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TDK過(guò)電壓保護(hù)解決方案分析

發(fā)布時(shí)間:2018-05-11 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】智能恒溫器、門(mén)禁控制和防盜報(bào)警系統(tǒng)等在智能建筑和智能家居應(yīng)用已逐步成為建筑管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。在這些應(yīng)用中,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)顯得尤其重要,因?yàn)樵撓到y(tǒng)關(guān)系到人身和財(cái)產(chǎn)安全。為保障火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性,TDK集團(tuán)推出一系列愛(ài)普科斯 (EPCOS) 關(guān)鍵元件,其中最重要的莫過(guò)于過(guò)電壓保護(hù)解決方案。
 
寫(xiě)字樓、酒店、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)均為人群大量流動(dòng)的建筑場(chǎng)所,因此必須配備自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由傳感器、執(zhí)行器、電源和數(shù)據(jù)傳輸單元所組成的復(fù)雜系統(tǒng)。一般而言,每個(gè)火災(zāi)探測(cè)器都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈接到控制器。
 
根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和布局的不同,我們采用環(huán)形和星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??刂破鲌?zhí)行兩項(xiàng)具體任務(wù):定期掃描安裝設(shè)備,如果隨后發(fā)現(xiàn)探測(cè)器已啟動(dòng),控制器必須觸發(fā)包括建筑物內(nèi)所有的聲音和可視化報(bào)警裝置執(zhí)行必要的動(dòng)作,關(guān)閉防火門(mén),以及通過(guò)LAN或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行消防服務(wù)。
 
例如,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可通過(guò)24V電源供電。由于系統(tǒng)在電源發(fā)生故障時(shí)仍然需要繼續(xù)工作,因此火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)電源集成了UPS,即使發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間斷電,系統(tǒng)也能確保合適的供電電壓。除火災(zāi)探測(cè)器外,運(yùn)動(dòng)探測(cè)器和玻璃破碎傳感器也必須集成到該系統(tǒng)中。圖1顯示了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
 
TDK過(guò)電壓保護(hù)解決方案分析
圖1:火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其中火災(zāi)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外,聲音報(bào)警裝置(擴(kuò)音器)還能在星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中運(yùn)行。
 
火災(zāi)探測(cè)器采用不同的傳感器技術(shù),具體技術(shù)取決于其應(yīng)用需求:
 
探測(cè)煙霧的光學(xué)傳感器
 
檢測(cè)溫升的溫度傳感器
 
探測(cè)CO和CO2的氣體傳感器
 
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圖2顯示了帶光學(xué)傳感器的火災(zāi)探測(cè)器的原理框圖。圖2:在火災(zāi)探測(cè)器內(nèi)部,微控制器 (3.3 V)、紅外發(fā)射器和接收器 (10 V) 通過(guò)電源總線 (24 V) 供電。
 
嚴(yán)苛的過(guò)壓保護(hù)要求
 
由于工作環(huán)境的復(fù)雜性,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)各種過(guò)電壓現(xiàn)象,如數(shù)據(jù)和電源電纜產(chǎn)生過(guò)電壓。電源線和信號(hào)線都會(huì)受到過(guò)壓影響。由于系統(tǒng)電纜較長(zhǎng),具有多種耦合情形由,過(guò)電壓?jiǎn)栴}更加嚴(yán)重。
 
TDK過(guò)電壓保護(hù)解決方案分析
圖3概述了可能存在的過(guò)電壓類(lèi)型。
 
TDK集團(tuán)生產(chǎn)的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 壓敏電阻適用于各種過(guò)電壓類(lèi)型。不過(guò)這里必須區(qū)分單片式和疊層式。
 
單片式壓敏電阻專(zhuān)為高電壓和大電流而設(shè)計(jì),因此適用于電源輸入端。除傳統(tǒng)的片狀壓敏電阻,愛(ài)普科斯 (EPCOS) ThermoFuse™壓敏電阻的T14和T20系列特別適用于與安全相關(guān)的應(yīng)用。其工作電壓為130 VRMS至1000 VRMS,抗浪涌電流能力可高達(dá)10,000 A (8/20 µs)。
 
如果ThermoFuse壓敏電阻過(guò)熱,集成熔絲會(huì)將壓敏電阻與網(wǎng)絡(luò)隔離,防止印制電路板上出現(xiàn)任何著火現(xiàn)象,或損壞位于壓敏電阻附近的元件。熔絲和壓敏電阻安裝在塑料外殼的內(nèi)部,并且與壓敏電阻的涂層類(lèi)似,采用阻燃性材料制成。
 
這些元件具有三個(gè)接頭:兩個(gè)用于電力電纜,一個(gè)用于監(jiān)測(cè)輸出,例如可通過(guò)該監(jiān)測(cè)輸出,經(jīng)由LED顯示元件的狀態(tài)。為便于更換,這些壓敏電阻可采用印制電路板端子進(jìn)行安裝。
 
TDK過(guò)電壓保護(hù)解決方案分析
圖4:防止過(guò)熱的ThermoFuse系列壓敏電阻。 此外,元件狀態(tài)可通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出端進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。
 
對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)電源總線以及火災(zāi)探測(cè)器本身而言,CTVS浪涌保護(hù)系列的多層壓敏電阻適用于參考IEC 61000 4-5標(biāo)準(zhǔn)定義的浪涌測(cè)試。由于采用多層設(shè)計(jì),CTVS能提供滿足需求的各種額定電壓的產(chǎn)品。封裝尺寸為0805至2220的表面貼裝元件專(zhuān)為8/20 µs (4 kV) 或10/700 µs (2 kV) 的脈沖電流而設(shè)計(jì),其抗浪涌電流能力可高達(dá)6000 A,并且能承受高達(dá)15 J的沖擊能量。這些元件適用于IEC 61000 4-2 Level 4的ESD防護(hù)要求,并且能提供高達(dá)30 kV的可靠保護(hù)。
 
與其它保護(hù)元件技術(shù)(如TVS二極管)不同,愛(ài)普科斯 (EPCOS) CTVS壓敏電阻在溫度高達(dá)150°C時(shí)都不會(huì)出現(xiàn)性能降額。
 
根據(jù)安全系統(tǒng)制造商對(duì)某些元件的特定要求,CTVS系列的相關(guān)類(lèi)型產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了UL 1449(文檔編號(hào)E481997)認(rèn)證。
 
同一類(lèi)壓敏電阻適用于各種電壓等級(jí)采用光學(xué)傳感器的火災(zāi)探測(cè)器需要提供額外的內(nèi)部供電電壓等級(jí):紅外發(fā)射器和接收器為10 V,微控制器為3.3 V。
 
TDK過(guò)電壓保護(hù)解決方案分析
圖5顯示了在火災(zāi)探測(cè)器內(nèi)部生成不同電壓等級(jí)的可能電路圖。圖5:通過(guò)10 V分立式解決方案和3.3 V LDO(線性調(diào)壓器)在火災(zāi)探測(cè)器內(nèi)部生成不同的電壓等級(jí)。此處使用四個(gè)壓敏電阻以防止過(guò)電壓。
 
通過(guò)24V直流母線供電的輸入端必須始終使用壓敏電阻 (CTSV1) 進(jìn)行過(guò)壓防護(hù)。CTVS浪涌電壓保護(hù)系列的CT2220K30G 愛(ài)普科斯 (EPCOS) 表明貼裝型(SMD) 多層壓敏電阻可實(shí)現(xiàn)該目的,其最大直流電壓為38 V,耐沖擊電流設(shè)計(jì)為1200 A (8/20 µs)。該壓敏電阻應(yīng)盡可能靠近接線端子安裝。并聯(lián)的C1投切電容器(如TDK MLCC)可抑制高頻干擾。根據(jù)總線電壓或沖擊電壓的要求,TDK集團(tuán)的產(chǎn)品系列還包括許多其它可用于輸入端的多層壓敏電阻。
 
包含Q1、R1和D1在內(nèi)的電路構(gòu)成了輸出電壓為10V的電壓控制器。為提高安全性,CT0402S11ACCG愛(ài)普科斯 (EPCOS) 壓敏電阻與齊納二極管 (D1)并聯(lián),當(dāng)二極管故障時(shí)壓敏電阻可以導(dǎo)通以防止Q1基極處出現(xiàn)過(guò)電壓。10V穩(wěn)壓輸出端通過(guò)另外一個(gè)壓敏電阻 (CTVS3) 提供保護(hù)。另外,陶瓷電容器C2和C3用于穩(wěn)壓和噪聲抑制。而LDO控制器產(chǎn)生的微控制器電壓可通過(guò)CDS2C05GTA壓敏電阻 (CTSV4) 進(jìn)行保護(hù)。
 
愛(ài)普科斯 (EPCOS) CTVS浪涌保護(hù)系列的關(guān)鍵數(shù)據(jù)
 
TDK過(guò)電壓保護(hù)解決方案分析
 
除電源線纜,還需要對(duì)數(shù)據(jù)電纜進(jìn)行保護(hù),因?yàn)殪o電 (ESD)會(huì)對(duì)接口造成嚴(yán)重的損壞。鑒于此,TDK集團(tuán)推出愛(ài)普科斯 (EPCOS) CeraDiode®高速數(shù)據(jù)線系列,為客戶提供出色的保護(hù)。由于該系列產(chǎn)品的電容值低至0.6 pF(具體視型號(hào)而定),信號(hào)的完整性不會(huì)受到任何影響。除常規(guī)單路器件,還有陣列類(lèi)產(chǎn)品,比如最多適用四路數(shù)據(jù)線的陣列產(chǎn)品。該產(chǎn)品另外一個(gè)引人注目的技術(shù)特點(diǎn)是CeraDiodes的響應(yīng)時(shí)間極短,≤0.5 ns。
 
通過(guò)PTC熱敏電阻提供短路保護(hù)
 
由于所有的火災(zāi)探測(cè)器并聯(lián)再電源總線上,因此單個(gè)設(shè)備的短路可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)線路部分的癱瘓。為防止這種情況發(fā)生,每個(gè)火災(zāi)探測(cè)器必須配備相應(yīng)的保險(xiǎn)絲。PTC熱敏電阻特別適合于該任務(wù),因?yàn)樗鼈兡茏鳛樽曰謴?fù)保險(xiǎn)絲。其功能原理是:當(dāng)熱敏電阻處于低溫(室溫)狀態(tài)下,它保持低阻態(tài)。如果遇到短路情況,即出現(xiàn)明顯高于指定最大值的電流,則PTC熱敏電阻將會(huì)發(fā)熱,并立即切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)。這能將電流限制到安全水平內(nèi)。一旦短路原因被排除,PTC熱敏電阻將重新冷卻并返回其低阻抗?fàn)顟B(tài)。B59873C0120A570 愛(ài)普科斯 (EPCOS) PTC在25°C時(shí)的最大負(fù)載電流為90 mA,非常適合火災(zāi)探測(cè)器。
 
各種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)元件
 
除過(guò)電壓保護(hù)解決方案外,其它的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 和TDK元件系列也適用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。這些元件包括電感和陶瓷、薄膜和鋁電解電容器,以及NTC熱敏電阻。除此以外,NTC熱敏電阻還能根據(jù)其熱工作原理而制造,以滿足火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用。
 
 
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