)果電流作為保險絲或短路。如果沒有串聯(lián)保險絲,則進(jìn)行如下試驗:

        第一步,測試應(yīng)使用初始測試電阻R1=16×Vr進(jìn)行(如果開始施加試驗電流時電路沒有立即斷開,試驗應(yīng)該持續(xù)到溫度穩(wěn)定);

        第二步,試驗應(yīng)換用新的Rx(R2,R3,R4等)重復(fù)試驗直到電路斷開。

        (1)R2=8×VrΩ;

        (2)R3=4×VrΩ;

        (3)R4=2×VrΩ;

        (4)Rx=0.5×(Rx-1)×VrΩ。

        判斷依據(jù):試驗期間,電路可以由于保護(hù)裝置(如熱熔斷體或GDT)的動作而開路。

        試驗期間和試驗后,應(yīng)無著火的危險。

        注意:MOV的“Maximum continuous AC voltage”不能直接選擇實物上面標(biāo)出的額定電壓值,而是需要核對產(chǎn)品的UL或者VDE證書。

        例如:MOV的型號為05D561K(UL File No.E330837),最大的Maximum continuous AC voltage電壓為350V。

        3.2 測試舉例

        額定輸入電壓:100~240V,MOV跨接L/N為例進(jìn)行模擬測試。

        選用以下三種規(guī)格的MOV進(jìn)行過載測試。

        (1)示例1,選擇MOV(561K)壓敏電阻,起初認(rèn)為如果MOV發(fā)熱,必有電流通過,在回路中串聯(lián)一個電流表監(jiān)控電流,開始測試:

        第一步,當(dāng)R1=3840Ω時,觀察到電流表未有電流通過;

        第二步,接著選擇R2=1920Ω繼續(xù)測試,電流表依然沒有電流通過;

        第三步,繼續(xù)更換阻值,選擇R3=960Ω,電流表依然沒有電流通過;

        第四步,電阻和電流表移除,MOV瞬間爆裂,金屬熔融物濺出,保險絲隨后動作(開路);

        測試結(jié)果:壓敏電阻爆裂,試驗不合格。

        (2)示例2,選擇MOV(471K)型壓敏電阻,R1=3840Ω,模擬塑料外殼靠著MOV上的情況,然后開始進(jìn)行測試,MOV本體溫度迅速上升達(dá)到最大值310℃,隨后趨于平穩(wěn)[4]。

        測試結(jié)果:由于MOV本體溫度過高,導(dǎo)致塑料外殼碳化穿孔,有著火和電擊危險,試驗不合格。

        (3)示例3,選擇MOV(681K)型壓敏電阻,R1=3840Ω,本體上布置溫升熱電偶,塑料外殼靠著MOV上的情況,然后按照Rx的順序進(jìn)行測試,最后用導(dǎo)線直接替換電阻,MOV本體無任何異常溫升,塑料外殼無碳化和變形。

        測試結(jié)果:試驗結(jié)果為合格。MOV的發(fā)熱與其”Maximum continuous AC voltage”有關(guān)。

        4 壓敏電阻暫態(tài)過電壓試驗(G.8.2.3)

        對于連接在電網(wǎng)電源導(dǎo)體和地之間包含壓敏電阻器的浪涌抑制電路,按照IEC61643-11的8.3.8.1在低壓系統(tǒng)故障引起的TOV下試驗和8.3.8.2在高中壓系統(tǒng)的故障引起的暫時過電壓TOV下試驗,試驗之后產(chǎn)品的絕緣不能發(fā)生擊穿和崩潰[5]。

        5 結(jié)語

        本文研究了壓敏電阻在IEC62368-1標(biāo)準(zhǔn)下的檢測試驗要求,進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)和歸納,補充了MOV過載試驗的測試方法,提高了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于此類產(chǎn)品檢測時的可操作性。同時通過舉實例來說明,希望能夠幫助設(shè)計開發(fā)和相關(guān)測試人員提高對標(biāo)準(zhǔn)的條款理解,選擇合適的安全元器件,從而達(dá)到減少火災(zāi)和電擊風(fēng)險的目的。

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