การใช้งานที่เหมาะสมของ Metal Oxide Varistors (MOVs) ในระบบมอเตอร์

1.การนําเสนอ

มอเตอร์ DC แบบแปรงถูกใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องจักรขนาดเล็ก เครื่องมือไฟฟ้า ของเล่น และอิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์ เนื่องจากโครงสร้างที่เรียบง่าย ราคาถูก และการควบคุมที่ยืดหยุ่น การทำงานของมันขึ้นอยู่กับการสลับเฟーズผ่านแปรงและคอมมิวเตเตอร์ ซึ่งช่วยให้มีการหมุนต่อเนื่องผ่านการสลับกระแสเป็นระยะในขดลวดอาร์เมเจอร์
แม้ว่าจะมีปัญหา เช่น การสึกหรอของแปรงและการเกิดเสียงรบกวนทางไฟฟ้า แต่มอเตอร์แบบแปรงยังคงมีความสำคัญในบางแอปพลิเคชันเนื่องจากคุณสมบัติการควบคุมความเร็วที่ยอดเยี่ยมและความน่าเชื่อถือของโครงสร้างที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

2. ปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการป้องกัน

ระหว่างการทำงาน มอเตอร์แบบแปรงจะสร้างประกายไฟและแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะในระหว่างการสลับเฟーズของแปรง ซึ่งทำให้เกิด:

แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่มีพลังงานสูงซึ่งอาจทำลายส่วนประกอบวงจรที่ไวต่อแรงดัน

สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่มากเกินไป ซึ่งอาจทำให้ไม่สามารถปฏิบัติตามมาตรฐาน EMC ได้

แม้ว่าจะใช้ฟิลเตอร์ BDL (ฟิลเตอร์ผ่านต่ำที่ประกอบด้วยช็อคโหมดปกติและคอนเดนเซอร์) เพื่อดавทอนเสียงรบกวน แต่ในบางครั้งอาจไม่เพียงพอในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน ดังนั้น การรวม Varistor ออกไซด์โลหะ (MOVs) เข้าไว้ในวงจรแบบขนานจึงเป็นวิธีการป้องกันแรงดันไฟฟ้าพุ่งที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ

หลักการทำงานของ MOVs

MOVs เป็นอุปกรณ์ประเภทคลัมป์ที่มีคุณสมบัติความต้านทานไฟฟ้า-กระแสไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งประกอบด้วยผลึกออกไซด์สังกะสีที่เผาแข็งและสารฉนวนความต้านทานสูง
เมื่ออยู่ในสภาพแรงดันปกติ MOVs จะแสดงความต้านทานสูงมากและไม่ทำการนำไฟฟ้า แต่เมื่อแรงดันที่ประยุกต์เข้ามาเกินค่า порог ทางเดินต้านทานต่ำจะถูกสร้างขึ้นภายในอุปกรณ์ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอย่างรวดเร็วและควบคุมแรงดันไฟฟ้าเกินให้อยู่ในระดับปลอดภัย ซึ่งช่วยปกป้ององค์ประกอบที่อยู่ด้านหลังจากความเสียหายเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าพุ่ง

4. การเปรียบเทียบกับไดโอด TVS

ไดโอด TVS (Transient Voltage Suppression) ใช้การต่อ PN junction ในเซมิคอนดักเตอร์และเหมาะสำหรับการป้องกันข้อมูลความเร็วสูงและความถี่สูง ในทางกลับกัน MOVs ซึ่งเป็นคอมโพสิตเซรามิกโพลีคริสตัล มีความสามารถในการดูดซับพลังงานและการจัดการกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า ทำให้เหมาะสมสำหรับสายไฟ AC และอุปกรณ์พลังงานสูง
นอกจากนี้ เนื่องจาก MOVs มีความจุพาราไซติกที่ค่อนข้างมาก พวกมันสามารถแทนที่ตัวเก็บประจุกรองในวงจรจำนวน 2 ถึง 5 ตัวในบางวงจร ช่วยให้ออกแบบโดยรวมมีประสิทธิภาพมากขึ้น

5. ค่าพารามิเตอร์สำคัญของ MOVs

Vrms / Vw: อัตราแรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่อเนื่องสูงสุดโดยไม่มีการกระตุ้น

IL: กระแสรั่วไหลภายใต้แรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงสุด โดยทั่วไป ≤ 20 μA

V1mA: แรงดันไฟฟ้าทะลุวัดที่กระแส 1 mA ใกล้เคียงกับจุดกระตุ้นของอุปกรณ์

Vc: แรงดันไฟฟ้าระงับสูงสุดภายใต้คลื่อน้ำวนชั่วขณะมาตรฐาน 8/20 μs (เวลาขึ้น 8 μs, ระยะเวลาครึ่งยอด 20 μs)

IPP: ความสามารถของกระแสชั่วขณะสูงสุดภายใต้เงื่อนไขการทดสอบที่กำหนด (คลื่น 8/20 μs สองชั่วโลง ห่างกัน 2 นาที)

6. แอปพลิเคชันแพ็คเกจ SMD

สำหรับมอเตอร์ DC แบบมีแปรงขนาดเล็กและผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัด แนะนำให้ใช้ MOV ประเภท SMD ชิ้นส่วนเหล่านี้มีขนาดเล็กและติดตั้งได้ง่าย เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการป้องกันไฟกระชากที่มีระยะเวลาสั้นและมีความเข้มข้นต่ำ

7. แอปพลิเคชันแพ็คเกจ DIP

สำหรับมอเตอร์กำลังสูงและไดรฟ์อุตสาหกรรม MOV ประเภท DIP (ผ่านรู) เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดรูปร่างใหญ่ขึ้นและสามารถจัดการกระแสไฟฟ้าได้ดีกว่า สามารถจัดการกับไฟกระชากพลังงานสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพและรักษาเสถียรภาพของวงจรควบคุมในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

8. แนวทางการเลือกใช้

การเลือก MOV ควรพิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของมอเตอร์ พลังงานไฟกระชากที่ยอมรับได้ และข้อจำกัดทางพื้นที่

อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ → ไดโอด MOV ซีรีส์ SMD

ระบบพลังงานกลางถึงสูง → ไดโอด MOV ประเภท DIP

การรวมใช้งาน MOV กับฟิลเตอร์ BDL เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการกดดันเสียงรบกวน EMI เป็นสิ่งที่แนะนำ

ผลการทดสอบเปรียบเทียบ

โดยไม่มีการป้องกัน: พบเสียงรบกวน EMI อย่างมากและผลกระทบจากแรงกระเพื่อมอย่างรุนแรง

ด้วยโซลูชัน MOV + BDL: แรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงจะถูกควบคุมอย่างมีประสิทธิภาพ ระดับ EMI ลดลง และผลการทดสอบมีเสถียรภาพและเป็นไปตามข้อกำหนด

สำหรับการวิเคราะห์ที่แม่นยำ แนะนำให้ใช้การแสดงผลคลื่นของออสซิลโลสโคปก่อนและหลังเหตุการณ์ไฟฟ้าพุ่งสูง พร้อมกับการวัดสเปกตรัม EMI

ข้อได้เปรียบและข้อจำกัดของ MOVs

ข้อดี:

คุ้มค่า

เทคโนโลยีที่พัฒนาแล้วและสมรรถนะที่เสถียร

ความจุกระแสไฟฟ้าพุ่งสูง

เวลาตอบสนองเร็ว

ลดความจำเป็นในการใช้คอมโพเนนต์กรองเพิ่มเติม

ข้อจำกัด:

ขนาดค่อนข้างใหญ่ ไม่เหมาะสำหรับการออกแบบที่ต้องการความรวมตัวสูง

มีความจุพาราซิทิกสูง ไม่เหมาะสมสำหรับเส้นสัญญาณความเร็วสูง

หมายเหตุการใช้งาน:

ทำงานภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด

หลีกเลี่ยงการล้างด้วยสารละลายโพลาฤทธิ์แรง

ป้องกันความเครียดทางกลหรือการ distort

ยึดชิ้นส่วนไว้ก่อนที่จะงอขั้ว เชื่อมต่อ โดยรักษา ≥ 2mm จากชั้นฉนวน

11. สรุป

ในสภาพแวดล้อม EMC ที่ซับซ้อน การเลือกใช้ชิ้นส่วนป้องกันไฟกระชากที่เหมาะสมตามความต้องการเฉพาะของการใช้งานเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเสถียรภาพระยะยาวของระบบควบคุมมอเตอร์
MOVs มอบโซลูชัน EMC ที่คุ้มค่าสำหรับระบบมอเตอร์แบบมีแปรง炭 เพราะมีความสามารถในการจัดการกระแสที่ยอดเยี่ยม ราคาไม่แพง และกระบวนการผลิตที่พัฒนามาอย่างดี เราหวังว่าการวิเคราะห์นี้จะให้ข้อมูลเชิงลึกและแนวทางปฏิบัติที่มีประโยชน์แก่บรรดาวิศวกรในวงการ