IEC 61000-4-5

IEC 61000-4-5 to międzynarodowa norma Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej dotycząca odporności na przepięcia. W instalacji elektrycznej na liniach zasilających i danych mogą pojawić się zakłócające przepięcia . Ich źródła obejmują nagłe przełączanie obciążenia i usterki w systemie elektroenergetycznym, a także wyładowania atmosferyczne wywołane pośrednim uderzeniem pioruna (bezpośrednie wyładowania atmosferyczne są poza zakresem tej normy). Wymaga to badania odporności na przepięcia urządzeń elektrycznych lub elektronicznych. Norma IEC 61000-4-5 definiuje konfigurację testów, procedury i poziomy klasyfikacji.

W szczególności standaryzuje wymagane przebiegi napięcia udarowego i prądu do badań laboratoryjnych, przy czym impuls „1,2/50-8/20 μs” jest najczęściej stosowanym przebiegiem udarowym. Chociaż niniejsza norma jest przeznaczona do testowania sprzętu jako całości na poziomie systemu, a nie poszczególnych urządzeń zabezpieczających, w praktyce ten przebieg udarowy jest często używany do oceny tłumików napięcia przejściowego ( TVS), lamp wyładowczych (GDT), warystorów z tlenku metalu ( MOV) i innych urządzeń przeciwprzepięciowych.

Obecna wersja to wydanie trzecie (2014), zmienione w 2017 roku.

Konfiguracja testowa

W normie zdefiniowano dwa główne komponenty: dwa typy generatorów fal kombinowanych (CWG) i różne sieci sprzęgające/odsprzęgające (CDN) w zależności od poziomu i typu testu.

Po pierwsze, kombinowany generator fal jest znormalizowanym generatorem impulsów (czasami nazywanym również generatorem przepięć piorunowych), służy do wytwarzania symulowanych, standardowych skoków napięcia i prądu w warunkach laboratoryjnych. Następnie przepięcie jest przesyłane do portu testowanego urządzenia (DUT) za pośrednictwem sieci sprzęgającej. Wreszcie, aby zapobiec przedostawaniu się przepięć do innych urządzeń przez system zasilania podczas testu, między linią zasilania a badanym urządzeniem umieszczana jest również sieć odsprzęgająca.

Przebiegi udarowe

Generator fal kombinowanych musi mieć wyjście unoszące się nad ziemią i być w stanie generować zarówno impulsy dodatnie, jak i ujemne. Jego częstotliwość powtarzania powinna wynosić co najmniej jeden impuls na 60 sekund.

Udar jest definiowany przez przebiegi napięcia otwartego obwodu i prądu zwarciowego generatora fal kombinowanych, scharakteryzowane przez czas czoła, czas trwania i wartości szczytowe. Przy wyjściu w obwodzie otwartym napięcie udarowe jest podwójnym impulsem wykładniczym w postaci ${\ Displaystyle k (e ^ {- \ alfa t} -e ^ {- \ beta t})}$ . Przy wyjściu zwarciowym przebieg prądu udarowego jest tłumioną falą sinusoidalną . Stosunek szczytowego napięcia obwodu otwartego do szczytowego prądu zwarciowego wynosi 2, co daje efektywną impedancję wyjściową równą 2 Ω.

Napięcie w obwodzie otwartym (przesadzone zbocze narastające, nie w skali, rzeczywiste zbocze narastające jest prawie linią pionową)

Prąd zwarcia

Zwykle przebieg napięcia ma czas czołowy 1,2 μs i czas trwania 50 μs, a przebieg prądu ma czas czołowy 8 μs i czas trwania 20 μs. Jest to najczęściej używany przebieg fali udarowej w większości zastosowań, często określany jako udar „1,2/50-8/20 μs”.

Alternatywnie, dla zewnętrznych sieci telekomunikacyjnych, które doświadczają wyższego poziomu przepięć, norma określa również bardziej energetyczny generator z przebiegiem napięcia 10/700 μs i przebiegiem prądu 5/320 μs.

Czas i czas trwania frontu nie są mierzone bezpośrednio, ale jako wirtualne parametry pochodzące z pomiarów. W przypadku napięcia w obwodzie otwartym czas czoła definiuje się jako 1,67 czasu narastania 30% -90% , czas trwania definiuje się jako przedział czasu między punktem 50% jego zbocza narastającego a punktem 50% jego zbocza opadającego . W przypadku prądu zwarciowego czas czoła definiuje się jako 1,25-krotność czasu narastania 10%-90%, czas trwania definiuje się jako 1,18-krotność przedziału czasu między punktem 50% jego zbocza narastającego a punktem 50% jego zbocza opadającego.

Na wyjściu generatora dopuszczalne jest niedoregulowanie o 30% poniżej zera. Na wyjściu sieci sprzęgającej nie ma przekroczenia ani limitu przekroczenia.

Porównanie z różnymi standardami

IEC 60060-1

Warto zauważyć, że zarówno impulsy napięciowe „1,2/50 μs”, jak i impulsy prądowe „8/20 μs” to klasyczne przebiegi o ugruntowanej historii stosowania w testach wysokonapięciowych do przesyłu energii elektrycznej. W związku z tym te przebiegi są również zdefiniowane w normie IEC 60060-1 „Techniki badań wysokonapięciowych” i innych normach w tym kontekście. W rzeczywistości definicje kształtu fali w normie IEC 61000-4-5 były pierwotnie oparte na normie IEC 60060-1.

Niemniej jednak istnieją istotne różnice. W tradycyjnych testach wysokonapięciowych impulsy napięciowe i prądowe są testowane oddzielnie, a nie łącznie. Generator „1,2/50 μs” jest przeznaczony do testowania izolacji i wytwarza impuls o wysokim napięciu i niskim natężeniu prądu do obciążenia o wysokiej impedancji. Prąd wyjściowy tego generatora jest w skali miliamperów. Generator „8/20 μs” jest przeznaczony do ograniczników przepięć i wytwarza udar o wysokim natężeniu prądu do obciążenia o niskiej impedancji. Z drugiej strony nowoczesne urządzenia elektroniczne mogą być jednocześnie obciążeniami o wysokiej i niskiej impedancji ze względu na nieliniowe urządzenia, obwody zabezpieczające i wyładowanie łukowe w przypadku przebicia dielektryka . W rezultacie zmotywowało to do stworzenia generatora fal kombinowanych z możliwością generowania wysokiego napięcia i prądu wyjściowego podczas tego samego skoku. Ponadto oba standardy mają różne tolerancje kształtu fali i inne wymagania techniczne. Dlatego IEC 61000-4-5 nie należy mylić z IEC 60060-1 i innymi testami wysokonapięciowymi, które również wykorzystują impuls „1,2/50 μs” lub „8/20 μs”.

IEC 61000-4-5 wyd. 2 i wyd. 3

Kiedy używana jest sieć sprzęgająca, wcześniejsze doświadczenia wykazały niespójne przebiegi między różnymi generatorami. Tak więc ważna zmiana w IEC 61000-4-5 Ed. 3 polega na tym, że kombinowany generator fal musi być weryfikowany tylko z kondensatorem 18 μF podłączonym do wyjścia. Powoduje to znaczny wpływ na przebieg prądu zwarciowego. Gdyby generator miał być zaprojektowany bez kondensatora sprzęgającego, moc wyjściowa nie byłaby już zgodna z normami.

Wydanie trzecie uprościło również definicje przebiegów. Wcześniejsza norma zawierała dwie definicje parametrów kształtu fali „1,2/50-8/20 μs”, oparte na IEC 60060-1 lub IEC 60469-1, oraz dwie definicje parametrów kształtu fali „10/700-5/320 μs”, w oparciu o serię IEC 60060-1 lub ITU-T K. wyd. 3 usunięto odniesienia do tych norm i podano samodzielne definicje. W szczególności czas czoła został ponownie zdefiniowany pod względem czasu narastania, a nie przedziału czasu od ekstrapolowanego „wirtualnego pochodzenia” przy użyciu podejścia IEC 60060-1. Pozwala to na korzystanie z wbudowanej funkcji pomiarowej oscyloskopu, upraszczając procedury testowe. Ze względów praktycznych różnice między obiema definicjami są nieistotne. Ponieważ jednak nowa definicja została utworzona na podstawie normy IEC 60060-1, generator skalibrowany zgodnie z definicjami normy IEC 60469-1 może już nie być zgodny z normą.

Analiza obwodu

Generator 1,2/50-8/20 μs

Uproszczony schemat kombinowanego generatora fal 1,2/50-8/20 μs

Generator fali kombinowanej jest zasadniczo obwodem rozładowania kondensatora. Początkowo przełącznik jest otwarty, źródło wysokiego napięcia ładuje $kondensator$$. Przełącznik jest następnie zamykany$ energię ograniczający $,$ aby dostarczyć impuls do obciążenia przez sieć tworzącą impulsy , która składa się z kształtującej czas narastania , dwóch rezystorów kształtujących czas trwania impulsu ${\ Displaystyle R_ {s1}}$ i ${\ Displaystyle R_ {s2}}$ i rezystor dopasowujący impedancję ${\ Displaystyle R_ {m}}$ .

Norma nie określa wartości komponentów ani praktycznych obwodów, można zastosować dowolny odpowiedni projekt zgodny z wymaganiami normy.

Kompletna analiza obwodu idealnego generatora udarowego, w tym równania projektowe i wartości komponentów, jest dostępna w prezentacji Wprowadzenie do testowania odporności na udary napięciowe autorstwa Hestermana i in. Zaktualizowane wyprowadzenie dla wydania trzeciego podano w artykule Elementary and perfect równoważny model obwodów kombinowanego generatora fal 1,2/50-8/20 μs autorstwa Carobbi i in.

Równania projektowe

Następujące równania projektowe zostały wyprowadzone przez Carobbi i in. W tych równaniach napięcie ładowania wynosi $\ Displaystyle$ a składniki to do ${c}}$ , ${\ Displaystyle R_ {1} = R_ { s1}}$ , ${\ Displaystyle R_ {2} = R_ {m}}$ , ${\ Displaystyle R_ {3} = R_ {s2}}$ i ${\ Displaystyle L = L_ {r}}$ .

Napięcie obwodu otwartego

Dla napięcia w obwodzie otwartym jego transformata Laplace'a wynosi:

${\ Displaystyle V (s) = {\ Frac {E \ cdot {\ Frac {R_ {3}} {L}} }{s^{2}+s(\alpha +\beta )+\alpha \beta }}}$

 

 

 

 

()

Gdzie:

${\ Displaystyle \ alfa + \ beta = {\ Frac {R_ {2} + R_ {3}} {L}} + {\ Frac {1} R_{1}C}}}$

 

 

 

 

()

${\ Displaystyle \ alfa \ beta = {\ Frac {R_ {1} + R_ {2} + R_ {3}} {R_ {1} LC}} }$

 

 

 

 

()

Zatem napięcie w obwodzie otwartym jest przebiegiem o podwójnym wykładniczym przebiegu:

${\ Displaystyle v (t) = {\ Frac {E \ cdot {\ Frac {R_ {3}} {L }}}{\beta -\alfa }}(e^{-\alfa t}-e^{-\beta t})}$

 

 

 

 

()

Napięcie osiąga swoją wartość szczytową przy:

${\ Displaystyle t_ {pe} = {\ Frac {\ ln {(\ beta / \ alfa)}} {\ beta - \ alfa}}}$

 

 

 

 

()

A napięcie szczytowe to:

${\ Displaystyle V_ {p} = {\ Frac {E \ cdot {\ Frac {R_ {3}} {L}}}{\beta -\alfa}}(e^{-\alfa t_{pe}}-e^{-\beta t_{pe}})}$

 

 

 

 

()

Prąd zwarcia

$, zauważ$$,$ że ostatni rezystor ( na schemacie) jest

Dla prądu zwarciowego jego transformata Laplace'a wynosi:

${\ Displaystyle I (s) = {\ Frac {\ Frac {E} {L}} {\ lewo (s + {\ Frac {\ omega _{0}}{2Q}}\right)^{2}+\omega _{n}^{2}}}}$

 

 

 

 

()

Gdzie:

${\ Displaystyle \ omega _ {0} ^ {2} = {\ Frac {R_ {1} + R_ {2}} {LCR_ {1}}}}$

 

 

 

 

()

${\ Displaystyle {\ Frac {w_ {0}} {Q}} = {\ Frac {R_ {2}} {L}} + {\ Frac {1} {R_ {1}C}}}$

 

 

 

 

()

${\ Displaystyle \ omega _ {n} = \ omega _ {0} {\ sqrt {1- (1/2Q) ^ {2}}}}$

 

 

 

 

()

Zatem prąd zwarciowy jest tłumioną falą sinusoidalną (z niedotłumionego obwodu RLC ):

${\ Displaystyle i (t) = {\ Frac {E} {\ omega _ {n} L}} e ^ {- {\frac {\omega _{0}}{2Q}}t}\sin {(\omega _{n}t)}}$

 

 

 

 

()

Prąd osiąga swoją wartość szczytową przy:

${\ Displaystyle t_ {ps} = {\ Frac {1} {\ omega _ {n}}} \ arctan {\ lewo ({\ sqrt {(2Q)^{2}-1}}\prawo)}}$

 

 

 

 

()

A prąd szczytowy to:

${\ Displaystyle I_ {p} = {\ Frac {E} {\ omega _ {0} L}} e ^ {- {\ Frac {\ omega _ { 0}}{2Q}}t_{ps}}}$

 

 

 

 

()

Rozwiązanie

Zignoruj ​​amplitudę w 4 , staje się:

${\ Displaystyle v' (t) = e ^ {- \ alfa t} -e ^ {- \ beta t}}$

 

 

 

 

()

Zastępując ${\ Displaystyle x = \ alfa t}$ :

${\ Displaystyle y (x) = e ^ {- x} -e ^ {- {\ Frac {\ beta} {\ alfa}} x}}$

 

 

 

 

()

Współczynnik $tak,$$aby$ przebieg miał czas trwania w stosunku do czasu ${\ Displaystyle 50/1,2 \ około 41,7}$ . Oceniając numerycznie $przebieg$ rozwiązaniem ${\ Displaystyle {\ Frac {\ beta} {\ alfa}} = 168}$ . Następnie $się$ i $się,$ ' zmieniając numerycznie, aż $przebieg$ s będzie miał czas czoła 1,2 μs. Rozwiązaniem jest ${\ displaystyle \ alpha ^ {- 1}}$ = 68,2 μs. Dlatego ${\ Displaystyle \ beta ^ {- 1}}$ = 0,4 μs.

Pomińmy amplitudę w 11 , będzie to:

${\ Displaystyle i' (t) = e ^ {- {\ Frac {\ omega _ {0}} {2Q}} t} \ grzech {(\omega _{n}t)}}$

 

 

 

 

()

Zastępując ${\ Displaystyle z = \ omega _ {0} t}$ :

${\ Displaystyle y' (z) = e ^ {\ Frac {-z} {2Q}} \ sin { \left({\sqrt {1-(1/2Q)^{2}}}z\right)}}$

 

 

 

 

()

$20$ wybrać wartość $, aby$ przebieg fali miał czas trwania względem przedniego $2.5}$$20/8$ . Oceniając numerycznie $displaystyle$ (w tym jego czas i czas trwania) przy zmianie okazuje się być $Q}$${\ Displaystyle Q = 1,46}$ . Następnie oblicza się, zmieniając go numerycznie, aż $przebieg$ 16 ' s będzie trwał 20 μs Przy prawidłowym czasie trwania, czas frontu jest również automatycznie spełniony. Rozwiązaniem jest ${\ Displaystyle {\ Frac {\ omega _ {0}} {2 \ pi}} = f_ {0} = 20,03 {\ tekst {kHz}}}$ .

Po $Displaystyle$$i$ rozwiązaniu $można$ uzyskać wartości $elementów$ , $}$$styl wyświetlania R_{3}}$ \ jest wyprowadzany jako pierwszy.

Należy zauważyć, że efektywna impedancja wyjściowa wynosi (poprzez podzielenie 6 przez 13 ):

${\ Displaystyle R = {\ Frac {V_ {p}} { I_{p}}}={\frac {\omega _{0}}{\beta -\alpha}}(e^{-\alpha t_{pe}}-e^{-\beta t_{pe}} )e^{{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t_{ps}}R_{3}}$

 

 

 

 

()

I można przeorganizować jako:

${\ Displaystyle R_ {3} = {\ Frac {(\ beta -\ alpha )e^{-{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t_{ps}}}{{\omega _{0}(e^{-\alpha t_{pe}}}-e ^{-\beta t_{pe}})}}R}$

 

 

 

 

()

Ustaw impedancję wyjściową $2$ Ω, rozwiązaniem jest ${\ Displaystyle R_ {3}}$ = 26,1 Ω.

Wreszcie rozwiązanie w postaci zamkniętej innych wartości składowych to:

${\ Displaystyle L = {\ Frac {R_ {3}} {\ alfa + \ beta - \ omega _ {0} / Q}}}$

 

 

 

 

()

${\ Displaystyle R_ {2} = \ lewo ({\ Frac {\ omega _ {0}} {Q}} - {\ frac {\alpha \beta -\omega _{0}^{2}}{\alpha +\beta -\omega _{0}/Q}}\right)L}$

 

 

 

 

()

${\ Displaystyle R_ {1} = {\ Frac {\ omega _ {0} ^ {2}} {\ alfa \ beta - \ omega _ {0} ^{2}}}R_{3}-R_{2}}$

 

 

 

 

()

${\ Displaystyle C = {\ Frac {1} {1} {1}}} {\ Frac {\ alfa + \ beta - \ omega _ {0 }/Q}{\alpha \beta -\omega _{0}^{2}}}}$

 

 

 

 

()

Rozwiązaniem jest do ${\ Displaystyle C}$ 5,93 μF, ${\ Displaystyle L}$ = 10,9 μH, ${\ Displaystyle R_ {1}}$ = 20,2 Ω i ${\ Displaystyle R_ {2}}$ = 0,814 Ω.

Szczytowe napięcie wyjściowe jest nieco niższe niż napięcie ładowania. Aby przeskalować napięcie, użyj amplitudy w 4 i ustaw E = 1, co daje ${\ Displaystyle {\ Frac {1 \ cdot {\ Frac {R_ {3}} {L} }}{\beta -\alfa }}=0,943}$ . Zatem napięcie ładowania kondensatora jest ${\ displaystyle {\ frac {1} {0,943}} = 1,06}$ razy większe od szczytowego napięcia wyjściowego.

$rozwiązanie$ nie uwzględnia kondensatora sprzęgającego, a także równy Rozwiązanie obu problemów omówiono w poniższych sekcjach.

Kondensator sprzęgający

Dodatkowy szeregowy kondensator sprzęgający 18 μF prawie nie ma wpływu na napięcie obwodu otwartego, ale znacząco wpływa na prąd zwarciowy.

Carobbi i in. zasugerował następującą iteracyjną procedurę projektowania metodą prób i błędów, aby uwzględnić efekt szeregowego kondensatora sprzęgającego. Po pierwsze, bez uwzględniania kondensatora, oryginalna analiza obwodu jest ponownie wykorzystywana, a wartości elementów obwodu są uzyskiwane za pomocą solwera numerycznego. Następnie dodaje się kondensator i odnotowuje zmianę przebiegu zwarcia. Następnie docelowe parametry kształtu fali dla solvera numerycznego są „wstępnie zniekształcane”, uzyskując nowy zestaw wartości składowych (poprzez zmianę czasu czoła, czasu trwania i efektywnej impedancji wyjściowej). Na przykład, jeśli prąd szczytowy staje się zbyt niski, wartości składowych są przeliczane dla wyższego prądu szczytowego poprzez dostosowanie docelowej efektywnej impedancji wyjściowej. Kroki te są powtarzane aż do uzyskania pożądanego kształtu fali. Podany tutaj wynik jest dokładny w granicach 1,5% po dwóch iteracjach, więcej iteracji wymaga większej dokładności.

Wyniki

Idealne wartości komponentów (przybliżenie liczbowe)
Kondensator serii 18 μF	Napięcie ładowania (V)	${c}}$ (μF)	${\ displaystyle L_ {r}}$ (μH)	${\ Displaystyle R_ {m}}$ (Ω)	${\ Displaystyle R_ {s1}}$ (Ω)	${\ Displaystyle R_ {s2}}$ (Ω)	Bieżący spadek (%)	Przez
NIE	1060	5,93	10.9	0,814	20.2	26.1	34	Carobbi i in.
NIE	1082	6.04	10.4	0,941	25.1	19.8	27,4	Hestermana i in. glin.
Tak	1063	9,98	10.7	0,832	9.39	25,5	39	Carobbi i in.

Oba źródła wykazały, że nie jest możliwe dokładne spełnienie wymagań dotyczących kształtu fali bez naruszenia 30% limitu przeregulowania prądu zwarciowego. Niemniej jednak Hesterman i in. glin. przedstawił przybliżone rozwiązanie polegające na dostosowaniu parametrów przebiegu w granicach tolerancji. Wyprowadzenie przez Carobbi i in. zignorował wymóg niedoregulowania, wskazując, że praktyczny obwód może w niektórych przypadkach zredukować przeregulowanie nawet praktycznie do zera, jeśli używany jest przełącznik jednokierunkowy. Ponadto norma IEC 61000-4-5 stwierdza, że ​​na wyjściu sieci sprzęgającej nie ma wymogu przeregulowania lub niedoregulowania.

Rozwiązania te są ważne tylko dla idealnego generatora, nadającego się do symulacji obwodu. Może być używany jako punkt wyjścia do praktycznego projektowania generatorów, ale wartości komponentów muszą być dalej dostosowywane ze względu na nieidealności przełączników. W idealnym obwodzie czas narastania napięcia w obwodzie otwartym jest regulowany przez stałą czasową ${\ Displaystyle {\ Frac {L_ {r}}} {R_ {m} + R_ {3}}}}$ , ale praktyczny przełącznik może spowodować degradację czasu narastania. Ponadto, ze względu na zastosowanie różnych typów przełączników, prawdziwy generator może wytwarzać albo impuls dwukierunkowy z niedoregulowaniem, albo impuls jednokierunkowy bez przeskoku. Idealny model obwodu nie może przewidzieć tych nieliniowych efektów i nie powinien być traktowany jako kompletny model obwodu praktycznych generatorów.

Generator 10/700-5/320 μs

Do skoku 10/700-5/320 μs używany jest inny kombinowany generator fal.

Uproszczony schemat generatora fal kombinowanych 10/700-5/320 μs

Poziomy testu

Poniższa tabela przedstawia szczytowe napięcie obwodu otwartego i prąd zwarciowy generatora fal kombinowanych.

Poziomy testów udarów elektrycznych (IEC/EN 61000-4-5)
Klasa	Poziom testowy (V)	Maksymalny prąd szczytowy przy 2 Ω (A)
1	500	250
2	1000	500
3	2000	1000
4	4000	2000
X	Specjalny	Specjalny
X może być dowolnym poziomem określonym w normach specyficznych dla produktu. Może być powyżej, poniżej lub między innymi.

Pełny prąd nie zawsze jest rzeczywiście doprowadzany do badanego urządzenia. W zależności od konfiguracji testu i typu portu, dodatkowy rezystor może być użyty jako część sieci sprzęgającej w celu zmniejszenia szczytowego prądu udarowego w DUT, podnosząc impedancję wyjściową do 12 Ω lub 42 Ω.

Zobacz też

• IEC 61000-4-2
• IEC 61000-4-4
• Ochrona przed przepięciami
• Lista powszechnych norm testowych EMC
• Lista norm IEC
• Lista norm EN

Linki zewnętrzne

• Sklep internetowy IEC
• „IEC 61000-4-5” w Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej
• Nota aplikacyjna STMicroelectronics AN4275 Przegląd normy IEC 61000-4-5