Варикон — симбиоз варистора и конденсатора:
новое предложение от компании Bourns

Введение

Задача защиты — предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, при этом сама система защиты или защитный элемент должны срабатывать безопасным способом, а после снятия воздействия защищаемое оборудование, в свою очередь, должно вернуться в штатное рабочее состояние с минимальным перерывом по времени. К тому же при отсутствии возмущающих воздействий защита или используемые для ее реализации элемент (элементы) не должна мешать нормальному функционированию оборудования — другими словами, должно сохраняться то, что мы называем «целостность сигнала». Это может быть электропитание или линии передачи/приема данных.

Для целей защиты могут использоваться различные компоненты или их совокупности. До недавнего времени компания Bourns предлагала и предлагает [1]:

• Семейства газовых разрядников (Gas Discharge Tubes, GDT), которые создают квазикороткое замыкание, когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, потом они опять возвращаются к состоянию высокого импеданса.
• Семейство устройств защиты на основе тиристоров TISP, которые сначала ограничивают напряжение в линии, а затем переключаются в проводящее состояние при низком напряжении. После скачка напряжения, когда ток падает ниже тока удержания, устройство возвращается в исходное состояние высокого импеданса.
• Семейство диодов подавления переходных напряжений (Transient Voltage Suppressor, TVS), которые работают за счет быстрого перехода от высокого импеданса к нелинейной характеристике сопротивления, ограничивающей скачки напряжения.
• Семейство защитных устройств в виде многослойных варисторов (multilayer varistor, MLV). Эту серию отличают низкие токи утечки, которые делают устройства незаметными при нормальной работе.
• Объемные силовые металлооксидные (Metal Oxide Varistor MOV) варисторы.

Основные характеристики защитных устройств можно оценить по таблице 1.

Как можно видеть из таблицы 1, наиболее простым и экономически эффективным решением, если дело не касается высокоскоростных линий передачи данных, требующих минимальной емкости, здесь являются варисторы.

Что такое варистор? Название «варистор» (от англ. Varistor) составлено из двух частей VARI-able и resi-STOR (буквально: резистор с изменяемым сопротивлением, или, что более правильно, нелинейный резистор). Варисторы могут быть выполнены на основе карбида кремния (красные) и металлооксидные (синие), которые более распространены, конструкция типового варистора в общем виде и его вольтамперная характеристика показаны на рис. 1.

Рис. 1. Типовой металлооксидный варистор и его вольтамперная характеристика

Металлооксидные варисторы (Metal Oxide Varistor, MOV) выполнены на основе оксида цинка (ZnO) с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов, образующих микрогранулы. В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n-переход в диодах. В процессе протекания тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать больших величин.

Кроме единичных, скажем так — самодостаточных устройств защиты, компания Bourns имеет в своем портфеле и комбинированные устройства. Инженерам Bourns удалось соединить в одном устройстве положительные свойства газового разрядника и объемного варистора. Это проприетарное решение было представлено в апреле 2019 года в виде инновационной линейки гибридных двунаправленных компонентов защиты от перенапряжения под торговым названием GMOV. В данном продукте инженеры компании объединили инновационную и компактную газоразрядную трубку (GDT) Bourns с технологией FLAT с MOV [2]. Не так давно портфель компании Bourns пополнился еще одними интересными гибридными устройствами — вариконами.

Вариконы — симбиоз варистора и конденсатора

Вариконы — это наследие от приобретенной компанией Bourns компании KEKO­Varicon d.o.o. Žužemberk (Словения). За счет данного приобретения Bourns существенно расширил свое портфолио в сегменте металлооксидных и многослойных варисторов (MOV, MLV) и укрепил позиции в качестве одного из крупнейших производителей защитных компонентов.

Компания KEKO-Varicon — один из ведущих мировых производителей компонентов защиты от перенапряжения и подавления электромагнитных помех. Продукция компании разработана для широкого спектра применений в низковольтных приложениях, телекоммуникации, автомобильной электронике, линиях переменного тока и промышленного оборудования. Сочетание обширных технических знаний и современного оборудования позволяет KEKO-Varicon производить продукцию с высочайшим уровнем и почти 100%­-ным выходом готовой продукции. Примеры продукции компании KEKO-Varicon, которые теперь доступны в портфеле заказов компании Bourns можно увидеть на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид отдельных серий варисторов KEKO-Varicon, доступных теперь от компании Bourns

KEKO-Varicon выпускала как стандартные радиальные дисковые варисторы общего применения, так и их специализированные серии [3]: многослойные SMD-варисторы для низковольтных применений, варисторы для автомобильной промышленности и медицинской техники, силовые варисторы с высоким уровнем рассеиваемой энергии, а также интересующие нас в рамках данной статьи вариконы.

В технике иногда недостаток может оказаться или использоваться как несомненное достоинство. Если посмотреть на сравнительные данные, приведенные в таблице 1, то можно видеть, что варисторы имеют самою большую поглощаемую мощность импульса напряжения, но и самую большую собственную емкость, которая ограничивает их применение. Инженеры тогда еще самостоятельной компании KEKO-Varicon посмотрели на это под другим углом — а что если эту емкость увеличить и нормировать? В таком случае мы получим новый двухфункциональный элемент, который будет решать проблемы защиты от импульсов напряжения и подавления ЭМП. Так получился варикон (Varicon, VARI (stor) — варистор + COND (enser) — конденсатор), давший наименование компании. Для этого им потребовалось ни много ни мало соединить в одном корпусе варистор и многослойный керамический конденсатор, на первый взгляд — это просто, однако по факту — сложно. Кроме того, здесь необходимо уточнение: варикон не надо путать с созвучным ему варикондом — сегнетоэлектрическим конденсатором, емкость которого изменяется нелинейно в зависимости от приложенного напряжения, это совершенно разные компоненты и для разных целей.

Рис. 3. Примеры типового использования вариконов серии MV компании Bourns:
а) недопущение дуги при замыкании и размыкании контактов реле;
б) защита полупроводниковых компонентов схемы — транзисторов и диодов;
в) устранение помех от электродвигателей;
г) подавление переходных процессов при выключении тиристора;
д) стабилизация напряжения и поглощение бросков напряжения;
е) защита транзисторов от подачи недопустимо высокого напряжения;
ж) предотвращение акустического удара и защита пьезоизлучателя;
з) защита от накопления статического электричества

Комбинированные варисторы со встроенным конденсатором применяются не только для поглощения энергии всплесков напряжения, но и для подавления сопутствующих им высокочастотных шумов и помех, как следствие, переходных процессов. Кроме того, они в определенной мере решают и вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС), подавляя электромагнитные помехи (ЭМП) непосредственно самого приложения, например, коллекторного двигателя. Схемы включения вариконов, на примере использования варикона серии MV, общего назначения, показаны на рис. 3 [4] (кстати, обращаю ваше внимание, что в оригинале допущены ошибки!), а пример практического применения на рис. 4.

Рис. 4. Пример практического применения вариконов серии OV на щеточной плате двигателя постоянного тока и схема для управления привода сиденья автомобиля

Серии MV/OV

Вариконы серий MV и OV представляют собой защитные устройства двойного действия, которые защищают от бросков напряжения и от высокочастотного шума, заменяя два компонента — варистор низкого напряжения и конденсатор. Вариконы серии MV предназначены для широкого применения, работают в диапазоне постоянного напряжения 3–125 В (до 170 В по запросу) и как высокочастотные шунтирующие конденсаторы выполнены на основе диэлектрика X7R, имея диапазон емкостей 10 нФ – 1 мкФ. Также доступны более низкие значения емкости. Они предназначены для защиты самой различной радиоэлектронной аппаратуры электронных устройств, чувствительной к броскам напряжения и высокочастотным шумам, производимых электромеханическими устройствами, такими как зуммеры, реле, щеточные электродвигатели и т. п. (примеры на рис. 3).

Вариконы серии OV предназначены в первую очередь для применения в автомобильном оборудовании (пример на рис. 4). Вариконы серии OV включают варистор, предназначенный для работы на автомобильных шинах напряжения постоянного тока 12, 24 и 42 В и имеют диапазон напряжений 16, 20, 26, 38 и 56 В. Встроенный в вариконды серии OV конденсатор фильтрации радиочастотных помех с емкостью на основе диэлектрика X7R имеет емкость в диапазоне 0,47–1,5 мкФ (более высокие значения емкости доступны по запросу), что делает их оптимальными для защиты и обеспечения требований в части ЭМС в целом ряде приложений автомобильной электроники.

Рис. 5. Варианты исполнения вариконов серий MV и OV компании Bourns и их графический символ

Серии MV и OV представляет собой компоненты квадратной формы. Для серии MV доступны компоненты размером 6×8 мм с линейными выводами для монтажа в отверстия. Для серии OV доступны два стандартных размера 7,5×9 мм и 8×12 мм (меньшие размеры доступны по запросу). Они требуют очень небольшого пространства для установки, как правило, занимая площадь на 30% меньше, чем два отдельных компонента. По запросу вариконы этих серий также доступны в SMD-исполнении для поверхностного монтажа (рис. 5). Обе серии могут поставляться с классификацией согласно AEC­Q200 Grade 1 (–40…+125 °C) для использования в автомобильной индустрии, а серия OV способна выдерживать мощные импульсы при сбросе нагрузки в соответствии с требованиями SAE J1113. Основные технические характеристики вариконов серий MV и OV компании Bourns приведены в таблице 2. Полные технических характеристики вариконов серий MV и OV компании Bourns доступны в спецификациях [4, 5].

Примечание. *Вариконы с номинальным напряжением 2–8 В являются нестандартными и доступны только по запросу.

Полная номенклатура защитных компонентов, которой владела компания KEKO-Varicon и которая перешла к Bourns, приведена в каталоге [6]. К сожалению, каталог не обновлялся с 2015 года и в нем допущены ошибки, поэтому для уточнения следует обращаться либо напрямую к службе поддержки компании Bourns, либо к ее авторизованному дилеру. В любом случае отказываться от использования таких компонентов, как вариконы, не стоит, а объединение компаний KEKO-Varicon и Bourns несомненно даст новый толчок к развитию этого перспективного направления защитных элементов. Полная номенклатура защитных компонентов компании доступна по ссылке [7].