Overspanningsbeveiliging
Hoogspanning en bliksem getemd
Hoogspanningspulsen die onder anderen bij blikseminslagen optreden. kunnen in een elektronisch apparaat nogal wat schade aanrichten. De meeste transistoren en IC's zijn namelijk niet bestand tegen de grote stromen die bij dergelijke hose spanningen gaan lopen. Zij leggen vroegtijdig het loodje en uw apparaat kan naar de reparateur. Aangezien voorkomen beter is dan genezen. is het verstandiger om een aantal maatregelen te treffen om van dergelijke problemen verlost te zijn. Hoe dat moet. zullen we u nu uit de doeken doen.
De maand juli van dit jaar was in vele opzichten een unieke maand. Een van de meest abnormale gebeurtenissen was het aantal blikseminslagen dat geregistreerd werd. In deze maand waren er evenveel inslagen als anders in een geheel jaar.
Voor de verzekeringsmaatschappijen was dit een minder prettige aangelegenheid. want in veel gevallen draaiden zij voor de schade op. Het liefste zouden de assuradeurs willen dat we allemaal een bliksemafleiding zouden plaatsen en voldoende maatregelen zouden treffen om schade aan elektronische apparatuur te voorkomen.
Hoogspanning kortsluiten
Overspanningsbeveiligingen en bliksemafleiders hebben allemaal een ding gemeen. Zij zorgen er voor dat er bij een te hoge spanning geen grote stroom door het beveiligde objekt kan lopen. Bij een bliksemafleidingsinstallatie is dit het gemakkelijkste in te zien. Door de "sprieten" op het dak en de goede geleiders naar de aar de wordt er voorkomen dat de stroom die bij de inslag optreedt via het huis gaat lopen. De wet van Ohm leert ons immers dat de grootste stroom altijd door de kleinste weerstand gaat, hetgeen voor de bliksem betekent dat deze liever via de laag-ohmige afleidingsinstallatie naar massa afvloeit dan door het hoog-ohmige huis.
Voor het beschermen van een elektronisch apparaat gaan we in feite op dezelfde manier te werk. Bij een inslag op de antenne moet de ontladingsstroom op de een of andere manier buiten de aangesloten TV of radio naar aarde afgevoerd worden. Een dikke koperen draad die alle geleidende delen van de antenne met de aarde verbindt, zou een goede oplossing kunnen zijn.
Voor het afleiden van de bliksem werkt de draad, als hij maar dik genoeg is, uitstekend, maar voor de werking van de antenne is deze oplossing funest. De draad sluit namelijk niet alleen de bliksem kort, maar ook het signaal dat we willen ontvangen en daarvoor hadden we immers de antenne op het dak gezet. Wel is het verstandig om de mast aan het afleidingssysteem te koppelen. De ontvanger is dan echter nog niet beveiligd. Hiervoor moeten we een element opnemen dat selektief te werk gaat. Het normale antennesignaal moet ongedempt de ingang kunnen bereiken en bij een hoge spanningspiek moet de beveiliging in werking treden en de hoge ontlaad-stroom naar aarde afvoeren.
Lange kabels
Wie geen antenne op zijn dak heeft staan, zal nu misschien denken dat dit verhaal voor hem niet interessant is, want zonder antenne kan er ook geen inslag op de mast plaatsvinden. Toch zijn er heel wat gevallen bekend waarbij het ingangscircuit van een TV beschadigd werd door een inslag in de buurt. Wie namelijk geen eigen antenne heeft, zal in de meeste gevallen wel aangesloten zijn op een centrale antenne-inrichting en ook daarop kan door bliksem een te hoge spanning komen te staan. In het algemeen kunnen we stellen dat elk apparaat dat op de een of andere manier gekoppeld is aan een lange kabel gevaar loopt bij blikseminslag. Een blikseminslag kan namelijk vrij gemakkelijk overslaan naar het lichtnet, de telefoonlijnen, de kabels van de centrale antenne-inrichting, etc. Via deze lijnen kunnen ze dan vervolgens ons apparaat bereiken en dit door de hoge spanning beschadigen. Willen we dus ons apparaat beschermen tegen overspanningen, dan zullen we alle ingaande en uitgaande verbindingen moeten beveiligen.
Niet alleen donder en bliksem
Tot nu toe hebben we het alleen gehad over bliksem als oorzaak voor het optreden van te hoge spanningen op ingangen van apparaten. Helaas zijn er echter nog veel meer bronnen die voor ellende kunnen zorgen. Aangezien de meeste mensen er hiervan een aantal in huis hebben, lijkt het ons zinvol om ook deze de revue te laten passeren. Wanneer we proberen een algemeen plaatje van deze bronnen te schetsen, dan ziet dat er als volgt uit: Alle induktieve apparaten (dus dingen waarin een spoel verwerkt is of die zich als spoel gedragen) kunnen bij het in en uitschakelen zeer hoge spanningen opwekken. Voorbeelden hiervan zijn motoren, TL-verlichtingen, relais, etc. Hoe dat precies komt, laten we even in het midden want dat zou te ver voeren. Wat nu van belang is, is het feit dat deze apparaten hoge spanningen kunnen opwekken en dat die bijvoorbeeld via het lichtnet onze elektronische schakelingen kunnen bereiken of op een andere manier overgedragen worden op lange kabels van bijvoorbeeld de luidsprekers en zo onze versterker kunnen binnenkomen.
De eenvoudige oplossing
Om schade aan uw elektronische apparatuur door onder andere bliksem te voorkomen, is er een adekwate oplossing die niets kost en altijd goed werkt. Wannee- u namelijk bij onweer alle stekers uit uw toestel haalt (dus antennesteker loshalen en netsteker uit de wandkontaktdoos trekken), dan bent u nagenoeg volledig verzekerd dat er niets kan gebeuren. Er blijft dan nos een zeer kleine kans over dat er toch iets mis gaat doordat er overslag optreedt en uw toestel net midden in de ontladingsweg staat. De steker-loshaal-methode is niet alleen de oudste maar ook de beste. Zelfs de beheerder van ons kabelnet raadde deze manier aan, in plaats van naar de winkel te stappen en daar allerlei dure kant-en-klare beveiligingsschakelingen aan te schaffen.
Hoewel de "steker-uithaalmethode" zeer perfekt werkt, kleven er wel een aantal nadelen aan. Het meest vervelende is wel dat we tijdens onweer de radio of de TV niet meer kunnen gebruiken. Daarnaast zouden we eigenlijk na elk gebruik alle stekers moeten verwijderen. Het kan best eens gaan onweren als we niet thuis zijn of liggen te slapen.
Een goede elektronische oplossing, ook al geeft die geen 100 % garantie, is te verkiezen boven de omslachtige methode van het stekers uithalen.
Varistors en dergelijke
Al jaren bestaan er onderdelen die speciaal bedoeld zijn voor het onderdrukken van spanningspulsen. De met edelgas gevulde over-spanningsbeveiliging die u in de kopfoto aantreft is er een die al zeer oud is. Dergelijke beveiligingen werden gebruikt in de tijd dat er alleen nog maar radio-uitzendingen op de middengolf werden verzorgd. Men nam deze units op tussen de antenne en de aarde, zodat er bij een te hoge spanning op de antenne een soort vonk-overslag optrad. Bij een paar honderd volt gaat het edelgas geleiden en zorgt zo voor afvoer van de stroom. Wordt de spanning nog hoger, dan ontstaat er een echte vlamboog waarlangs een zeer grote hoeveelheid energie afgevoerd kan worden.
Dergelijke beveiligingen worden heden ten dage nog steeds gebruikt. In figuur 1 treft u een moderne uitvoering aan die voor montage op een print bedoeld is. Helaas hebben deze komponenten nogal wat nadelen. Wanneer ze bijvoorbeeld in een gelijkspanningscircuit gebruikt worden, dan zal er een tweede element aan te pas moeten komen om de stroom uiteindelijk te onderbreken. Een vlamboog ioniseert het gas namelijk zo sterk dat er over de beveiliging nog maar een volt of tien komt te staan. Blijft deze spanning aanwezig (iets dat bij gelijkspanning heel normaal is), dan blijft de vlamboog in stand en zal er een zeer grote stroom in stand gehouden worden. Daarnaast blijft misschien wel het belangrijkste nadeel de vrij hoge spanning waarbij het element pas in werking komt. Voor onze huidige elektronica is 100 V vaak al veel te hoog.
Fig. 1. Gasgevulde over-spanningsbeveiligingen bestaan uit een glazen buisje dat links en rechts afgesloten is door een speciaal gevormd metalen plaatje. In het buisje zit een edelgas waardoor het onderdeel qua eigenschappen veel lijkt op een neonlampje.
Aan de andere kant hebben de gasgevulde elementen ook zo hun voordelen. Zo is de kapaciteit van het element behoorlijk laag. Hierdoor kunnen we ze bij veel hoogfrekwentschakelingen zonder meer toepassen. Veel moderner zijn de zogenaamde transils (figuur 2). Dit zijn komponenten die we kunnen vergelijken met een zenerdiode, alleen zijn deze veel sneller en zeneren zij twee kanten op (een zener is namelijk in doorlaat-richting een normale diode en uitsluitend in sperrichting krijgen we met het zenereffekt te maken).
Fig. 2. De transit is een soort zenerdiode, maar dan een die in twee richtingen het zenereffekt vertoont. De "clamping time" bedraagt ca. 5 ns.
Het meest gebruikte element is echter de varistor of ook wel spannings-afhankelijke weerstand genoemd (zie figuur 3). Dit zijn elementen die normaal een vrij hoge weerstand hebben en alleen als de spanning over het onderdeel een bepaalde grenswaarde overschrijdt, neemt de weerstand drastisch af.
Fig. 3. Varistors zijn er in heel wat soorten en maten. De exemplaren op de foto zijn respektievelijk (van links naar rechts) een 17-V varistor, een 14-V-type, een exemplaar voor maximaal 20 V en twee voor 250 V. De getallen boven de spanningaanduiding geven weer hoeveel energie de varistor kan verwerken.
Dat ze zo veelvuldig gebruikt worden, ligt misschien aan het feit dat ze goedkoop zijn, in een groot aantal spanningswaarden te verkrijgen zijn en voor zowel gelijk- als wisselspanningcircuit toegepast kunnen worden. Voor HF-schakelingen zijn ze echter minder geschikt. Hun eigen kapaciteit is nogal hoog, waardoor ze een grote belasting voor de te beveiligen schakeling kunnen vormen en er bovendien vaak misaanpassing optreedt. Bij gebruik in een antenne-leiding van bijvoorbeeld een TV gaat er dan duidelijk minder signaal naar het toestel.
De praktijk
Wanneer we de netspanningsinvoer van een apparaat willen beveiligen, dan zijn varistors de betrouwbaarste komponenten. In figuur 4 ziet u een voorbeeld hoe een beveiligingsschakeling gemaakt kan worden voor overspanning op het lichtnet. Voor de varistors zijn zekeringen geplaatst, zodat alleen het apparaat achter de schakeling beveiligd is en niet het totale lichtnet bij u thuis. Zou men de zekeringen weglaten, dan bestaat er de kans dat een van de groepszekeringen doorsmelt bij een overspanning.
Fig. 4. Een simpele schakeling waarmee spanningspieken van de netspanning weggefilterd kunnen worden.
De schakeling kan het beste in een kunststoffen kastje met aangegoten steker en ingebouwde kontaktdoos worden ondergebracht, zoals dat in figuur 5 te zien is. Denk er wel om dat de spanningvoerende blanke draden minstens 3 mm van elkaar moeten blijven (zie ook pag. 5).
Fig. 5. De schakeling uit figuur 4 kan het beste in een kunststoffen kastje met aangegoten netsteker en kontaktdoos gebouwd worden.
Wilt u de in- en uitgangen van uw versterker beveiligen, dan is het zinvol om over alle aansluitingen varistors op te nemen. Let hierbij wel op de waarde die u kiest. Voor de ingangen is een S05K11 van Siemens een uitstekende varistor, terwijl voor de uitgangen een 275-V-type (S10K275) wel zal voldoen.
Gaan we naar de antenne-ingang, dan zullen we iets anders moeten gebruiken. Een varistor heeft zoals gezegd een veel te hoge eigen kapaciteit. Er moet dus nog iets verzonnen worden om de varistor wel te kunnen gebruiken, of er zal een van de andere beveiligingskomponenten gebruikt moeten worden.
Uit pure nieuwsgierigheid zijn we eens gaan kijken hoe een kommercieel beveiligingsapparaat opgebouwd is. In figuur 6 treft u een schema aan van een dergelijke schakeling. Hier heeft men in serie met een varistor een spoel opgenomen die de kapaciteit van de varistor moet kompenseren. Jammergenoeg werkt door de spoel de beveiliging alleen voor zeer traag opkomende en afvallende spanningspulsen. Bij zeer snelle verschijnselen ontstaat er namelijk over de spoel ook nog een niet geringe spanning waardoor de beveiligende werking teniet gedaan wordt.
Fig. 6. Het inwendige van een kommerciële beveiliging. Door de spoel werkt de scha keling alleen goed voor niet c te snelle spanningspulsen.
Helaas is het gebruik van een spoel de enige manier om de kapaciteit van een varistor te kompenseren, zodat we dus wel de transil of de gasgevulde beveiliging moeten gebruiken. In figuur 7 valt te zien hoe een trans-il toegepast moet worden. Hoe u uiteindelijk dit komponent in de antenneleiding op moet nemen, toont figuur 8. Hou hierbij de aan-sluitdraden zo kort mogelijk, omdat een stuk draad al de nodige zelfinduktie heeft en daardoor de beveiligende werking kan beïnvloeden. Zorg wel dat er bij het gebruik van de schakeling uit figuur 7 een deugdelijke aarding van de buitenmantel van de koaxkabel aanwezig is. Is dit namelijk niet het geval, dan heeft de transil geen enkele funktie en kan de te hoge spanning toch nog uw TV of radio beschadigen. Bij kabelnetten heeft de installateur deze taak al voor u overgenomen. Hierbij is het zelfs niet toegestaan om nogmaals de buitenmantel van de koax te aarden.
Fig. 7. Voor HF-schakelingen moet een transil gebruikt worden omdat een varistor een te hoge kapaciteit heeft.
De in figuur 7 gebruikte 1.5KE16CA is een transil die al in werking komt bij spanningen hoger dan 16 V en kan in 1 ms 1500 W verwerken. Dit lijkt heel wat, maar bij een blikseminslag wordt de waarde van 1500 W al vrij snel overschreden. Voor dergelijke gevallen is een kombinatie van een transil en een gas-gevulde beveiliging veel beter. Een voorbeeld daarvan ziet u in figuur 9. Bij deze schakeling vangt de gasgevulde beveiliging de grote klappen op en dat wat er dan nog overblijft zal na vertraging in het stukje koax van 5 cm door de transil weggewerkt worden. Ondanks dat de transils en de gasgevulde beveiligingen slechts een geringe kapaciteit hebben, zult u merken dat de beveiligingsschakelingen best wel wat invloed hebben op de ontvangstkwaliteit. Vooral bij zwakkere TV-zenders zult u zien dat de sneeuw in het beeld toeneemt en er schaduwbeelden kunnen ontstaan door de misaanpassing. Dit is echter een feit waar u mee moet leren leven. Het enige dat u zou kunnen doen is het toevoegen van een extra versterker, maar of dat echt helpt, is nog maar de vraag. Zij die zijn aangesloten op de kabel zullen van dit probleem veel minder last hebben, omdat het merendeel van de zenders zo sterk is dat een gering signaalverlies niet of nagenoeg niet opvalt.
Fig. 8. Op de foto is duidelijk te zien hoe de transit in een haakse antennesteker gemonteerd moet worden.
Fig. 9. Voor nog meer zekerheid voegen we aan de transit nog een gasgevulde overspanningsbeveiliging toe. Deze vangt dan de grote klappen op.
Fig. 10. Zo zou u de schakeling uit figuur 9 kunnen opbouwen.
Blijf verzekeren
Alle tot nu toe besproken overspanningsbeveiligingen geven slechts tot een bepaalde hoogte de garantie dat uw apparatuur niet beschadigd wordt. Het is niet echt moeilijk om in te zien dat bij een rechtstreekse blikseminslag zelfs de beveiligingsschakelingen gevaar lopen.
Waar precies de grens ligt waarbinnen de beveiligingen nog goed werken, hebben we niet goed kunnen vaststellen. Wij hadden geen zin om tijdens een onweer een vlieger op te laten, zoals Benjamin Franklin dat in 1752 deed. Ons lab is daar niet helemaal op ingericht en wij zijn net iets te zuinig op onze medewerkers.
Wel kunnen we u garanderen dat u in ieder geval uw apparatuur meer bescherming geeft door toepassing van de diverse beveiligingsschakelingen. Zonder deze kan elk spanningspuisje gevaarlijk zijn, terwijl dat met de beveiligingen afgenomen is tot enkele pulsen die een noodlottig einde van uw spullen kunnen betekenen. Wat in elk geval wel belangrijk is, is dat u uw verzekering op peil blijft houden. Dit is immers de enige goede bescherming tegen de materiële schade die optreedt. Als er dan toch iets gebeurt, bent u in ieder geval in staat om uw spullen te laten repareren of om geheel nieuwe exemplaren aan te schaffen.