נחשולי מתח

נחשול מתח הוא תופעה אלקטרו-מגנטית קצרת מועד במהלכה מתרחש זינוק פתאומי וחריג ברמת המתח של החשמל הזורם במערכת מתח נמוך. הצורה המוכרת ביותר של נחשולי מתח היא אירועי פגיעת ברק, כאשר מטען חשמלי עודף שעשוי להגיע לעוצמה של 10,000 אמפר נע לאורכה של רשת החשמל עד שהוא מגיע לידי פריקה. נחשולי מתח עשויים להיווצר גם בדרכים יומיומיות יותר ומשום כך הם מהווים בעיה משמעותית בעולם האלקטרוני.

לקטלוג מגיני ברקים ונחשולי מתח באתר >

סוגים שונים של נחשולי מתח

נחשולי המתח מקוטלגים למספר קטגוריות, כאשר אופי הנחשול מושפע מהגורם שיצר אותו ומטיב המערכת שהוא מכה בה:

• נחשול אטמוספרי (LEMP) – נחשול הנגרם מברקים, שהם תוצר של פריקת מתח חשמלי בין עננים טעונים לבין עצמם או בינם לבין הקרקע. מקורם בתאי סערה המצויים בגובה קילומטרים ספורים מעל פני הקרקע, כאשר הברק הוא תוצאה של המטענים הקוטביים של קריסטלי הקרח בחלקו העליון של תא הסערה ושל טיפות המים שבחלקו התחתון.
• נחשול גרעיני (NEMP) – נחשול הנגרם מפיצוץ גרעיני, במסגרתו משתחררת קרינת גמא המנתקת אלקטרונים ממולקולות באוויר. האלקטרונים המואצים יוצרים שדה מגנטי רב-עוצמה הגורם לנחשול מתח, ובכך מייצרים נזק תשתיתי נוסף על הכוח ההרסני של הפיצוץ הגרעיני עצמו.
• מיתוג במערכת חשמל (SEMP) – אינספור נחשולים נגרמים מהפעלת רכיבי מיתוג המשפיעים על זרימת החשמל. הם עשויים להיגרם ממיתוג מכוון, כדוגמת לחיצה רצונית על מתג לצורך הפעלת מוצר חשמלי, וכן ממיתוג כושל, כמו פעילות של מפסק אוטומטי. נחשולים אלו אמנם קצרים ביותר, אך הם עדיין בעלי פוטנציאל נזק.
• פריקה אלקטרוסטטית (ESD) – נחשול הנגרם מפרץ פתאומי של מתח בין רכיבים בעלי פוטנציאל מתח שונה, בפרט בשעת חיכוך בין שני מבודדים. הדבר עשוי להיגרם ממגע מכני בין שני רכיבים שלא אמורים לגעת זה בזה ואפילו כתוצאה ממגע שגוי של יד אדם.

מה הן ההשלכות של פגיעת נחשול מתח?

לא ניתן להקל ראש בנחשול מתח העושה את דרכו אל מערכת חשמלית. הפרץ האלקטרו-מגנטי עשוי להביא לשיבוש אספקת החשמל הסדירה, להשבתה מוחלטת זמנית או קבועה של המערכת, לבלאי מוקדם של הרכיבים האלקטרוניים ואף לעומס יתר תרמי המוביל לשריפת מעגלים חשמליים. פגיעה של נחשול מתח עלולה להסב נזק בלתי הפיך למערכות חשמליות ואף להוות סכנה ממשית לחיי אדם הנמצא בסביבה בעת הפגיעה.

נחשולי מתח נושאים פוטנציאל נזק משמעותי עבור מערכות אלקטרוניות מכל התחומים: בעולם התעשייה, בתפקודן של מכונות ייצור ומערכות בקרה. בענף המסחר, בתפעול מעליות ומערכות אינפורמציה. בסביבה הביתית, בהפעלת מוצרי צריכה חשמליים נפוצים כמו טלוויזיה ומחשב. מובנת מאליה הסכנה שבפגיעת נחשול מתח במכשור רפואי של בתי חולים ובטכנולוגיות ביטחוניות של גופים צבאיים.

למעשה, התקן האירופאי הרשמי מחייב בכל מקום את הבטחת שלומם של בני אדם, בעלי חיים וציוד מפני נחשולי מתח. ההגנה מהנחשולים הכרחית כמעט בכל מקום, בעקבות שילוב הולך וגובר של מערכות משוכללות שיש להן רגישות גבוהה לשינויים חדים בזרם החשמל ובפרט לאור השימוש הנרחב במיקרו-מעבדים במוצרים טכנולוגיים רבים. חשוב לדעת כי מתח יתר עשוי להסב נזקים ולהוות סכנה גם אם אינו גבוה במיוחד, כל עוד הוא גבוה מהמתח המקסימלי שהמערכת מסוגלת לעמוד בו.

סוגי צימוד של נחשולי מתח

נחשול מתח עשוי לעשות את דרכו לתוך מערכת חשמלית באמצעות מספר דרכי צימוד אפשריות:

• צימוד גלווני (Galvanic Coupling) – פגיעה ישירה של נחשול, בדרך כלל בדמות מכת ברק, בחומר מוליך המחובר למבנה בו מצויה המערכת החשמלית. עוצמתו מושפעת מעליית הפוטנציאל החשמלי של הקרקע.
• צימוד קיבולי (Capacitive Coupling) – מעבר דרך קיבוליות טפילית המתקיימת בין הגורם המפריע למערכת החשמלית. עוצמתו מושפעת מקצב העלייה העליון של הפולס החשמלי.
• צימוד אינדוקטיבי (Inductive Coupling) – מעבר דרך שדה מגנטי המתקיים בין הגורם המפריע למערכת החשמלית. עוצמתו אף היא מושפעת מקצב העלייה העליון של הפולס החשמלי המחולל את השדה המגנטי.

כיצד ניתן להתגונן מפני נחשולי מתח?

על מנת להתמודד עם התפרצויות מתח עודף – הן מגורמים טבעיים והן מגורמים מעשה ידי אדם – נוצרו מתקני הגנה מפני נחשולי מתח, המוכרים בראשי התיבות SPD (Surge Protection Devices), המשמשים לצמצום או הסטה של נחשולי מתח חולפים במטרה להגן על המערכות החשמליות בהן הם מותקנים.

השיטה המוכרת ביותר להצבת קו הגנה שכזה היא התקנת מגיני מתח בתוך שקעי חשמל סטנדרטיים וחיבורם למנגנון הארקה. כאשר המתקן – הממוקם בצומת בין קווי המתח לקו ההארקה – מזהה זינוק ברמת המתח של זרם החשמל, הוא מנתב את המתח העודף אל חוט ההארקה, המוביל אותו לעבר הקרקע ופורק אותו במקום בטוח. מנגנון ההארקה עצמו מתבסס על שימוש במוליך חשמלי בעל התנגדות מינימלית, שהמתח החשמלי העודף מנותב אליו באופן טבעי מאחר והוא הנתיב הקצר ביותר ובעל ההתנגדות הנמוכה ביותר.

איך פועלים מגיני מתח?

פעולתם של מתקני הגנה מפני נחשולי מתח מתאפשרת באמצעות שילובו של רכיב לא ליניארי אחד לפחות. המדובר הוא בהרכבת ממיר מתח בעל חומר מוליך חשמלי למחצה המשובץ בצומת במערכת החשמל. תכונות ההולכה הייחודיות של החומר גורמות לכך שבשעת זינוק ברמת המתח ההתנגדות שלו פוחתת והוא מנתב את המתח העודף הרחק מהמערכת החשמלית הרגישה, בעוד בשעת ירידה ברמת המתח ההתנגדות שלו גוברת והוא מאפשר לזרם החשמלי להמשיך בדרכו אל המערכת החשמלית.

תהליך התמורה ברמת ההתנגדות מתרחש במהירות הבזק, בתוך ננו-שניות בלבד. מובן כי במצב שגרה וברמת מתח סטנדרטית המתקן לא מתערב במערכת ואינו מפריע לזרימת החשמל השוטפת. השימוש בהתקן מסוג זה מספק רמה גבוהה של שמירה על חיי אדם ועל ציוד טכנולוגי יקר, מפחית את הבלאי הנגרם למכשור אלקטרוני ומבטיח פעילות חשמלית רציפה ונטולת הפרעות.

עם זאת, גם למגיני המתח עצמם ישנה תוחלת חיים מוגבלת, הנובעת מאירועי מתח יתר חוזרים ונשנים או מזינוק גבוה במיוחד ברמת המתח של הזרם החשמלי. במקרה של בלאי בדרגות שונות, המתקנים עשויים להיות פחות יעילים בביצוע תפקידם, להיות מופעלים בטרם עת וללא צורך ואפילו להיות מושבתים לחלוטין. כדי למנוע זאת, מקובל להתקין כמה וכמה רכיבים הגנתיים, כדי שגם במידה וחלקם ניזוקו, האחרים ימשיכו לתפקד באופן סדיר.

אלו רכיבים משמשים במתקני הגנה מפני נחשולי מתח?

כאמור, מתקני ההגנה מוכרחים להכיל רכיב לא ליניארי שיאפשר להם להסיט את הזרם החשמלי רק בשעת זינוק ברמת המתח ולא בזמן שגרה. לשם כך, מתקנים שונים עושים שימוש ברכיבים מסוגים שונים:

• הרכיב הפופולרי ביותר הוא וריסטור תחמוצת מתכת, הידוע בראשי התיבות MOV (Metal Oxide Varistor), המורכב מגוף של תחמוצת אבץ בצורות שונות, ממלבנים ועד דיסקים דרך התקנים ציריים והתקני ברגים. בתוך ההתקן ישנן שתי אלקטרודות העשויות חלקיקי מתכת מתערובות שונות. הרכיב מתפקד כמוליך למחצה שפעולתו מתחילה מסף מתח מסוים המופעל על האלקטרודות שלו.
• רכיב אחר הוא דיודת דיכוי מתח חולף, המוכר בשמו הלועזי TVS (Transient Voltage Suppressor), הכולל שני הדקים שמאפשרים מעבר זרם חשמלי מההדק החיובי המכונה אנודה להדק השלילי המכונה קתודה. גם פעולתו של רכיב זה מבוססת על מוליך למחצה עשוי סיליקון, שההתנגדות שלו פוחתת בשעת זינוק ברמת המתח וגוברת עם החזרה לרמת מתח סטנדרטית.
• רכיב נוסף הוא צינור פריקת גז, המוכר בראשי התיבות GDT (Gas Discharge Tube), הבנוי כצינור זכוכית שבקצותיו שתי אלקטרודות מתכת וביניהן תערובת גז. בזמן עלייה ברמת המתח החשמלי, הגז עובר תהליך יינון והופך לפלזמת גז בעלת יכולת הולכה גבוהה המאפשרת ניתוב של המתח החשמלי העודף הרחק מהמערכת החשמלית.