أساسيات م-varistor MOV: دليل شامل

‌ MOV (مثبط أكسيد معدني) هو أحد أكثر أجهزة حماية الفولتية المستخدمة على نطاق واسع. المادة الأساسية هي شبه موصل متعدد البلورات يتم صهره من أكسيد الزنك (ZnO) والإضافات. ما يلي هو تحليل منهجي من المبدأ إلى المعاملات، الاختيار والتطبيق:

1. الخصائص الأساسية لـ MOV

1.1 خصائص فولت-أمبير غير الخطية

● منطقة الجهد المنخفض: عندما يكون الجهد أقل من المستوى الحرج، يبقى جهاز MOV في حالة مقاومة عالية (تيار التسرب يكون في نطاق الميكرو أمبير).

● منطقة الانهيار: بمجرد أن يتخطى الجهد المستوى الحرج (الجهد الاسمي Vn)، تنخفض المقاومة بشكل حاد، مما يسمح بتدفق تيار كبير للتفريغ، مما يؤدي إلى ضبط الجهد.

● الجهد المكبس (Vc): عادة ما يكون 1.5 إلى 2 مرة الجهد الاسمي، لضمان بقائه أقل من تصنيف الجهد للمكونات المحمية.

1.2 المواد والهيكل

● قاعدة أكسيد الزنك: حبيبات وأطراف حبيبات ZnO تشكل حاجزًا مشابهًا لـ "اتصال PN"، مما يوفر استجابة سريعة (مستوى النانوثانية).

● بنية متعددة الطبقات: الجسم السيراميك الكثيف المكون من خلال التلدين يربط قدرة تحمل التيار بالحجم. على سبيل المثال، يمكن للسلسلة 14D بقطر 14 مم تحمل تيارات طفرية تصل إلى 10kA.

2. المعاملات الرئيسية واختيار MOV

2.1 الجهد الاسمي (Vn)

التعريف: الجهد عند تيار 1mA مستمر (على سبيل المثال، 470V).

2.2 صيغة الاختيار:

● نظام AC: Vn ≥ 1.2–1.5 × جهد التشغيل RMS (على سبيل المثال، 220V AC يختار 470V).

● نظام DC: Vn ≥ 1.5 × الجهد المستمر الأقصى للتشغيل.

● مفهوم خاطئ: الجهد الاسمي ليس هو "جهد التفعيل"؛ قد يكون الجهد الفعلي للاشتعال أعلى (راجع منحنى V-I).

2.3 التيار الذروة (IP)

التعريف: التيار الذروة لموجة طاقة مفاجئة قياسية بزمن 8/20μs (على سبيل المثال، 10kA).

مستوى التطبيق:

2.4 معالجة الطاقة (جول)

● الصيغة: E = Vc × IP × t (حيث t هو عرض النبضة، عادةً ما يكون 20μs عند 8/20μs).

● مثال: مع Vc = 800V و IP = 10kA، تكون الطاقة 160J. تأكد من أن طاقة MOV المحددة تتجاوز طاقة الاندفاع الفعلية.

2.5 أوضاع الفشل والحياة الزمنية

● فشل الشيخوخة: بعد عدة موجات، يزداد التيار المسرب، وفي النهاية قد يحدث قصر دائري في MOV.

● تصميم الأمان: استخدم مقاطع درجات الحرارة (TF) أو MOVs ذات آليات انقطاع حراري (على سبيل المثال، سلسلة TNR) لمنع الحرائق الناتجة عن القصر الدائري.

3. عوامل تصميم تطبيق MOV

3.1 تخطيط الدائرة

● التركيب بالقرب: ضع MOVs قريبة من النهاية المحمية (على سبيل المثال، مدخل الطاقة) لتقليل مسارات الموجات.

● توصيل منخفض الإندوك턴س: تجنب المسارات الطويلة التي تضيف إندوكتنس طفيف، مما يمكن أن يزيد من الجهد المتبقي.

● التصريف المتوازي: عند الاستخدام مع أنبوب التفريغ الغازي (GDT)، يتطلب مقاومة أو إندوكتر سلسلة لمنع GDT من استمرار تدفق التيار وسبب احتراق MOV.

3.2 تصميم الحماية متعدد المستويات

● مستوى الحماية الأول (التسرب): أنابيب التفريغ الغازي (GDT) أو فواصل الشرارة، لتفريغ تيارات البرق.

● مستوى الحماية الثاني (الكبح): تقلل الوحدات الكهروضغطية (MOVs) من الجهد المتبقي إلى أقل من 1kV.

● حماية المستوى 3 (الحماية الدقيقة): تقلل دوائر الحماية الكهروستاتيكية (TVS) من الجهد إلى مستوى آمن لشريحة معالجة حساسة (على سبيل المثال، 24V).

● التصميم النموذجي: GDT (المستوى 1) → MOV (المستوى 2) → TVS (المستوى 3).

3.3 إدارة الحرارة وتقليل الأداء

● تقليل الأداء عند درجات الحرارة العالية: يتناقص قدرة أجهزة الحماية (MOVs) على حمل التيار بنسبة حوالي 20% لكل زيادة 25°C في درجة حرارة المحيط.

● أجهزة الحماية (MOVs) المتوازية: بالنسبة للتطبيقات ذات الطاقة العالية، يتم تشغيل عدة أجهزة حماية متوازية بمعامِلات مطابقة (على سبيل المثال، انحراف Vn ≤5%).

4. السيناريوهات التطبيقية النموذجية وتوصيات النماذج

4.1 الأجهزة المنزلية (220V تيار متردد)

● المتطلب: كبت الموجات الكهربائية الزائدة في الشبكة (على سبيل المثال، تشغيل وإيقاف التكييف).

● الاختيار: 14D471K (Vn = 470V, IP = 6.5kA), خيار SMD: S14K275.

4.2 عكس الطاقة الشمسية (تيار مستمر 1000V)

● المتطلب: حماية من البرق على جانب الألواح الفولطوية، تتحمل الجهد العالي.

● الاختيار: 34D102K (Vn = 1000V, IP = 40kA).

4.3 إلكترونيات السيارات (أنظمة 12V/24V)

● المتطلب: قمع الموجات الكهربائية الزائدة حتى 60V.

● الاختيار: نوع SMD V14H360 (Vn = 36V, IP = 200A).

5. المشاكل الشائعة والحلول

5.1 التسرب الكهربائي المفرط في MOV

● السبب: التقدم في العمر أو الجهد الزائد المستمر، مما يؤدي إلى تدهور حدود الحبيبات.

● الحل: استبدال وحدات MOV بانتظام أو استخدام ديوودات TVS لمشاركة ضغط الجهد.

5.2 الجهد المتبقي العالي الذي يضر بالدارات اللاحقة

● السبب: اختيار MOV غير صحيح (على سبيل المثال، قيمة Vn مرتفعة جدًا) أو تخطيط غير مناسب.

● الحل: خفض Vn أو إضافة TVS للحد الثاني.

5.3 فشل متكرر في MOV

● السبب: عدم كفاية التعامل مع التيار الذروة أو تجاوز تردد الموجة.

● الحل: ترقية تصنيف IP أو تنفيذ حماية متعددة المستويات لمشاركة الطاقة.

6. المعايير الصناعية والشهادات

● شهادات السلامة: UL1449 (أجهزة حماية من السورج)، IEC 61000-4-5 (اختبار مناعة السورج).

● الإلكترونيات السيارات: AEC-Q200 (شهادة الموثوقية)، الأداء في نطاق درجة الحرارة من -40°C إلى 150°C.

● معدات الاتصالات: GR-1089-CORE (متطلبات حماية البرق وESD).

‌● ملخص‌: أصبحت VDR جهازًا أساسيًا لحماية الفولتية الزائدة بسبب فعاليتها الاقتصادية العالية وقدرتها الكبيرة على التيار، لكن يجب اختيارها بدقة بناءً على سيناريو التطبيق ودمجها مع تصميم الحماية متعدد المستويات والتبريد لتحقيق حماية موثوقة. في التصميم الفعلي، يُوصى بتأكيد فعالية الحل من خلال اختبار السورج (مثل 8/20μs، 10/700μs).