پیشگفتار:
اگر در حوزه الکترونیک مشغول به فعالیت هستید، احتمالا تاکنون حتما با عبارت حفاظت از مدار (Circuit Protection) مواجه شدهاید. در حالت کلی حفاظت از مدار مجموعه اقداماتی را شامل میشود که برای محافظت از تجهیزات الکتریکی و قطعات الکترونیکی در مقابل تهدیدات موجود انجام میپذیرند.
درصورتیکه در زمینه حفاظت مدار مشغول تحقیقات میباشید، برای مثال مدار الکترونیکیای را طراحی کردهاید، حال در جستجوری آن هستید که بدانید در عمل (زمانی که مدار مشغول فعالیت خاص خود است) با چه تهدیدهایی امکان دارد مواجه شوید و برای محافظت از مدار خود چه باید کنید؛ اگر در چنین شرایطی هستید، در حین بررسیهای خود با برخی واژهها مواجه میشوید که نیاز به آگاهی دقیق از مفهوم آنها دارید.
یکی از پرکاربردترین این واژهها، surge است (که در فارسی به فرم "سرج" نیز گویا استفاده میشود) که کاملا باید با آن آشنا باشید و بدانید که surge چیست.
این نوشتار تلاشی است برای توضیح واژه surge، اینکه surge چیست و مهمترین عوامل ایجاد آن کدامند. پس با ما در کهرنیک همراه باشید.
surge چیست؟
در پاسخ به این سوال که surge چیست باید گفت: surge یک افزایش ناگهانی و کوتاه مدت ولتاژ یا جریان در مدار الکتریکی است که این افزایش بهطور قابل توجهی از سطح ولتاژ یا جریان نرمال و عادی دستگاه فراتر میرود و قادر به آسیب رساندن، تخریب یا از بین بردن قطعات حساس با ایجاد تنش الکتریکی/حرارتی میباشد. این جهشها تهدید بزرگی برای لوازم الکترونیکی هستند، حتی موارد کوچک و مکرر میتوانند بهعنوان "قاتلان خاموش" عمل کنند و طول عمر دستگاه را کوتاه کنند.
واضح است که این افزایش ناگهانی و لحظهای ولتاژ یا جریان، هم میتواند روی سیگنال DC رخ دهد و هم AC. در شکلهای زیر هر دو مورد آورده شدهاند. همانطور که در شکل مشخص است بر روی سیگنال AC (که میتواند مثلا ولتاژ یک مصرفکننده در مدار باشد) دو سرج متفاوت حاضر شده است. در ادامه این نوشتار انواع عوامل تولیدکننده سرج بررسی شدهاند. بر روی سیگنال DC هم در همان ابتدا یک سرج رویت میشود. برای مثال تغذیه یک مصرفکننده متصل شد، بهجای اینکه ولتاژ آن از صفر به یک عدد ثابتی برود، در لحظه اول جهشی دارد و به مقدار بسیار بالاتری از ولتاژی که باید میرفت میرسد.
حال که کمی واضحتر شده است که surge چیست، در ادامه در ابتدا چند نکته را برای روشنتر شدن موضوع بیان خواهیم کرد و سپس به سراغ انواع عوامل ایجاد surge میرویم.
حضور دو surge متفاوت روی یک سیگنال ولتاژ AC؛ اولی که جهش بسیار زیادی هم دارد میتوان مثلا ناشی از صاعقه باشد و دومی مثلا ناشی از اتفاقی در داخل مدار مانند سوئیچینگ.
حضور یک surge روی سیگنال ولتاژی DC؛ برای مثال میتواند ولتاژ مصرفکنندهای باشد که پس از روشن شدن، باید ولتاژ آن از صفر به عددی مشخص میرسید، ولی در لحظه اول با یک surge مواجه میشویم و سپس به مرور ولتاژ آن ثابت میشود.
چند نکته
● توجه شود که واژه surge در حوزههای مختلفی از علوم به کار میرود و ما در این نوشته به معنای آن در مهندسی برق توجه داریم.
● هرچند در تعریف surge (در مهندسی برق) گفته شد که به یک جهش سریع و کوتاه (spike گونه) در ولتاژ و یا جریان گفته میشود، اما معمولا وقتی صحبت از surge میشود به یک جهش سریع و کوتاه در ولتاژ اشاره داریم، زیرا وقتی یک جهش در ولتاژ (voltage surge) در مدار داشته باشیم، اثر آن افزایش در جریان (current surge) در مدار است. یا به عبارتی سرج اولیه را در ولتاژ میدانند. البته شاید این گفته دقیق نبوده و عکس آن نیز امکانپذیر باشد، یعنی در مداری سرج اولیه در جریان دیده شود.
● باایناوصاف surge، که یک افزایش ناگهانی و کوتاه مدت در ولتاژ (یا جریان) است، در واقع یک رویداد (event) اضافه ولتاژ "overvoltage" (یا اضافه جریان "overcurrent") میباشد.
● چون این رویداد یا اتفاق، لحظهای (یا به عبارت دیگر کوتاه مدت) میباشد این ویژگی آن را با کلمه transient (به معنای گذرا) میتوان بیان کرد و با توجه به این خصوصیت، شکل کلی آن بسیار شارپ است (افزایش شدید لحظهای داریم). لذا واژه spike را میتوان برای آن به کار برد (اولین معنی spike در انگلیسی یک قطعه نازک و نوکتیز از فلز، چوب یا ماده دیگر است، چیزی شبیه میخی بلند). بااینتفاسیر در مواردی ممکن است بهجای واژه surge با واژه transient voltage spike مواجه شوید که به همان مفهوم اشاره دارد، هرچند ظرایف خاص خود را هم دارد.
● برخی منابع اشاره دارند که بین spike و surge از نقطهنظر فنی تفاوت وجود دارد و آن این است که هرگونه افزایش ولتاژی که حداقل سه نانوثانیه طول بکشد، یک surge در نظر گرفته میشود اما اگر این افزایش فقط برای یک یا دو نانوثانیه باشد، به آن spike میگویند.
● مدت زمانی که یک surge حضور دارد، میتواند در حد نانوثانیه باشد و یا حتی تا میلیثانیه، اما معمولا در حد میکروثانیه است. وقتی در ادامه انواع surge بررسی شد، مدت زمان حضور هرکدام از آنها نیز ارائه میشود.
● اینکه از چه ترجمهای در فارسی برای surge استفاده کنیم، که با تعریف آن در مهندسی برق سازگار باشد را دقیقا نمیدانم. به نظر از سرج استفاده میشود، اما الزاما اشاره به حوزه مهندسی برق ندارد. میتوان از عباراتی مانند "جهش ولتاژ (یا جریان) ناگهانی و آنی" استفاده کرد که بهخوبی ویژگیهای آن را توصیف میکنند، اما بهرحال طولانی هستند. ما در این سایت هرجا به آن نیاز پیدا کنیم احتمالا از همان واژه اصلی یعنی surge استفاده خواهیم کرد و شاید هم سرج!
● ممکن است در منابع مختلف با عبارت power surge هم روبرو شوید که اشاره به همین surgeای که در مهندسی برق با آن سروکار داریم دارد. در واقع میتوان گفت که واژه power اشاره به برق دارد، هرچند معمولا واژه power را برای برق حوزه قدرت به کار میبریم و شاید power surge اشاره به سرجهایی که در برق قدرت (برای مثال در سیستم توزیع برق) دیده میشوند داشته باشد و نمیدانم که آیا میتوان از آن برای اشاره به surgeهای حوزه الکترونیک (که حوزه مورد توجه ما در سایت کهرنیک است) استفاده کرد یا نه.
انواع surge
surgeها براساس عامل ایجادکننده آنها به دستههای مختلفی تقسیم میشوند که در ادامه با آنها آشنا میشویم. توجه کنید که عامل برخی از این surgeها در مدار، از منبعی در خارج (external source) نشات میگیرد (مانند surge ناشی از صاعقه) درحالیکه عامل برخی دیگر در داخل خود مدار (internal source) میباشد (مانند surge ناشی از سوئیچینگ).
انواع surgeها؛ میزان ولتاژ هرکدام و مدت زمانی که ممکن است حضور داشته باشند.
surge ناشی از صاعقه
صاعقه بهعنوان یک پدیده طبیعی حاوی مقدار بسیار زیادی انرژی است. surgeهای ناشی از صاعقه را میتوان به surgeهای ناشی از برخورد مستقیم صاعقه و surgeهای ناشی از برخورد غیرمستقیم صاعقه (یا به عبارتی surgeهای القاشده) دستهبندی کرد.
surgeهای ناشی از برخورد مستقیم صاعقه
همانطور که از نامش پیداست، زمانی رخ میدهد که صاعقه به یک ساختمان برخورد میکند و جریانهای صاعقه از طریق دستگاههای الکترونیکی به زمین منتقل میشوند. یک صاعقه مستقیم جریانی از چند ده تا چند صد کیلوآمپر دارد که به اندازه کافی زیاد است تا تمام تجهیزات الکتریکی را در طول مسیر جریان صاعقه از بین ببرد. برای جلوگیری از تخریب تجهیزات الکتریکی، نصب یک دستگاه حفاظت در برابر صاعقه بر روی ساختمان بسیار مهم است. محافظت در برابر برخورد مستقیم صاعقه دشوار است، اما محافظت در برابر برخورد غیرمستقیم صاعقه امکانپذیر میباشد.
دو فرم از surge ناشی از برخورد صاعقه مستقیم
surgeهای ناشی از برخورد غیرمستقیم صاعقه (القاشده)
surgeهای القاشده (بر اثر برخورد غیرمستقیم صاعقه) ناشی از القای الکترومغناطیسی و القای الکترواستاتیکی هستند که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
↩ surgeهای القاشده ناشی از القای الکترومغناطیسی
در پدیده برخورد صاعقه، جریان بسیار زیادی بین ابرها و زمین جریان مییابد. هنگامی که صاعقه در نزدیکی یک سیستم الکتریکی (برای مثال کابل سیستم توزیع برق) برخورد میکند، این جریان صاعقه که بین ابر و زمین ایجاد شده، میدانهای الکترومغناطیسی بزرگی در اطراف خود ایجاد میکند که این موج الکترومغناطیسی به سرعت به کابل رسیده و باعث میشود که یک surge ولتاژ از طریق القای الکترومغناطیسی در کابل ایجاد شده و در امتداد آن حرکت کند. این یک surge القاشده ناشی از القای الکترومغناطیسی است. (تصویر زیر)
دو فرم از surge ناشی از برخورد صاعقه غیرمستقیم (القای الکترومغناطیسی)
↩ surgeهای القاشده ناشی از القای الکترواستاتیکی
باز هم بهعنوان مثال کابل سیستم توزیع برق را در نظر بگیرید. چون ابر بالای آن باردار است، بهخاطر پدیده القای الکترواستاتیکی در کابل، بارهای مخالف با ابر القا میشوند. بار الکتریکی ابر بالای کابل، بر اثر صاعقه بین ابرها (ابر به ابر) کاهش مییابد. در نتیجه، اکنون تنها کابلی داریم که روی آن بار است. حال بار باقی مانده روی کابل تلاش میکند که از طریق کابل تخلیه شود و این باعث ایجاد یک surge میگردد؛ این یک surge القاشده ناشی از القای الکترواستاتیکی است. (تصویر زیر)
نحوه ایجاد surge ناشی از برخورد صاعقه غیرمستقیم (القای الکترواستاتیکی)
surge ناشی از سوئیچینگ
یک surge سوئیچینگ، یک افزایش ناگهانی در ولتاژ یا جریان است که هنگام باز یا بسته شدن یک خط برق (مثلا با روشن یا خاموش کردن یک کلید) رخ میدهد. در ادامه به بررسی هر حالت میپردازیم.
● باز کردن مدار: در مدارهای القایی (مدارهایی که قطعاتی مانند ترانسفورماتور در آن است) باز کردن مدار یعنی جریان آن را بهشکلی سریع تغییر دادهایم. این تغییر جریان ناگهانی (بهخاطر قطع مدار) باعث ایجاد جهشی بالا در ولتاژ میشود (به این جهش opening surge نیز میگویند).
● بستن مدار: بستن (روشن کردن) یک مدار که در آن یک بار خازنی بزرگ وجود دارد یعنی ولتاژ این مدار را بهشکلی سریع تغییر دادهایم. این تغییر ولتاژ ناگهانی (بهخاطر بستن مدار) میتواند باعث جهشی بالا در جریان شود (به این جهش closing surge نیز میگویند).
surge ناشی از تخلیه الکترواستاتیکی (ESD)
تخلیه الکترواستاتیکی (ElectroStatic Discharge: ESD) تخلیه ناگهانی برق بین دو جسم با بارهای الکتریکی متفاوت است، برای مثال بار الکتریکی روی بدن انسان ذخیره میشود و سپس (مثلا بر اثر تماس) در یک جسم دیگر تخلیه میگردد که این پدیده بهعنوان یکی از انواع surgeها دستهبندی میشود. مدت زمان ESD کوتاه است، اما بهدلیل امکان تولید ولتاژ بالا قادر به ایجاد آسیب شدید به قطعات الکترونیکی حساس میباشد.
surge ناشی از Load dump
Load dump به معنای قطع برق ناگهانی یک بار (مصرفکننده) است و معمولا در الکترونیک خودرو با آن مواجه میشویم. surge ناشی از Load dump افزایش شدید و لحظهای ولتاژ (بیش از 100 ولت) است که هنگام قطع ناگهانی باتری خودرو درحالیکه موتور همچنان در حال کار است (و این یعنی دینام همچنان کار میکند) رخ میدهد و باعث میشود تنظیمکننده ولتاژ دینام، کنترل خود را از دست بدهد و یک surge خطرناک ایجاد کند که میتواند قطعات الکترونیکی حساس را از بین ببرد.
پسگفتار
این نوشتار تلاشی بود برای تبیین اینکه منظور از surge چیست (در مهندسی برق) و انواع surge کدامند. درصورتیکه اکنون با مفهوم آن آشنایی نسبیای پیدا کردهاید، قدم بعد این است که بدانیم اگر اقدامی در جهت محافظت از سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی در مقابل هرکدام از انواع این surgeها صورت نگیرد، به تجهیزات آسیب رسانده یا آنها را تخریب میکنند.
قطعات یا دستگاههایی که برای حفاظت تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی در مقابل surgeها ساخته شدهاند در حالت کلی با نام Surge Protection Device (SPD) شناخته میشوند. هرچند نامهای دیگر معروفی نیز دارند چون surge protector یا spike suppressor یا surge suppressor یا Transient Voltage Suppressor (TVS) و یا Transient Voltage Surge Suppressor (TVSS) که ما در مطلبی دیگر بهطور مفصل به معرفی انواع قطعات محافظتکننده از مدار در مقابل surge خواهیم پرداخت.
اگر در حوزه حفاظت از مدار کار کردهاید و با surgeها سروکار داشتهاید، تجربیات خود را از طریق بخش نظرات در پایین این صفحه با ما در میان بگذارید. همچنین دیدگاههای خود را در ارتباط با این مطلب نیز میتوانید بیان کنید.
ضمنا در فروشگاه اینترنتی کهرنیک، که در حوزه توزیع قطعات الکترونیکی مختلف مشغول به فعالیت است، قطعات مختلفی جهت حفاظت از مدار ارائه میشود که با مراجعه به دسته مربوطه در فروشگاه میتوانید به بررسی و انتخاب آنها برای پروژههای خود بپردازید و یا برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد هر قطعه با پشتیبانهای ما تماس حاصل نمایید.
