Дешевые варисторы или дорогие TVS­-диоды?

Введение

Для защиты электронной аппаратуры от импульсных перенапряжений нашли широкое применение различные виды элементов с нелинейной вольт­амперной характеристикой, уменьшающие свое сопротивление под действием приложенного импульса напряжения. Наибольшее распространение получили три вида подобных элементов: газовые разрядники, варисторы и так называемые супрессоры (Transient Voltage Suppressor — TVS), выполненные на основе лавинных диодов и поэтому часто называемые «TVS­-диоды». Газовые разрядники имеют относительно большое время реакции на приложенный импульс напряжения, и, кроме того, их напряжение пробоя очень сильно увеличивается с повышением скорости нарастания переднего фронта импульса. Поэтому они применяются очень ограниченно. Значительно чаще используются оксидно­цинковые варисторы и TVS­-диоды, свободные от этих недостатков газовых разрядников. Преимущество варисторов и TVS-­диодов становится особенно актуальным при необходимости обеспечения защиты от мощных импульсов перенапряжения наносекундного диапазона. Такой импульс возникает на входах и выходах электронной аппаратуры под воздействием высотного ядерного взрыва. Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) с параметрами 2/25 нс создает у поверхности земли напряженность электрического поля, доходящую до 50 кВ/м, а многочисленные кабели, подключенные к электронной аппаратуре промышленного назначения, абсорбируют электромагнитную энергию с большой площади и доставляют ее прямо на входы чувствительной электронной аппаратуры. Амплитуда импульса, возникающего на входах этой аппаратуры, значительно превышает амплитуду обычных коммутационных и атмосферных перенапряжений, защита от которых предусмотрена в аппаратуре. Вот почему для обеспечения надежной защиты от ЭМИ ЯВ требуются дополнительные внешние средства защиты, которыми могут быть варисторы и TVS­-диоды.

Однако мощные TVS­-диоды не дешевые элементы. Их стоимость доходит до $100–150 и более за штуку, тогда как варисторы той же мощности примерно в 80–100 раз дешевле. Когда речь идет о включении дополнительных защитных элементов параллельно каждому входу и выходу электронной аппаратуры с десятками входов и выходов, например такой, как микропроцессорные реле защиты в электроэнергетике, становится понятной актуальность вопроса, вынесенного в заголовок статьи. Если дешевые варисторы справляются с проблемой не хуже, чем значительно более дорогие TVS­-диоды, понятно, что преимущество должно быть отдано именно им. Вопрос лишь в том, а действительно ли они справляются с проблемой не хуже, чем TVS­-диоды?

Варисторы против TVS-­диодов

Если попробовать проанализировать публикации в технической литературе, содержащие сравнительную оценку способности варисторов и TVS-­диодов защищать от коротких импульсных перенапряжений наносекундного диапазона, то ничего утешительного мы из анализа этих публикаций не получим, поскольку они содержат прямо противоположные выводы. Например, в [1] TVS­-диоды отнесены к быстродействующим защитным элементам, а варисторы — к медленнодействующим. В [2] TVS­-диоды
отнесены к быстродействующим элементам, а варисторы к «умеренно быстрым». В [4] приведены вообще фантастические данные о быстродействии TVS-­диодов: 0,01 нс, при этом отмечается, что варисторы срабатывают примерно в 50–100 раз медленнее. В [5] утверждается, что TVS­-диоды имеют значительно более высокое быстродействие, в то время как в статье [6] на основе результатов экспериментальных исследований серийных образцов варисторов и TVS-­диодов утверждается прямо противоположное. Из неопубликованных в открытой печати отчетов известно об экспериментальных исследованиях пригодности варисторов для защиты от ЭМИ ЯВ и о полученных положительных результатах этих исследований, вопреки многочисленным утверждениям о недостаточном быстродействии варисторов.

В связи с существующей неопределенностью и отсутствием однозначно подтвержденных данных автором были проведены самостоятельные исследования.

Испытания мощных защитных элементов в условиях, приближенных к реальным

В реальных условиях эксплуатации промышленного электронного оборудования, расположенного в металлических шкафах, к входам и выходам которого подключены длинные кабели, параметры цепей, подвергающиеся воздействию ЭМИ ЯВ, будут совершенно не такими, как в стерильных лабораторных условиях.

В связи с чем нами были проведены собственные исследования на макете, конструкция которого хоть как­то отражает реальные условия (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид макета с установленными испытуемыми элементами и схема испытаний

В процессе испытаний на макете менялся испытуемый защитный элемент (варистор MOV и супрессор TVS), длина соединительного проводника (0,1 и 1 м). Исследовался варистор типа B72220S0600K101 с номинальным напряжением 60 В (85 В на постоянном токе), остаточным напряжением 165 В, емкостью 3600 пФ, а также эквивалентный ему по мощности диодный супрессор типа PTVS10­076­TH с напряжением срабатывания 85–95 В, остаточным напряжением 140 В и емкостью 5600 пФ.

В макете использовались широко применяемые в шкафах с аппаратурой клеммные колодки, монтажный провод, печатная плата, соответствующая по размерам реальной конструкции, на которой будут установлены в шкафу защитные элементы (варисторы или TVS­-диоды). Совершенно очевидно, что при такой конструкции макета его высокочастотные параметры (емкость, индуктивность, волновое сопротивление) очень далеки от совершенных и от согласованных с выходом генератора импульсов и входом осциллографа.

В связи с этим оказалась практически невозможной одновременная запись на импульсном осциллографе сигнала, подаваемого с генератора, и сигнала, остающегося на защитном элементе, таким образом, чтобы оба сигнала позволяли оценить свойства защитных элементов и сравнить их между собой, как планировалось заранее. Поэтому в процессе испытания сначала записывался калибровочный импульс с выпаянным из печатной платы защитным элементом. Потом защитный элемент возвращался на место и повторно проводилась запись сигнала без внесения каких бы то ни было изменений в схему или переключений в ней. Полученные осциллограммы показаны на рис. 2.

Рис. 2. Осциллограммы, полученные при испытании двух типов защитных элементов:
TVS-­диода (TVS) и варистора (MOV) на макете с короткими проводниками (длиной 0,1 м);
RT — rise time (время нарастания переднего фронта импульса)

Калибровочный импульс, подаваемый на макет без защитного элемента, сохранял высокую скорость нарастания (rise time — RT) в диапазоне единиц наносекунд, хотя длительность импульса увеличилась до сотни наносекунд. Оба испытуемых защитных элемента срезали амплитуду входного импульса до уровня, примерно соответствующего их напряжению срабатывания. Причем скорость нарастания амплитуды импульса на этих элементах претерпела существенные изменения и уменьшилась примерно в пять раз, что можно, по-видимому, объяснить влиянием емкости самих защитных элементов.

На рис. 3 показаны результаты испытаний защитных элементов с длинным проводом на входе. Как можно видеть из представленных осциллограмм, скорость нарастания калибровочного импульса не изменилась, но скорость нарастания импульса на защитных элементах еще более уменьшилась по сравнению с коротким проводом. Как и прежде, оба защитных элемента успевают сработать и ограничить амплитуду входного импульса. Уровень ограничения напряжения несколько возрос по сравнению с предыдущим экспериментом, что связано с увеличением амплитуды напряжения входного импульса и, соответственно, тока, протекающего через защитные элементы после их срабатывания.

Рис. 3. Осциллограммы испытаний двух типов защитных элементов:
супрессора (TVS) и варистора (MOV) на макете с длинными проводниками (длиной 1 м);
RT — rise time (время нарастания импульса)

И наконец, последним тестировался варистор с длинным проводом (рис. 4). Испытания проводились с увеличенной до 2 кВ амплитудой тестового импульса. Из полученной осциллограммы можно заметить, что остаточное напряжение на варисторе значительно ниже амплитуды приложенного импульса (2 кВ), это означает, что варистор успешно сработал и срезал данный импульс. Однако нельзя не заметить, что амплитуда остаточного напряжения на варисторе впервые в эксперименте превысила, причем существенно, нормируемое в справочных данных значение (165 В).

Рис. 4. Осциллограммы работы варистора при воздействии испытательного импульса с амплитудой 2 кВ.
FWHM (Full Width at Half Maximum) — ширина импульса на половине амплитуды

Что это означает? Для ответа на поставленный вопрос нужно разобраться в том, что такое остаточное напряжение (clamping voltage) на импульсном защитном элементе, нормируемое производителем для каждого типа элемента. По логике, это должно быть напряжение, оставшееся на защитном элементе после его срабатывания, то есть то напряжение, которое будет прикладываться к защищаемому этим элементом оборудованию. Именно так и есть. Но тогда как объяснить существенное увеличение этого самого clamping voltage в нашем эксперименте относительно значения, записанного в паспортных данных варистора? Оказывается, поскольку характеристики варисторов весьма далеки от идеальных, производители пошли на маленькую хитрость и приводят в справочных данных значения clamping voltage для тока, гораздо меньшего (1% и ниже), чем тот, на который рассчитан варистор (табл. 1). А поскольку падение напряжения на защитном элементе зависит от тока, протекающего по нему, то совершенно очевидно, что для малых значений тока и clamping voltage будет небольшим. В описанном выше эксперименте импульс тока, протекающий через варистор при подаче на него напряжения 2 кВ, превысил то значение тока, при котором производитель измерял clamping voltage, и поэтому реальное остаточное напряжение на варисторе оказалось больше нормируемого. Но ведь из этого следует, что в реальных условиях эксплуатации при заранее не известной амплитуде тока, который будет протекать через варистор после его срабатывания, невозможно предварительно узнать, какое напряжение останется на нем, то есть на защищаемом оборудовании! При импульсных токах в несколько килоампер, на которые рассчитаны мощные варисторы, остаточное напряжение на них может достигать нескольких киловольт! А в случае воздействия мощного ЭМИ ЯВ эффективность защиты, построенной на основе варисторов, оказывается вообще непредсказуемой, причем вне всякой связи с их быстродействием. Но в случае с TVS-диодами такой проблемы не существует, поскольку, за редким исключением специальных типов диодов, производители указывают в паспортных данных значение остаточного напряжения при протекании через них максимального импульсного тока, на который они рассчитаны (табл. 1).

И даже использование группы из параллельно включенных варисторов (рис. 5) не спасает дело [7].

Рис. 5. Вольт­амперные характеристики низковольтных защитных элементов: TVS–­диода и варистора (MOV), а также группы из шести параллельно включенных варисторов (6×MOV)

Из чего следует однозначное преимущество TVS-­диодов, но их стоимость…

А что, если попытаться ограничить ток, протекающий через варистор при его срабатывании? И тем самым уменьшить падение напряжения на нем? При этом техническое решение должно быть не чисто теоретическим, а практически приемлемым для реализации в шкафах с электронной аппаратурой и перекрывать весь частотный диапазон ЭМИ ЯВ.

Такое решение было найдено в виде разборных ферритовых фильтров [8] в пластмассовой арматуре с защелкой, свободно устанавливаемых на многожильных контрольных кабелях, заходящих в шкафы с аппаратурой, без их разрезания (рис. 6).

Рис. 6. Установка ферритовых элементов (ФЭ) в шкафу с электронной аппаратурой: до установки (слева); после установки (справа)

Возникла необходимость в исследовании эффективности ограничения тока подобными фильтрами.

Такое исследование эффективности фильтров на основе ферритовых элементов (ФЭ) некоторых типов для диапазона частот 300 кГц … 100 МГц было выполнено автором с помощью векторного анализатора цепей типа Planar TR1300/1, подключенного к компьютеру (рис. 7).

Рис. 7. Эффективность фильтров на основе высокочастотных ФЭ

В качестве ФЭ использовались разборные ферритовые кольца в пластмассовой арматуре с защелками типа Star-Tec Snap 74271222 немецкой компании Wurth Elektronik, предназначенные для монтажа на многожильном контрольном кабеле с внешним диаметром до 12 мм. Эти ФЭ нормируются производителем для диапазона частот 1 МГц … 1 ГГц и имеют стоимость около $6.

Исследование показало, что одиночного ФЭ явно недостаточно для сколько-нибудь эффективного подавления помехи и лишь три однотипных ФЭ, установленных последовательно на кабеле, вносят заметное затухание на уровне около 10 дБ (ослабление помехового сигнала в три раза по току и в 10 раз по мощности) в диапазоне частот 10–100 МГц. Однако, как видно из полученных зависимостей, для эффективного подавления помехи в диапазоне более низких частот применения лишь этих ФЭ явно недостаточно. Поэтому для повышения общей эффективности фильтра было бы вполне логичным дополнить его ФЭ, специально предназначенными для работы в именно диапазоне низких частот. Обычно нижняя граница частотного диапазона таких ФЭ нормируется производителями в пределах 150–300 кГц, а верхняя — около 30–100 МГц. Но, несмотря на множество различных характеристик ФЭ, приводимых производителями в каталогах, остается неизвестной способность этих ФЭ подавлять помеху в определенном частотном диапазоне, что и потребовало проведения собственных измерений.

Результаты измерений степени затухания, вносимого низкочастотными ФЭ, выполненных по описанной выше методике, представлены на рис. 8.

Рис. 8. Эффективность фильтров на основе одного, двух и трех низкочастотных ФЭ

В качестве низкочастотных ФЭ были испытаны разборные ферритовые кольца в пластмассовой арматуре с защелками типа 0475164181 из материала типа 75 компании Fair-Rate, предназначенные для монтажа на многожильном контрольном кабеле с внешним диаметром до 12 мм. Эти ФЭ нормируются производителем для диапазона частот 200 кГц … 30 МГц и имеют стоимость около $10.

Для наглядности на рис. 9 представлена результирующая характеристика трех последовательно установленных на кабеле низкочастотных ФЭ вблизи нижней границы частотного диапазона.

Рис. 9. Результирующая характеристика трех последовательно установленных на кабеле низкочастотных ФЭ типа 0475164181 вблизи нижней границы частотного диапазона (до 10 МГц)

Как видно на рис. 9, наибольшее затухание низкочастотные ФЭ вносят именно в том диапазоне частот, в котором высоко­частотные ФЭ оказываются неэффективными, что на первый взгляд подтверждает сделанный ранее вывод о целесообразности совместного использования на одном защищаемом кабеле и высокочастотных, и низкочастотных ФЭ. Полученная при испытании характеристика для полного набора из последовательно установленных на кабеле шести ФЭ показана на рис. 10.

Рис. 10. Эффективность фильтра на основе комбинации из трех высокочастотных и трех низкочастотных ФЭ

После получения образцов ФЭ типа M93RS260130295 китайской компании Emicore Corporation, рекламируемых компанией как элементы из нового материала (М93), специально разработанного для среднего диапазона частот, сравнительные испытания были продолжены уже и с этими образцами (рис. 11).

Рис. 11. Затухание в диапазоне частот до 10 МГц, вносимое комплектами из трех штук ФЭ различных типов

Как видно из полученных частотных характеристик (рис. 11), новые образцы компании Emicore Corporation обладают не самыми лучшими параметрами в области низких частот, однако прослеживается тенденция увеличения вносимого затухания этими образцами при увеличении частоты свыше 10 МГц, в то время как у образцов других типов заметно снижение затухания.

По аналогии с выполненным ранее исследованием предполагалось, что сочетание трех новых образцов с тремя низкочастотными ФЭ компаний Fair-Rate или Wurth Elektronik позволит получить самый лучший результат.

Действительно, добавление к трем ФЭ компании Emicore Corporation трех низкочастотных ФЭ компаний Fair-Rate или Wurth Elektronik (рис. 12) позволяет существенно скорректировать характеристики исходных образцов, и это хорошо видно на рис. 12.

Рис. 12. Корректировка результирующей характеристики фильтра на основе трех ФЭ компании Emicore Corporation добавлением трех низкочастотных ФЭ компаний Fair­Rate (вверху) и Wurth Elektronik (внизу)

На рис. 12 видно, что низкочастотные ФЭ компании Fair-Rate эффективнее ФЭ компании Wurth Elektronik в диапазоне частот до 1 МГц.

Также было выполнено сравнительное испытание образцов в полном диапазоне частот (табл. 2, рис. 13).

Рис. 13. Затухание в полном диапазоне частот, вносимое комплектами из шести ФЭ различных типов

Как можно видеть из полученных данных, образцы компании Emicore Corporation показывают лучшие результаты для полного диапазона частот, несмотря на то, что на начальном участке диапазона частот лучшие результаты были у ФЭ компании Fair-Rite Products Corporation.

То есть шесть ФЭ одного и того же типа компании Emicore Corporation оказались на удивление лучшим вариантом по сравнению с комбинациями из трех низкочастотных и трех высокочастотных ФЭ различных типов.

Обеспечиваемое комплектом ФЭ компании Emicore Corporation затухание в широком частотном диапазоне на уровне не менее 18 дБ соответствует ослаблению сигнала помехи в восемь раз по амплитуде и в 60 раз по мощности, что можно признать вполне удовлетворительным, если учесть, что речь идет об очень дешевых и доступных для широкого применения элементах.

Вполне возможно, что комплект из шести среднечастотных ФЭ американской компании Fair-Rite Products Corporation, выполненных из материала типа 31, окажется не хуже комплекта из шести ФЭ китайской компании Emicore Corporation. Однако, поскольку речь идет о промышленном, а не о военном применении, а также об очень большом количестве ФЭ, в такой ситуации ценовой фактор начинает играть первостепенную роль. Стоимость ФЭ китайского производства намного меньше стоимости ФЭ американского производства, при очень хорошем качестве. Кроме того, многие американские компании, работающие в области электромагнитной совместимости или производящие продукцию, относящуюся к данной области, имеют различные ограничения на поставку такой продукции в другие страны и требуют от покупателя официального подтверждения, что их конечные продукты не будет иметь никакого отношения ни к военной области, ни к ядерному оружию.

Понятно, что в ситуации с применением ФЭ для защиты от ЭМИ ЯВ получить такие элементы будет затруднительно.

Отобранные ФЭ были смонтированы на описанном выше макете и испытаны совместно с варистором (рис. 14).

Рис. 14. Схема испытательного стенда, используемого при исследовании совместной работы варистора и набора из шести ферритовых элементов

Результаты испытаний показывают достаточно сильное положительное влияние ферритовых элементов на эффективность работы варисторов (рис. 15).

Рис. 15. Напряжение на варисторе (MOV) без ферритовых элементов (вверху) и с ферритовыми элементами (внизу)

Выводы

1. Результаты исследования показывают, что и варисторы, и супрессоры на основе лавинных диодов являются с точки зрения быстродействия элементами, пригодными для использования в качестве одного из основных средств для защиты промышленного электронного оборудования, расположенного в шкафах, от воздействия ЭМИ ЯВ.
2. Мощные TVS­-диоды представляются более качественными и надежными элементами защиты, чем варисторы, но их очень высокая стоимость при массовом применении заставляет искать альтернативу.
3. Альтернативой могут служить варисторы в сочетании с ферритовыми элементами, установленными на контрольном кабеле до варисторов.
4. Дополнительные ферритовые элементы, размещенные на контрольном кабеле, позволяют снизить крутизну переднего фронта и амплитуду тока, протекающего через защитный элемент после его срабатывания, и, соответственно, снизить падение напряжения на нем, существенно повышая эффективность защиты оборудования варистором.