Комбинированный варистор компании BOURNS — эффективное решение проблемы защиты оборудования

Подключенное оборудование, тем более индустриальное, работающее в жестких условиях окружающей среды, подвержено самым разнообразным негативным воздействиям. В их числе возможность повреждения от скачков напряжения, вызванных разрядами статического электричества, наводками от внешних источников или переходными процессами — например, при включении/выключении мощных индуктивных нагрузок или наведенной помехи от удара молнии.

Что касается молний, в этом случае мы имеем ситуацию, показанную на рис. 1.

Рис. 1. Характерный пример различных причин повреждения здания и распределения тока молнии внутри системы по ГОСТ Р МЭК 62305­4­2016 (IEC 62305­4:2010).
Причина повреждения:
S1 — удар в здание;
S2 — удар вблизи здания;
S3 — удар в коммуникации, связанные со зданием;
S4 — удар вблизи коммуникаций, связанных со зданием

При этом оборудование подвергается воздействиям на уровне кА/кВ. И хотя время воздействия молнии слишком коротко и составляет микросекунды, такое влияние может привести к катастрофическим последствиям [1]. Например, последствия отказа линии передачи, вызванного молнией, могут быть даже более угрожающими для телекоммуникационной системы или полевых датчиков, чем сама молния, ударившая в здание.

Задача защиты — предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, сама система должна срабатывать безопасным способом, а после снятия воздействия защищаемое оборудование, в свою очередь, должно вернуться в штатное рабочее состояние с минимальным перерывом по времени. При этом при отсутствии возмущающих воздействий защита не должна мешать нормальному функционированию системы, то есть должна сохраняться целостность сигнала.

Основными стандартами, на которые необходимо ориентироваться при проектировании продукции и анализе рисков в рассматриваемом контексте, являются ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 «Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри зданий и сооружений» (стандарт идентичен международному стандарту IEC 62305-4:2010 Protection against lightning — Part 4: Electrical and electronic systems within structures, IDT) и ГОСТ IEC 60950-21-2013 «Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 21. Удаленное электропитание» (идентичен международному стандарту IEC 60950-21:2002 Information technology equipment — Safety — Part 21: Remote power feeding).

Если рассматривать основные доступные нам защитные элементы, то мы можем выделить два их основных вида с типовыми характеристиками, которые представлены в таблице 1.

Если рассмотреть эти типы защитных элементов, то мы увидим следующее.

Газовые разрядники (Gas Discharge Tubes, GDT) создают квазикороткое замыкание по линии, когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, потом они снова возвращаются к состоянию высокого импеданса. Эти надежные устройства имеют самый высокий рейтинг по импульсному току в сочетании с малой собственной емкостью, что делает их весьма привлекательными для защиты линий любых типов, в том числе и современных высокоскоростных цифровых линий. Последнее благодаря минимально вносимой емкости.

Объемные силовые металлоксидные (Metal Oxide Varistor MOV) варисторы 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 или поглотиться в газовом разряднике. В процессе прохождения тока через варистор весь протекающий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать больших величин. Однако такие варисторы подвержены временной деградации и имеют очень высокую собственную емкость, которая не позволяет использовать их для защиты современных высокоскоростных цифровых линий.

Рис. 2. Гибридный компонент для защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS

Деградация и связанный с ней катастрофический отказ могут произойти, если MOV подвергается переходным скачкам или условиям временного перенапряжения (temporary overvoltage, TOV), превышающим его максимально допустимые характеристики. Срок службы MOV определяет время разгона, необходимое для достижения условия теплового равновесия. Нарушение этой характеристики приводит к катастрофическому отказу — короткому замыканию, обрыву цепи или некоторому остаточному линейному сопротивлению, нагружающему защищаемую им линию. В отдельных случаях MOV может стать пожароопасным, что потребует дополнительных компонентов в виде плавких или самовосстанавливающихся предохранителей. Такие события, как скачки напряжения вследствие близкого удара молнии или переходные процессы, превышающие номинальные значения тока MOV, могут начать снижать напряжение ограничения варистора. Это в свою очередь приводит к увеличению тока утечки в режиме ожидания/выключения, нагреву и росту потерь. Кроме того, повышенные скачки напряжения в системе (TOV), применяемые в течение периодов времени, превышающих микросекунды, могут привести к физическим и химическим изменениям в пределах границ зерен MOV. С уменьшенным напряжением варистора, повышенной утечкой и сниженной способностью рассеивать тепло, вызванное этими событиями, MOV с большой долей вероятности начнет перегреваться, тем самым заканчивая свой срок эксплуатации.

Компания BOURNS смогла найти решение проблем, связанных с использованием традиционных объемных варисторов. Ее инженерам 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 [2]. В этом продукте инженеры компании объединили инновационную и компактную газоразрядную трубку (GDT) Bourns с технологией FLAT с MOV [3]. Результаты можно увидеть на рис. 2.

Эта линейка продуктов дает разработчикам компактную и улучшенную защиту от перенапряжения, а сам новый элемент является заменой для стандартных 14‑ и 20‑мм объемных варисторов [4], но по сравнению с традиционными технологиями предлагает целый ряд преимуществ (табл. 2).

Новое семейство GMOV — это наилучшее в настоящее время решение для защиты, которое может поглощать высокую энергию, практически не вносит емкость и сопротивление в линию, а кроме того, позволяет преодолеть проблемы деградации и катастрофических сбоев, способных возникнуть в дискретных MOV в том случае, если они подвержены кратковременным скачкам напряжения, превышающего их максимальные номинальные значения, или более длительному по времени воздействию допустимого перенапряжения.

Газоразрядная трубка GDT используется для изоляции MOV от напряжения в линии, поэтому он срабатывает лишь по мере необходимости и защищает аппаратуру от переходных процессов и скачков временного перенапряжения, которые обычно со временем приводят к его повреждению. Еще одним преимуществом объединения обеих технологий является то, что устройство GMOV обеспечивает сверхнизкий ток утечки, не превышающий 0,1 мкА, тем самым уменьшая энергетические потери, и не вносит рассогласования в линию. Что касается емкости, в этой последовательной конфигурации компоненты MOV и GDT имеют емкостную связь; учитывая малую собственную емкость газоразрядной трубки, общая емкость такого гибридного варистора не превышает 4 пФ. Результатом является более надежное защитное решение практически с нулевым энергопотреблением в режиме ожидания и гарантией целостности высокоскоростных сигналов.

В условиях низких частот ограничение напряжения компонента GMOV будет равно сумме ограничения напряжения отдельных компонентов MOV и GDT. В условиях высокоскоростного линейного изменения напряжения ситуация иная. При воздействии высокоскоростного линейного изменения напряжения, подобного тому, что происходит во время удара молнии или переходного процесса, связанного с коммутацией индуктивной нагрузки, большая часть линейного изменения напряжения сначала появляется на GDT из-за его относительно низкой емкости по сравнению с MOV. Когда GDT ионизируется, он заряжает емкость MOV, который начинает ограничивать напряжение и входить в зону проводимости. Когда варистор полностью перейдет в проводимое состояние, то объединенное ограничение напряжения пары будет приблизительно равно напряжению ограничения MOV. Тем не менее во время полной проводимости сопротивление MOV все еще достаточно, чтобы ограничить последующий ток для GDT, что позволяет отключать и сбрасывать GMOV. Процесс включения и удержания GMOV представлен на рис. 3.

Рис. 3. Характеристика срабатывания GMOV

Характеристики защиты компонентов GMOV определяются защитой переднего уровня Vfp (Front Protection Level) и уровнем ограничения напряжения (Vc). Напряжение Vfp измеряется с 10% пикового тока в соответствии с IEC 61051-1. Следует отметить, что Vfp является событием очень короткой продолжительности, его длительность не превышает 0,3 мкс и представляет собой короткое время, необходимое для включения GDT. В свою очередь, напряжение Vc (Clamping Voltage) определяется как уровень напряжения ограничения GMOV, который является суммой напряжения ограничения MOV и напряжения GDT во включенном состоянии. Напряжение Vc возникает после перехода компонента GMOV в полностью включенное состояние.

В настоящее время продукты GMOV предлагаются в 14‑ и 20‑мм версиях со среднеквадратичным значением в диапазоне 45–320 В. Сегодня доступны две серии указанных приборов (табл. 3). Развернутые характеристики приведены в табл. 4, а полные данные указаны в соответствующих спецификациях, доступных через гиперссылки в [5].

Области применения GMOV компании BOURNS: защита линии напряжения переменного тока, бытовая техника, линии связи, системы дымовой сигнализации, дорогостоящие потребительские товары, в качестве стандартных защитных устройств для выполнения требований UL1449, для защиты линии напряжения постоянного тока, в солнечных инверторах, источниках питания, в системах распределения питания.

Гибридные устройства защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS можно использовать во всех основных сегментах рынка, таких как промышленные, потребительские, медицинские (низкий/средний уровень риска) и связь. Примеры применения компонентов GMOV включают устройства защиты от импульсных перенапряжений, сетевые фильтры, бытовые приборы, зарядные устройства, оборудование для солнечной энергетики, устройства с питанием через линии передачи данных, например технологии PoE. Таким образом, практически любое приложение, работающее от источников напряжения переменного или постоянного тока, может использовать компонент GMOV для защиты от перенапряжения.