Dispositivi di protezione contro le sovratensioni: una guida tecnica completa

Durante il funzionamento, le alte tensioni istantanee (sorge) negli alimentatori a commutazione a LED agiscono come "assassini di corrente", potenzialmente derivanti da colpi di fulmine, commutazione della rete, avviamenti/arresto del motore e operazioni simili.

Sebbene questi picchi durino solo una frazione di secondo (tipicamente millisecondi a microsecondi), le loro tensioni di picco possono raggiungere decine o addirittura centinaia di volte la tensione normale, sufficiente a scomporre o bruciare i componenti del semiconduttore, causando danni irreversibili.

La protezione contro le sovratensioni funge da "linea di vita" per gli apparecchi di illuminazione a LED contro l'instabilità della griglia e i fulmini. Pertanto, la selezione di un alimentatore di driver appropriato è fondamentale. Quando necessario, gli apparecchi di protezione da sovratensione devono essere aggiunti agli infissi.

Questo articolo fornisce un'analisi completa dei protettori di sovratensione, che copre principi tecnici, applicazioni ingegneristiche e tecniche di installazione.

Che cos'è un dispositivo di protezione contro le sovratensioni per le luci a LED?

Cos'è un protettore di sovratensione? In poche parole, un protettore di sovratensione "scarica" tensioni eccessive (sorge) in un circuito, prevenendo danni al sistema di illuminazione. Agisce come una "valvola di sicurezza" nel circuito: quando la tensione supera i limiti, conduce rapidamente alla deviazione della corrente, quindi ripristina al suo stato di apertura una volta che la tensione torna alla normalità, assicurando che i dispositivi a LED funzionino sempre entro intervalli di tensione sicuri.

I protettori contro le sovratensioni riguardano principalmente due tipici scenari di "tensione di tensione": i fulmini, che richiedono SPD di tipo I e II, e le sovratensioni di commutazione generate da avviamenti e arresti di apparecchiature industriali, che richiedono una protezione SPD limitante la tensione. Entrambe le tensioni di base che superano fondamentalmente il range di tolleranza di un dispositivo, fornendo una protezione completa per le apparecchiature elettriche.

In sintesi, i protettori per sovratensioni hanno un duplice scopo: prevenire le alte tensioni improvvise da danni alle apparecchiature e mitigare frequenti piccole sovratensioni che accelerano l'invecchiamento, fornendo così una protezione completa per i sistemi di illuminazione a LED.

Per ulteriori informazioni sui dispositivi di protezione contro le sovratensioni nelle applicazioni di illuminazione a LED, leggi il blog: "Dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) per illuminazione a LED: guida completa per applicazioni interne ed esterne.”

Quali tipi di dispositivi di protezione contro le sovratensioni esistono?

Classificato per principio di funzionamento:

a) SPD a commutazione di tensione

Alta impedenza durante il normale funzionamento, passa bruscamente a bassa impedenza durante i picchi di tensione, consentendo un elevato flusso di corrente. Conosciuto anche come "SPD tipo interruttore a circuito corto". Tipicamente impiega come componenti lacune di scarico, tubi di scarico del gas, tiristori o raddrizzatori controllati in silicio. Questi protettori di sovratensione sono anche indicati come "tipo di croba" a causa delle loro caratteristiche discontinue di tensione.

B) SPD limitante la tensione

mostra un'elevata impedenza in assenza di sovratensioni. L'impedenza diminuisce continuamente all'aumento della corrente e della tensione. I componenti in genere includono varistori e diodi di soppressione. Conosciuti anche come protettori di sovratensione "tipo di bloccaggio". caratterizzato da caratteristiche tensione continua di corrente.

c) SPD combinato

Un protettore di sovratensione che combina componenti di commutazione di tensione e limitazioni di tensione. Le sue caratteristiche possono manifestarsi come commutazione di tensione, limitazione della tensione o entrambi, a seconda del profilo di tensione applicato.

I protettori di sovratensione compositi possono sopprimere le sovratensioni superiori a 6kV a meno del doppio della tensione operativa massima del sistema in una singola operazione. Le unità trifase possono sopprimere a 800 V, mentre le unità monofase possono sopprimere al di sotto di 600 V. Al contrario, gli scaricatori modulari di sovratensione richiedono tre livelli di protezione (classe B, C e D) per ottenere la soppressione intorno a 1000 V.

Classificazione per applicazione:

In base all'applicazione, gli SPD possono essere classificati in due tipi: SPD di linea di alimentazione e SPD di linea di segnale.

La composizione del dispositivo di protezione contro le sovratensioni

La struttura del protettore di sovratensione è costituita principalmente dai seguenti componenti:

• Varistore di ossido di metallo (MOV): Il componente principale del protettore di sovratensione, realizzato con materiali come l'ossido di zinco. Quando si verifica una sovratensione nel circuito, il MOV passa rapidamente a uno stato conduttivo, assorbendo l'energia di sovratensione e deviandola a terra.

• Protezione Circuit Bcardine: Situato all'interno del protettore di sovratensione, controlla e monitora le variazioni di corrente e tensione. Tipicamente composto da circuiti integrati, consente la commutazione automatica e il ripristino delle funzioni di protezione da sovratensione.

• terminale Bserrature: Collegare il dispositivo di protezione contro il circuito, di solito con due terminali: uno per l'alimentazione in ingresso e un altro per l'alimentazione in uscita.

• Alloggiamento: Protegge i componenti interni del protettore di sovratensione, tipicamente in materiale isolante per prevenire scosse elettriche e altri pericoli.

Differenze tra SPD e fusibili ordinari e circuiti filtranti

Differenze tra SPD e fusibili

‌SPD‌ : specificamente progettato per dissipare le sovracorrenti transitorie (ad es. fulmini, commutazione della griglia). Incanala sovratensioni ad alta tensione a terra tramite componenti come varistore di ossido di metallo (MOV) o tubi di scarico del gas (GDT), salvaguardando l'attrezzatura da danni istantanei ad alta tensione.

‌Fusi‌ : indirizzare solo sovraccarichi sostenuti o correnti di cortocircuito interrompendo il circuito attraverso la fusione. Non possono gestire sovratensioni di livello nanosecondo.

Il tempo di risposta SPD varia da nanosecondi a microsecondi (ad esempio, nanosecondi per MOV, microsecondi per GDT), mentre i fusibili richiedono millisecondi per essere esplosi, non riuscendo a proteggere le apparecchiature sensibili in tempo. Gli SPD degradati possono perdere corrente o cortocircuito, rendendo necessario l'uso con fusibili (non interruttori automatici) per prevenire i rischi di corrente di follow-e; i fusibili bruciati richiedono la sostituzione ma non presentano problemi di corrente successivi.

Differenze tra SPD e circuiti filtranti

‌SPD‌ : Protegge da alte tensioni transitorie (kV livello), come fulmini o picchi di corrente.

‌Circuiti di filtro‌: rimuovere il rumore ad alta frequenza persistente (kHz-MHz), come interferenza elettromagnetica negli alimentatori.

Funzione di SPD scaricando o bloccando la tensione (ad esempio, MOVS conduzione superiore a 600 V); i circuiti filtranti utilizzano induttori e condensatori per formare reti passa basso, attenuando progressivamente il rumore. Gli SPD proteggono da fulmini e sovratensioni della rete elettrica; i circuiti filtranti servono applicazioni che richiedono una purezza ad alta potenza, come apparecchiature mediche e sistemi di comunicazione.

Tabella di confronto del riepilogo

‌Caratteristica	spd	miccia	‌Filtro circuito
‌Funzione di base‌	Scarichi di picchi transitori	Protezione da sovraccarico/cortocircuito	filtra il rumore ad alta frequenza
‌tempo di risposta‌	Range di nanosecondi-microsecondi	Intervallo di millisecondo	funzionamento continuo
‌Componenti tipici‌	MOV, GDT, TVS2	Fusibile in metallo	induttori, condensatori
‌Rischi di fallimento‌	Potenziale perdita o cortocircuito	richiede la sostituzione	degrado delle prestazioni

Come dimostrato dal confronto di cui sopra, SPD, fusibili e circuiti di filtro svolgono ruoli distinti all'interno dei sistemi di alimentazione. Il loro uso coordinato è essenziale per ottenere una protezione completa.

Principio di funzionamento dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni

In condizioni normali, il protettore di sovratensione presenta uno stato a circuito aperto a terra nel circuito, ovvero uno stato ad alta resistenza. Questa caratteristica ad alta resistenza riduce al minimo il suo impatto sul circuito. Funziona come un interruttore, rimanendo aperto quando non è necessario per garantire il normale funzionamento del circuito senza interferenze. come mostrato nella Figura 1 di seguito.

Quando si verifica un'alta tensione transitoria nel circuito principale, ad esempio durante un fulmine, il protettore di sovratensione risponde all'istante. In questa condizione di sovratensione transitoria, il protettore di sovratensione si comporta come uno stato a bassa resistenza. I suoi componenti interni (ad es. varistori, tubi a scarica di gas) passano rapidamente da stati ad alta resistenza a stati a bassa resistenza, formando un percorso conduttivo. Devia istantaneamente la corrente di sovratensione e limita la tensione di sovratensione a un livello di sicurezza, proteggendo così il circuito e l'apparecchiatura da danni. come mostrato nella Figura 2.

Come mostrato nella Figura 2, il protettore di sovratensione svolge un ruolo protettivo critico durante eventi di sovratensione transitoria. Agisce come una barriera, proteggendo l'alimentazione e gli apparecchi di illuminazione dall'impatto della sovratensione.

Perché la protezione contro le sovratensioni è importante per i sistemi di illuminazione a LED?

La protezione contro le sovratensioni è fondamentale per i sistemi di illuminazione a LED per i seguenti motivi principali:

1. Sensibilità del LED alle sovratensioni

Come dispositivi a semiconduttore, i LED hanno tensioni di solo pochi volt e presentano una resistenza di sovratensione estremamente scarsa, particolarmente debole tolleranza alla tensione inversa. Sovratensioni transitorie (che raggiungono migliaia di volt) da fulmini o commutazione della rete possono danneggiare direttamente i chip o i driver, causando guasti immediati o danni latenti.

2. Diverse fonti di sovratensione

• ‌Induzione di fulmini‌ : La scarica di corrente di fulmine provoca improvvisi sovratensioni a terra, entrando negli apparecchi tramite linee di alimentazione/segnale.

• ‌Operazioni di rete‌: quadro, guasti di cortocircuito, ecc., generano sovratensioni transitorie.

• ‌elettrostatico IOferenza: L'elettricità statica (>10kV) accumulata su involucri metallici può rompere i circuiti del driver.

3. conseguenze di danni da sovratensione

Gli eventi di sovratensione non solo accelerano l'invecchiamento della sorgente luminosa a LED (efficacia luminosa ridotta), ma possono anche innescare guasti a cascata: un corto circuito a LED singolo trasferisce la sua caduta di tensione su LED adiacenti, accelerando il burnout di intere corde della lampada. Gli alti costi di manutenzione per i sistemi di illuminazione per esterni significano che una protezione inadeguata aumenta significativamente le spese di manutenzione.

In una città, 30% di driver di illuminazione stradale principale si sono guastati dopo una stagione di temporali a causa della mancanza di protezione da sovratensioni, che ha comportato oltre 500.000 yuan in riparazioni. L'ispezione ha rivelato che più impatti di sovratensione avevano invecchiato e degradato i varistori di ossido di metallo (MOV), consentendo a successivi fulmini di danneggiare direttamente i moduli LED.

La protezione contro le sovratensioni è una misura fondamentale per garantire la longevità e l'affidabilità degli apparecchi di illuminazione a LED, in particolare indispensabili in ambienti ad alto rischio come ambienti esterni e industriali. Gli apparecchi a LED dotati di protezione contro le sovratensioni mostrano una maggiore affidabilità. L'installazione di SPD conformi agli standard di test come IEC 61000-4-5 riduce sostanzialmente i costi di manutenzione, rendendolo vitale per i sistemi di illuminazione a LED.

Metodi di connessione per protezioni contro le sovratensioni in apparecchi a LED

L'approccio più comune per collegare i protettori di sovratensione a dispositivi a LED prevede l'installazione in serie o parallela ai terminali di ingresso o uscita. Sulla base di diverse posizioni e metodi di installazione, questi possono essere classificati come segue:

1. protettori di sovratensione integrati guidatores

I protettori contro le sovratensioni incorporati mitigano l'impatto di sovratensioni transitorie causate da fulmini, operazioni di commutazione o scariche elettrostatiche sul sistema. Mantengono la stabilità dell'alimentazione e garantiscono il funzionamento continuo del sistema di illuminazione. Rispondendo rapidamente e sopprimendo le sovratensioni transitorie, i protettori di sovratensione riducono i danni ai moduli del driver LED e ai moduli di emissione di luce causati da tensioni anomale, prolungando così la durata complessiva dell'apparecchiatura.

2. Protettore di sovratensione installato a guidatore estremità anteriore

Questo approccio è adatto principalmente per aree con frequenti fulmini e elevata umidità ambientale. L'installazione di un protettore di sovratensione all'estremità anteriore dei lampioni, ad esempio, fornisce una maggiore protezione contro i danni elettrici da fulmini e interferenze elettromagnetiche, fungendo da doppia protezione. Facilita anche una manutenzione più facile in seguito. Tuttavia, è essenziale garantire che l'SPD appena aggiunto sia compatibile e abbinato al metodo di messa a terra del sistema esistente.

3. Collegamento in serie all'ingresso

Collegare il dispositivo di protezione in serie con l'ingresso dell'alimentatore LED. Quando si verifica un'impennata all'ingresso, il protettore di sovratensione interrompe il flusso di corrente, proteggendo così la lampada a LED.

4. Collegamento parallelo all'ingresso

Collegare il protettore di sovratensione in parallelo con l'ingresso del driver LED. Quando si verifica un'impennata all'ingresso, il protettore di sovratensione esegue la corrente, deviando la corrente in eccesso.

Diversi tipi di protettori di sovratensione presentano vantaggi e svantaggi distinti, che richiedono la selezione in base a condizioni specifiche.

In genere, i protettori di sovratensione in serie offrono tempi di risposta rapidi, una forte protezione e un impatto minimo sul normale funzionamento, ma presentano inconvenienti come installazione complessa, requisiti di spazio e suscettibilità ai danni.

I protettori paralleli per sovratensione sono dotati di installazione semplice, ingombro ridotto e facilità di sostituzione, ma soffrono di tempi di risposta più lenti, protezione più debole e potenziale interferenza con il normale funzionamento.

Che tipo di SPD viene utilizzato nell'illuminazione a LED?

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) sono principalmente classificati in base alla loro capacità di protezione, posizione di installazione e caratteristiche di tolleranza della forma d'onda. Gli standard internazionali in genere li classificano in tre tipi, come segue:

Tipo 1 SPD

Progettato per fulmini diretti o picchi di energia ad alta energia, installati sul pannello di distribuzione principale o sul punto di ingresso di alimentazione di un edificio. Dispone di un livello di protezione di tensione più elevato (UP) che va da 1.5KV a 4KV, con una corrente di scarica nominale (in) tipicamente compresa tra 12,5kA e 200kA.

Applicazioni tipiche: posizioni ad alto rischio soggette a fulmini diretti, come impianti industriali e stazioni base di comunicazione.

Tipo 2 SPD

Adatto per fulmini indiretti o perturbazioni della rete elettrica, installate in pannelli di distribuzione o armadi di distribuzione a livello del pavimento. In generalmente è da 5Ka a 20kA, e in genere è da 1,5 kV a 2,5 kV.

Applicazioni tipiche: applicazioni di illuminazione a LED per esterni e commerciali e produttori di segnaletica a LED e semafori, tra cui illuminazione stradale, illuminazione per parcheggi, illuminazione a parete, illuminazione a traffico, illuminazione ad inondazione, segnaletica digitale, illuminazione stradale e illuminazione a tunnel.

Tipo 3 SPF

Adatto per la protezione del dispositivo terminale, installato all'estremità anteriore dell'attrezzatura o delle prese. Tipicamente in ≤10 kA. Fornisce una protezione fine (fino a ≤1 kV) con tempi di risposta più rapidi (livello di nanosecondi).

Applicazioni tipiche: spesso integrate in driver LED per la protezione della tensione locale.

I pannelli di distribuzione generali generali utilizzano dispositivi di tipo 1 o tipo 2; le scatole di distribuzione possono utilizzare dispositivi di tipo 2 e tipo 3, con tipo 2 e tipo 3 adatti anche per applicazioni back-end.

Per le linee di alimentazione CA che entrano negli edifici, installare i protettori di sovratensione di tipo 1 o di tipo 2 come protezione primaria al confine tra le zone LPZ0A/LPZOB e LPZ1 (ad esempio, nel pannello di distribuzione principale).

Ai confini delle zone di protezione successive, come i pannelli di distribuzione nelle linee di distribuzione di energia o nelle sale apparecchiature elettroniche, i protettori di sovratensione di tipo 2 possono essere installati come protezione secondaria. Per dispositivi come i dispositivi di illuminazione a LED, prima della porta di alimentazione possono essere installati protettori di sovratensione di tipo 2 o di tipo 3.

Come scegliere correttamente un limitatore di sovratensione?

Nelle applicazioni elettriche, la selezione di un limitatore di sovratensione è un problema molto complesso che coinvolge fattori come la configurazione della messa a terra del sistema, il livello di esposizione, le zone di protezione contro i fulmini, la lunghezza del cavo, la protezione inter-livello, l'entità della corrente di cortocircuito nei punti di protezione e il numero di circuiti shunt.

Numerosi produttori producono protettori per sovratensione sul mercato. Pertanto, quando si selezionano i dispositivi di protezione contro le sovratensioni, occorre prestare particolare attenzione ai seguenti punti:

1. determinare il valore UC

La selezione della tensione continua di funzionamento (UC) massima del protettore di sovratensione richiede una considerazione completa della tensione del sistema, della tensione di resistenza dell'apparecchiatura e delle specifiche standard. Il valore UC minimo dovrebbe essere 1,15 volte la tensione nominale.

Ad esempio, in un sistema di tensione di fase a 220 V, UC = 1,15 × 220 V = 253 V. Poiché le tensioni di picco della rete CA possono raggiungere 1,1 volte il valore RMS (253 V × 1,414 = 357 V; ca. Picco a 350 V per un sistema a 220 V), UC deve superare questo valore. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, per evitare frequenti attivazioni, si consiglia di selezionare un valore più alto come 385V. Allo stesso tempo, la tensione di attivazione del varistore (U1mA) dovrebbe corrispondere all'intervallo di fluttuazione della rete.

2. Selezione dei livelli di protezione

Per la distribuzione principale vengono utilizzati gli SPD di classe I (ad es. IIMP ≥ 100kA) mentre gli SPD di classe II (in ≥ 40kA) vengono utilizzati per i pannelli di distribuzione, formando una protezione multilivello. Le dimensioni e i tipi di installazione SPD devono soddisfare i requisiti in loco. Di seguito sono riportate le linee guida per la selezione:

Livello di protezione	Posizione di installazione	Scenario di applicazione	Parametri chiave
Tipo 1	Pannello di distribuzione principale	Protezione diretta del fulmine	≥100Ka(10/350μs)
Tipo 2	cassetta di distribuzione	Fulmine/successo operativo indotto	40kA (8/20μs)
Tipo 3	Anteriore del conducente a LED	Protezione terminale per apparecchiature di precisione	fino a ≤1,5 kV

3. Metodo di installazione

Seleziona un SPD posizionato correttamente e facile da installare in base alla posizione dell'apparecchio. Poiché gli SPD sono tipicamente nascosti in aree difficili da raggiungere, come davanti agli apparecchi di illuminazione, possono anche scollegare l'apparecchio dal circuito in caso di guasto, facilitando la sostituzione e la manutenzione future.

4. Adattamento ambientale

Per l'illuminazione esterna, selezionare SPD con una classe IP di IP54 o superiore. In condizioni umide o polverose, utilizzare SPD con un grado di protezione IP più elevato di IP67.

5. Specifiche di messa a terra

L'SPD deve essere collegato a terra tramite un terminale PE dedicato, evitando percorsi di terra condivisi con conduttori in uscita. Test di resistenza alla continuità del suolo ≤0.1Ω.

6. Protezione multilivello

Oltre a salvaguardare gli alimentatori a 230 V, prendere in considerazione la protezione delle unità di controllo come DALI, seconda (controllo) fase, 1-10V o DMX. Gli SPD combinati CA e Control sono ideali per questi dispositivi, offrendo in genere una protezione coordinata migliore rispetto a due SPD separati.

7 Certificazione e sicurezza

Seleziona SPD con certificazioni affidabili come TUV o UL, testate per soddisfare i requisiti IEC 61643-11 e VDE 0100-534.

Conclusione

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni fungono da barriera per i sistemi di illuminazione all'aperto contro fulmini e sovratensioni di rete. Attraverso l'azione sinergica dei varistori e dei tubi a scarica di gas, deviano le sovratensioni ad alta tensione a terra entro microsecondi mentre bloccano le tensioni verso soglie di apparecchiature sicure.

Senza un'adeguata protezione, i dispositivi a LED e i loro driver corrono rischi di danni irreversibili, ridotta efficienza e potenziale guasto completo. I dispositivi di protezione contro le sovratensioni migliorano significativamente l'affidabilità dei lampioni a LED in ambienti difficili a griglia, rendendoli componenti di protezione indispensabili per sistemi di illuminazione intelligenti per le città.