استفاده بهینه از واریستورهای اکسید فلزی (MOVs) در سیستم‌های موتور

۱. مقدمه

موتورهای دی‌سی فرشدار به علت ساختار ساده، هزینه کم و کنترل انعطاف‌پذیر، در تجهیزات مکانیکی فشرده، ابزارهای برقی، بازی‌ها و الکترونیک‌های خودرو استفاده گسترده‌ای دارند. عملکرد آنها بر پایه جابجایی با استفاده از فرش‌ها و کامیوستاتورهاست که این امکان را می‌دهد تا با تغییر دوره‌ای جریان در بادون‌های آرماتور، چرخش مداوم حاصل شود.
هر چند چالش‌هایی نظیر سرخورد فرش‌ها و نویز الکتریکی وجود دارد، اما موتورهای فرشدار به دلیل ویژگی‌های کنترل سرعت عالی و قابلیت اطمینان ساختاری ثابت خود، در برخی کاربردها جایگزین نشده‌اند.

۲. مسائل اختلال الکترومغناطیسی و راهکارهای محافظت

در طول عملکرد، موتورهای فرشدار خلال جابجایی فرش، برق جمعی و بلندپایه‌های ولتاژ موقتی تولید می‌کنند که منجر به:

بلندپایه‌های بالا-انرژی که ممکن است اجزای حساس مدار را آسیب برسانند.

میزان بیش از حد EMI (اختلال الکترومغناطیسی) که ممکن است باعث جلوگیری از رعایت استانداردهای EMC شود.

هرچند فیلترهای BDL (فیلترهای پایین‌گذر تشکیل شده از گرفتهای حالت مشترک و خازن‌ها) به طور معمول برای سرکوب نویز استفاده می‌شوند، اما در محیط‌های پیچیده گاهی کافی نیستند. بنابراین، ادغام دیودهای Metal Oxide Varistors (MOVs) به صورت موازی درون مدار به عنوان راه‌حل قابل اعتماد و کارآمدی برای محافظت در برابر تأثیرات برق اضافی پیشنهاد می‌شود.

۳. اصل کار MOVs

MOVs دستگاه‌هایی از نوع فشاربندی هستند که ویژگی‌های غیرخطی ولتاژ-جریان دارند و از میکرو kristal‌های اکسید روی و رسانایی پایین تشکیل شده‌اند.
در شرایط ولتاژ عادی، MOVs مقاومت بسیار بالایی نشان می‌دهند و غیررسانایی هستند. زمانی که ولتاژ اعمالی فراتر از آستانه می‌رود، مسیری با مقاومت پایین در داخل دستگاه شکل می‌گیرد که جریان را به سرعت رسانده و فشار بیش از حد را به سطح امنی فشاربندی می‌کند و بدین ترتیب، اجزای پایین‌دست را از آسیب ناشی از برق اضافی محافظت می‌کند.

۴. مقایسه با دیودهای TVS

دیود های TVS (کوتاه کننده ولتاژ گذرا) از اتصال نیمه هادی PN استفاده می کنند و برای حفاظت از داده های فرکانس بالا و با سرعت بالا ایده آل هستند. در مقابل، MOV ها، که ترکیبات سرامیکی پلی کریستال هستند، ظرفیت جذب انرژی و قابلیت های مدیریت جریان بیشتری را ارائه می دهند، که آنها را برای خطوط برق AC و تجهیزات با قدرت بالا مناسب می کند.
علاوه بر این ، به دلیل ظرفیت انگل نسبتاً بزرگ آنها ، MOV ها می توانند 2 تا 5 سندر فیلتر جداگانه را در برخی از مدارها جایگزین کنند و به طراحی کلی بهینه تر کمک کنند.

پنجم پارامترهای کلیدی MOV

Vrms / Vw: حداکثر ولتاژ کار مداوم بدون فعال سازی

IL: جریان رشح تحت ولتاژ عملیاتی حداکثر، معمولاً ≤ 20 μA.

V1mA: ولتاژ شکست تحت جریان 1 mA، نزدیک به آستانه فعالسازی دستگاه.

Vc: حداکثر ولتاژ فشرده سازی تحت موج تندرو (8/20 μs) استاندارد (8 μs زمان صعود، 20 μs مدت نیمه اوج).

IPP: توانایی جریان تندروی قله تحت شرایط آزمایش مشخص شده (موج 8/20 μs، دو ضربه، بازه دو دقیقه).

6. کاربردهای بسته بندی SMD

برای موتورهای DC کوچک با فرش و محصولات الکترونیکی کوچک، از MOV نوع SMD توصیه می‌شود. این مولفه‌ها اندازه کوچک و نصب آسان دارند و برای کاربردهایی که نیاز به حمایت از تورم‌های کوتاه‌مدت و کم‌انرژی دارند، مناسب هستند.

۷. کاربردهای بسته‌بندی DIP

برای موتورهای قدرتمند و درایوهای صنعتی، از MOV نوع DIP (ارتشاقی) استفاده شده است. این دستگاه‌ها فرم‌های بزرگ‌تر و ظرفیت جریان بالاتری دارند و به طور مؤثر تورم‌های بالا-انرژی را مدیریت می‌کنند و پایداری مدار کنترل را در محیط‌های سخت تضمین می‌کنند.

۸. راهنمای انتخاب

انتخاب MOV باید بر اساس ولتاژ عملکرد موتور، انرژی تورم قابل قبول و محدودیت‌های فضایی انجام شود:

دستگاه‌های کم توان → دیودهای MOV سری SMD

سیستم‌های متوسط تا بالاتوان → دیودهای MOV نوع DIP

توصیه می‌شود دیودهای MOV را با فیلترهای BDL ترکیب کنید تا عملکرد کلی سرکوب EMI را افزایش دهید.

9. نتایج آزمایش مقایسه‌ای

بدون حفاظت: نوفه EMI قابل توجه و تأثیرات شدید ولگشت مشاهده شده است.

با راه‌حل MOV + BDL: ولتاژ‌های افزایشی به طور مؤثر محدود می‌شوند، سطح EMI کاهش می‌یابد و نتایج آزمایش پایدار و مطابق با استاندارد هستند.

برای تحلیل دقیق، منحنی‌های اسکوپ قبل و بعد از رویدادهای افزایشی، همراه با اندازه‌گیری طیف EMI پیشنهاد می‌شود.

10. مزایا و محدودیت‌های MOVها

مزایا:

مقرون به صرفه

فناوری پررنگ و عملکرد پایدار

ظرفیت جریان افزایشی بالا

زمان پاسخ سریع

نیاز به بخش‌های فیلتر اضافی را کاهش می‌دهد

محدودیت‌ها:

اندازه نسبتاً بزرگتر، مناسب طراحی‌های ادغام‌پذیر نیست

خازن پارازیت بالا، مناسب خطوط سیگنال با سرعت بالا نیست

نکات استفاده:

در دامنه دمای مشخص شده عمل کنید

اجتناب از تمیز کردن با محلول‌های قطبی قوی

جلوگیری از تنش مکانیکی یا تغییر شکل

قبل از خم کردن پین‌ها، بخش‌های مرتبط را ثابت کنید و فاصله‌ای حداقل 2 میلی‌متری از لایه عایق حفظ کنید

11. نتیجه‌گیری

در محیط‌های EMC پیچیده، انتخاب مولفه‌های مناسب محافظت در برابر برق اضافی که بر اساس نیازهای خاص برنامه طراحی شده‌اند، برای استحکام بلندمدت سیستم‌های کنترل موتور ضروری است.
MOVs یک راه‌حل اقتصادی EMC برای سیستم‌های موتور دارای کاربرد هستند به دلیل ظرفیت جریان عالی، قیمت مناسب و فرآیند تولید آشنا. امیدواریم این تحلیل، نظرات ارزشمندی برای مهندسان در این زمینه فراهم کند.