Как организовать эффективную комплексную защиту интерфейсов оборудования и что для этого имеется

Опубликовано в номере:
PDF версия
Обычные проводные линии связи не только не собираются сдавать свои позиции, но и останутся востребованными в будущем. В индустриальной сфере такие линии часто уже проложены, менять их нецелесообразно, а часто и просто невозможно. Для них не понадобится дорогая инфраструктура, они не зависят от особенностей распространения радиоволн и загруженности спектра. В отличие от оптоволоконных линий проводные линии не требуют сложных подключений и дорогого специализированного инструмента. Кроме того, если это замкнутая проводная сеть, она в меньшей степени подвержена несанкционированному стороннему вмешательству. Однако у проводных систем есть своя ахиллесова пята — подключенному к ним оборудованию необходима защита от воздействия статического электричества и наведенных перенапряжений, причем разной природы.

Введение

Подключенное к проводным сетям оборудование имеет вероятность повреждений от импульсов напряжения на линиях, порожденных теми или иными причинами — разрядами статического электричества, ошибками при монтаже, наводками от внешних источников, например при включении/выключении мощных индуктивных нагрузок. И поскольку в части используемых протоколов интерфейсов такие системы становятся все более сложными, то и, соответственно, более уязвимыми. Для того чтобы найти оптимальное решение, разработчику приходится балансировать между стоимостью системы защиты и выполнением требований стандартов, причем не забывая, что устойчивость к внешним электромагнитным воздействиям составляет часть требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) [1].

Причиной скачков напряжения (временного увеличения напряжения на входе оборудования) может быть ошибка в подключении линии или возмущение, вызванное синфазной помехой вследствие неидеальной симметричности и рассогласования по импедансу реальных дифференциальных линий. Результат такого воздействия — появление на входных цепях оборудования нежелательного тока. Задачей защиты является ограничить последствия таких событий. Опасности воздействия высоких напряжений и больших токов очевидны, но здесь важно учитывать еще и время их воздействия. Если время воздействия мало, то вызванный током нагрев не станет критическим, но при длительном воздействии это может привести к деградации элементов входных цепей и отказу оборудования.

Правильно сконфигурированная защита должна предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, а затем мы должны быть уверены, что система возвратится в исходное рабочее состояние с минимальным перерывом в обслуживании. При этом крайне важно, чтобы сама защита срабатывала безопасным образом (без взрыва и пожара), а в обычных условиях не мешала нормальному функционированию оборудования. Исходя из сказанного, мы, как инженеры, первым делом обращаемся к стандартам. Основными в данной сфере для нас будут стандарты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Основные международные стандарты по защите оборудования и соответствующие им стандарты, действующие на территории Российской Федерации

Международный стандарт

Стандарт Российской Федерации

Примечания

IEC 60950-1:2013 “Information technology equipment — Safety — Part 1: General requirements”

ГОСТ IEC 60950-1-2014

«Оборудование информационных технологий. Требования безопасности.

Часть 1. Общие требования»

Идентичен стандарту IEC 60950-1:2013

IEC 60950-21:2002

“Information technology equipment — Safety — Part 21: Remote power feeding”

ГОСТ IEC 60950-21-2013

«Оборудование информационных технологий. Требования безопасности.

Часть 21. Удаленное электропитание»

Идентичен стандарту IEC 60950-21:2002,

применяется совместно со стандартом ГОСТ IEC 60950-1

IEC 61000-4-2:2008

“Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 4-2: Testing and measurement techniques — Electrostatic discharge immunity test”

ГОСТ 30804.4.2-2013

«Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний»

Модифицирован по отношению к стандарту IEC 61000-4-2:2008, определяет требования по степени жесткости и параметры импульса воздействия и модели

IEC 61000-4-4:2012

“Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 4-4: Testing and measurement techniques — Electrical fast transient/burst immunity test”, IDT

ГОСТ IEC 61000-4-4-2016

«Электромагнитная совместимость (ЭМС).

Часть 4-4. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам)»

Идентичен стандарту IEC 61000-4-4:2012

IEC 61000-4-5:2014

“Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 4-5: Testing and measurement techniques — Surge immunity test”, IDT

ГОСТ IEC 61000-4-5-2017

«Электромагнитная совместимость (ЭМС).

Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения»

Идентичен стандарту IEC 61000-4-5:2014

IEC 61643-21:2012

“Low voltage surge protective devices — Part 21: Surge protective devices connected to telecommunications and signaling networks — Performance requirements and testing methods”

ГОСТ IEC 61643-21-2014

«Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 21. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к телекоммуникационным и сигнализационным сетям. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний»

Идентичен стандарту IEC 61643-21:2012

IEC 62305-4:2010

“Protection against lightning — Part 4: Electrical and electronic systems within structures”, IDT

ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016

«Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри зданий и сооружений»

Идентичен стандарту IEC 62305-4:2010

Если рассматривать основные доступные нам элементы защиты от перенапряжений, то можно выделить четыре основных типа компонентов (табл. 2). Что касается устройств защиты от недопустимых токов, то здесь выбор не столь велик — это:

  • Полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Они представляют собой полимерные термисторы с положительным коэффициентом сопротивления (Polymer Positive Temperature Coefficient, PPTC) и имеют самое широкое применение. В условиях большого тока сопротивление данного предохранителя будет увеличиваться на много порядков и оставаться в таком состоянии, обеспечивая непрерывную защиту цепи до устранения неисправности. После устранения неисправности и некоторого времени остывания предохранитель вернется в свое нормальное состояние с низким сопротивлением.
  • Там, где нужно срабатывание без восстановления, хорошим вариантом будут элементы семейства Telefuse (Telecom Fuses — предохранители для телекоммуникационных линий), они представляют собой обычные плавкие предохранители, но заключенные в керамический корпус. Предохранитель нагревается со скоростью, описываемой интегралом Джоуля (согласно ГОСТ Р 52736-2007, интеграл Джоуля — это условная величина, характеризующая тепловое действие тока короткого замыкания на рассматриваемый элемент электроустановки, численно равная интегралу от квадрата тока короткого замыкания по времени, в пределах от начального момента короткого замыкания до момента его отключения. Размерность интеграла Джоуля определяет его физический смысл: энергия в джоулях, которая выделяется в цепи с сопротивлением 1 Ом. Формула, или вернее закон Джоуля — Ленца, это Q = I2Rt)  — I2t. Как только температура элемента превышает температуру плавления токопроводящего элемента вставки, он расплавляется и размыкает цепь. Для разработчиков преимуществом здесь выступает низкое сопротивление предохранителей, но они требуют замены, поэтому практически не используются в труднодоступном оборудовании, а такового большинство.
Таблица 2. Сравнение компонентов защиты от перенапряжения

Параметр

Газовые разрядники

Защитные

тиристоры

Варисторы,
объемные

Обычные TVS-диоды

Специальные TVS-диоды

Уровень пиковых токов

высокий

средний

высокий

средний

средний

Минимальное напряжение включения, В

75

8

6

6

~3

Точность напряжения включения

низкая

высокая

низкая

высокая

высокая

Эффективность ограничения выбросов напряжения

средняя

высокая

средняя

высокая

высокая

Типовая емкость, пФ

~1,5

~30

~1400

~100

0,2

Соотношение «пиковый ток/габариты»

низкое

среднее

высокое

среднее

высокое

Время срабатывания

большое

среднее

большое

малое

сверхмалое

И хотя элементов для защиты имеется достаточно, но вот единого идеального нет, и построить решение на базе одного компонента возможно далеко не всегда. Ну и не забываем главного — у ответственного разработчика должны быть учтены все факторы и риски, чтобы не получилось, как в перефразированном известном инженерном анекдоте:

— А сработает ли выбранная вами схема защиты оборудования?

— Конечно! Как только оно выйдет из строя.

Итак, отправные точки мы обозначили, теперь перейдем к компонентам. Но, учитывая доступный объем журнальной статьи, ограничимся только базовой информацией, которая поможет понять суть дела и сделать выводы о применении того или иного компонента для определенных целей в конкретном приложении.

 

Газовые разрядники

Газовые разрядники, или газоразрядные трубки (англ. — Gas Discharge Tube, GDT), — это одни из самых первых защитных устройств. Люди старших поколений еще помнят такие разрядники, устанавливаемые на антеннах радиоприемников в качестве грозозащиты. Но сейчас это вполне совершенные, часто малогабаритные устройства, хотя принцип их работы в целом не поменялся — они, когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, создают квазикороткое замыкание линии на «землю», а после снятия перенапряжения возвращаются к состоянию высокого импеданса с крайне малым током утечки.

Такой разрядник представляет собой герметический керамический корпус, наполненный инертным газом, с выводами (рис. 1). Внутренняя часть электродов (L1, L2 и заземление) имеет порошковое покрытие (но нерадиоактивное), необходимое для активации, и особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем с устройством, называемым Failsafe, выполненным в виде биметаллической пластины, которая работает как механический термостат. Если в процессе работы происходит перегрев общего вывода, пластина деформируется и замыкает общий вывод и выводы L1 и L2 между собой, а ток начинает протекать вне газового промежутка, защищая разрядник от перегрева и разрушения.

Варианты исполнения современных трехэлектродных газовых разрядников

Рис. 1.
а) Варианты исполнения современных трехэлектродных газовых разрядников;
б) пояснение их конструкции с термопредохранителем системы Failsafe

Газовый разрядник можно рассматривать как скоростной переключатель, обладающий проводящими свойствами, которые очень быстро меняются при пробое и преобразуются из разомкнутой цепи в квазикороткое замыкание. В конечном итоге после возникновения дугового разряда напряжение ограничивается на уровне около 20 В (DC). В целом характеристику срабатывания разрядника (рис. 2) можно разделить на несколько участков:

  • Если между общим выводом и одним из выводов L (L1или L2) приложено напряжение ниже напряжения срабатывания, то ток через него не протекает, и он остается «незаметным» для цепи.
  • При достижении напряжения срабатывания происходит ионизация газа и лавинное нарастание концентрации носителей заряда. Это вызывает протекание тока не более 0,5 А (приблизительное значение, которое отличается от компонента к компоненту), а напряжение на разряднике будет в пределах 80–100 В с небольшим увеличением при росте тока.
  • Если мощность внешнего источника достаточно велика, то при увеличении тока свыше определенного предела в газовом разряднике происходит пробой, устанавливается электрическая дуга, а напряжение резко падает. Дальнейшее повышение тока происходит без роста напряжения. Необходимо учитывать, что длительный дуговой разряд приводит к разрушению электродов и ухудшению параметров используемого газа.
  • Если после возникновения дуги снять внешнее напряжение, то проводящее состояние газового промежутка сохранится до тех пор, пока концентрация свободных носителей не придет в норму.
Вольтамперная характеристика срабатывания типового газового разрядника

Рис. 2. Вольтамперная характеристика срабатывания типового газового разрядника

Газовые разрядники рассчитаны на то, чтобы выдерживать определенное число импульсов перенапряжения (читай: тока) без разрушения или деградации исходных характеристик (типичные импульсные испытания — 10 импульсов по 5 кА для каждой полярности). С другой стороны, устойчивый очень высокий ток, то есть 10 А (с.к.з.) в течение 15 с, с имитацией замыкания линии электропередачи переменного тока на линию связи, немедленно выведет ее из строя.

При всей «древности» и кажущейся простоте газовые разрядники далеко не такие простые в применении устройства. При их выборе необходимо учитывать:

  • Статическое напряжение срабатывания/включения (DC Breakdown), В, определяет напряжение срабатывания при медленной скорости нарастания импульса. Обычно используется скорость нарастания 100 В/с.
  • Динамическое напряжение срабатывания/включения (Impulse Breakdown), В, определяет напряжение срабатывания при высокой скорости нарастания импульса. Обычно используется скорость нарастания 100 В/мкс и 1 кВ/мкс.
  • Напряжение дуги (Arc Voltage или On State Voltage), В, — напряжение горения дуги. Фактически эта характеристика определяет, насколько сильно разрядник может ограничить входную помеху. Данный параметр приводится для конкретного минимального значения протекающего тока.
  • Напряжение тлеющего разряда (Glow Voltage), В, — вспомогательная характеристика, указывающая значение напряжения тлеющего разряда. Этот параметр имеет большое значение при маломощных помехах, которые не способны сгенерировать дугу разрядника.
  • Ток возникновения дуги (Glow to arc-transition current), А. Как было показано выше, переход от тлеющего разряда к электрической дуге требует протекания минимального тока. По сути, данный параметр оказывается вспомогательным.
  • Номинальный ток разряда (Nominal Discharge Current), А, — номинальное значение тока разряда, который разрядник может выдерживать без разрушения.
  • Номинальный ток импульсного разряда (Nominal Impulse Discharge Current), А. Традиционно указывается для вполне конкретных типов импульсов (8/20, 10/350 мкс и т. д.). Чем короче импульс, тем большее значение токов способен выдерживать разрядник.
  • Эксплуатационный ресурс (Surge Life), количество срабатываний, указывает число срабатываний при заданных параметрах импульсов и разрядных токов.
  • Собственная емкость в состоянии покоя (Capacitance), пФ, — емкость разрядника в выключенном состоянии.
  • Сопротивление изоляции (Insulation Resistance), Ом, определяет токи утечки в выключенном состоянии. Значение сопротивления разрядников составляет десятки ГОм.

Если говорить в целом, то, кроме зависимости их характеристик от температуры, что характерно для любых устройств защиты, газовые разрядники проигрывают из-за относительно высокого напряжения срабатывания, разброса характеристик, большого времени восстановления и габаритов, хотя сейчас они доступны в SMD-исполнении в виде чипа размером 4,5×3,2×2,7 мм. Немаловажно и то, что газовые разрядники не являются «вечными» приборами. При частом срабатывании у них разрушаются электроды и ухудшаются параметры инертного газа. Так что чем мощнее уровень блокируемых перенапряжений на линии и чем чаще они их блокируют, тем скорее приходят в негодность. Более полная информация по этим устройствам доступна по ссылкам [2, 3, 13].

 

Устройства с петлевой вольтамперной характеристикой

В англоязычной широко используемой терминологии устройства с двумя пороговыми напряжениями — напряжением срабатывания и напряжением фиксации или удержания — называются Snap-Back Device, а сам режим — Snap-Back. Участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением неустойчив, поэтому устройство переходит в иное устойчивое состояние с меньшим напряжением удержания и начинает работать в низкоомной области, проводя через себя большую часть тока и не пропуская его в защищаемое устройство. Примером такого устройства может быть специально разработанный TVS-диод и биполярный транзистор с расширенной зоной пробоя коллектор-эмиттер. Для таких компонентов характерны уровни защиты (при удержании), которые лежат в рабочем диапазоне 1,5–4 В. Кроме того, они обладают низкой емкостью, что позволяет использовать их в качестве шунтирующих элементов для защиты высокоскоростных интерфейсов, а простота позволяет выпускать их в интегральном исполнении. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) устройства Snap-Back показана на рис. 3.

Защита с использованием Snap-Back-ограничителя с петлевой характеристикой

Рис. 3. Защита с использованием Snap-Back-ограничителя с петлевой характеристикой

Но, как часто бывает, достоинство иногда становится проблемой. В данном случае это предотвращение нежелательной фиксации элементов защиты с эффектом Snap-Back после срабатывания, на инженерном сленге называемое защелкиванием. Как правило, это происходит из-за наличия подтягивающих резисторов на сигнальной линии, что необходимо учитывать при проектировании системы защиты.

Устройства с более выраженным эффектом Snap-Back представляют собой 5‑слойную полупроводниковую структуру (рис. 4). Такие защитные полупроводниковые приборы имеют только два вывода, то есть по определению являются симметричными диодными тиристорами. Их упрощенная структура включает слои с разными типами проводимости: эмиттер (верхний n‑слой), верхняя база (верхний p‑слой), средний n‑слой, нижняя база (нижний p‑слой). Электрод, подключенный к эмиттеру, часто называют катодом, а электрод, подключенный к нижней базе, — анодом. Их преимущество состоит в том, что они в качестве устройства защиты имеют гораздо большее «окно».

Упрощенная структура защитных тиристоров и их вольтамперная характеристика

Рис. 4. Упрощенная структура защитных тиристоров и их вольтамперная характеристика

Если же говорить о больших токах, для этого имеются специально разработанные защитные тиристоры, например устройства компании Littelfuse под торговой маркой SIDACtor [4, 8], которые обеспечивают низкое прямое падение напряжения, существенно ниже напряжения пробоя газовых разрядников, и гораздо более низкое напряжение удержания по сравнению с металлоксидными варисторами. По сравнению с кремниевыми TVS-диодами, которые будут рассмотрены далее, SIDACtor способны выдержать существенно более высокие мгновенные токи при меньшем прямом падении напряжения, а также генерируют смягченные по сравнению с газовыми разрядниками, варисторами и TVS-диодами переходные процессы.

Сейчас доступны тиристоры SIDACtor с рабочими напряжениями VDRM в пределах 58–450 В. А если говорить о пиковом импульсном токе IPP и максимальном допустимом токе тиристора в открытом состоянии ITSM при воздействии на него тока синусоидального напряжения, то они выдерживают ток IPP = 5000 А в режиме 8/20 мкс и минимальный ток ITSM = 400 А для одного периода синусоиды 50/60 Гц. Основная область применения защитных тиристоров SIDACtor — не допускать нарушений в работе электросети переменного тока, что является причиной большинства отказов электротехнического оборудования.

 

TVS-диоды

Кремниевые TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor) уже много лет используются в качестве защитных устройств. Их часто путают со стабилитронами (что, вообще говоря, в корне неверно), хотя последние также могут использоваться как защитные элементы некоторых интерфейсов [7].

TVS-диоды представляют собой твердотельные элементы, выполненные на базе p‑n‑переходов сложной структуры, и специально разработаны для защиты чувствительных полупроводниковых приборов и устройств от разрушающего воздействия переходных процессов и наведенных напряжений (рис. 5).

Структура двухполярного TVS-диода

Рис. 5. Структура двухполярного TVS-диода

Уровни поглощаемой мощности и импульсов тока TVS-диода пропорциональны площади его p‑n‑перехода, поэтому для поглощения высоких переходных токов TVS-диоды сознательно выполняют с большими поперечными сечениями, что отличает их от стабилитронов [5], которые спроектированы и предназначены для стабилизации напряжения и не могут быть использованы для поглощения относительно больших порций энергии. Кроме того, TVS-диоды, как правило, двухполярные и имеют хоть и неярко, но все же выраженный участок с отрицательным сопротивлением (рис. 6). О последнем часто умалчивают, так что и здесь, как и в случае использования устройств Snap-Back, можно столкнуться с неприятным эффектом защелкивания.

Вольтамперная характеристика двухполярного TVS-диода

Рис. 6. Вольтамперная характеристика двухполярного TVS-диода

Эффективность TVS-диодов связана с их быстрым переходом от высокого импеданса к нелинейной характеристике сопротивления, ограничивая тем самым скачки напряжения и принимая на себя удар тока. TVS-диоды являются универсальными продуктами широкого применения — они малогабаритные, обеспечивают быстрое и хорошо контролируемое напряжение ограничения, однако они (не все, но в большинстве) обладают относительно высокой емкостью и сравнительно низким уровнем поглощения энергии, что ограничивает максимальный импульсный ток. Тем не менее они выгодно отличаются от стабилитронов, поскольку их собственная емкость в десятки раз меньше и не так сильно модулируется внешним напряжением. По сравнению с газовыми разрядниками и еще одним популярным элементом защиты — варисторами — TVS-диоды выигрывают благодаря широкому выбору по напряжению ограничения, точности его установки, значительно меньшим габаритам и в рамках допустимых воздействий меньшей склонности к деградации своих характеристик.

Что касается защиты высокоскоростных сигнальных цепей, сейчас доступны TVS-диоды малой емкости — современные технологии позволяют ограничить типовое значение емкости TVS-диода до 0,2 пФ, что способствует минимизации искажения сигналов высокоскоростных интерфейсов. Что же касается тока, то и тут есть положительные моменты, например, компания BOURNS предлагает TVS-диоды, способные принять на себя токи, превышающие 100 А.

Важно также, чтобы характеристика устройств защиты от бросков напряжения, возникающих вследствие переходных процессов и внешних воздействий при максимальном напряжении порта VRWM, отличалась крайне малым током утечки (рис. 6). Уровень ограничения напряжения для защиты в соответствии с требованиями человеко-машинной модели (HMM) должен быть ниже, чем выбранная схема внутренней защиты микросхемы, которая, как правило, выполнена по требованиям модели человеческого тела (HBM). Более подробно с используемыми для испытаний моделями можно ознакомиться в [14].

Интересующие нас уровни напряжения, обеспечивающие отказоустойчивость, показаны на рис. 7. Однако с увеличением частоты и уменьшением требуемого порога ограничения, характерного для современных микросхем, удовлетворить требования сразу обоих критериев крайне сложно, особенно если учитывать и потери, вносимые элементами защиты, их размеры и стоимость. Вот здесь нам на помощь и приходит быстродействующий TVS-диод.

Защита путем ограничения напряжения с использованием TVS-диода

Рис. 7. Защита путем ограничения напряжения с использованием TVS-диода

Основными потребителями TVS-диодов являются рынки устройств портативной связи, вычислительной и видеоаппаратуры с высокой плотностью монтажа, что, в свою очередь, требует все более компактных электронных компонентов. Как ответ на вызовы рынка по миниатюризации, компании предлагают варианты чип-диодов. С элементами в таких корпусах легко работать на стандартном оборудовании для их захвата и размещения, а плоская конфигурация сводит к минимуму опрокидывание при их установке на печатную плату.

 

Варисторы

Объемные металлоксидные варисторы

Объемные силовые металлоксидные варисторы — Metal Oxide Varistor (MOV) (рис. 8) — это уже своеобразная классика в области защиты. Они 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. Поскольку количество микрогранул 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 накопленный заряд равномерно распределяется по всему объему, соответственно, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать довольно-таки больших величин. Однако варисторы имеют очень высокую собственную емкость, которая не позволяет использовать их для защиты современных высокоскоростных цифровых линий, кроме того, они подвержены временной деградации.

Типовой металлоксидный варистор и его вольтамперная характеристика

Рис. 8. Типовой металлоксидный варистор и его вольтамперная характеристика

Время срабатывания MOV определяет время разогрева, необходимое для достижения условия теплового равновесия. Важно не допускать воздействия на MOV недопустимых уровней временного перенапряжения (temporary over voltage, TOV). Нарушение этой характеристики может привести к увеличению тока утечки из-за появления некоторого остаточного сопротивления, нагружающего защищаемую линию вне события перенапряжения. Последствиями этого будет не только рост потерь, но и нагрев MOV и сокращение срока эксплуатации. Также это может привести к обрыву цепи защиты или короткому замыканию. Для предотвращения недопустимого перенапряжения MOV часто включают параллельно с газовыми разрядниками (но с индуктивной или резистивной развязкой), особенно в цепях молниезащиты. При нарушении условий эксплуатации MOV могут стать пожароопасными, поэтому если такой риск существует, то последовательно с варистором требуется включение плавких или самовосстанавливающихся предохранителей.

Многослойные варисторы

Кроме «классических» варисторов MOV, разработчикам доступны многослойные варисторы (Multi layer Varistor, MLV), например семейство защитных устройств от разрядов статического электричества ESD Chip Guard компании BOURNS (рис. 9) [10]. Этот тип варисторов отличают низкие токи утечки, которые делают устройства незаметными при нормальной работе.

Многослойный варистор — металлоксидный варистор серии ChipGuard компании BOURNS

Рис. 9. Многослойный варистор — металлоксидный варистор серии ChipGuard компании BOURNS

Варисторы, выполненные по этой технологии, имеют минимальную собственную индуктивность и собственную емкость. Например, варисторы в корпусе типоразмера 0402 имеют типовую емкость на частоте 1 МГц, равную 0,05 пФ. Время срабатывания таких варисторов не превышает 1 нс, что позволяет использовать их для защиты самых высоко-
скоростных цифровых линий по требованиям на уровне степени жесткости 4 (±8 кВ контактный разряд и ±15 кВ воздушный разряд по IEC 61000-4-2:2018) при крайне высокой плотности монтажа.

Гибридные варисторы

Кроме единичных, скажем так, самодостаточных устройств защиты, имеются и гибридные варианты варисторов. Так, инженерам компании BOURNS удалось соединить в одном устройстве положительные свойства газового разрядника и объемного варистора — GMOV [6], в котором они объединили инновационный компактный газовый разрядник с металлоксидным варистором (рис. 10).

Гибридный элемент для защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS

Рис. 10. Гибридный элемент для защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS

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, которые могут возникнуть в дискретных MOV в том случае, если они подвержены кратковременным скачкам напряжения, превышающим их максимальные номинальные значения, или более длительному по времени воздействию допустимого перенапряжения.

Газовый разрядник используется для изоляции MOV от напряжения в линии, поэтому последний срабатывает лишь по мере необходимости и защищает аппаратуру от переходных процессов и скачков временного перенапряжения, которые обычно со временем приводят к ее повреждению. Еще одним значительным преимуществом объединения этих технологий является то, что устройство GMOV обеспечивает сверхнизкий ток утечки, не превышающий 0,1 мкА, тем самым уменьшая энергетические потери, и не вносит в линию рассогласования импеданса. Что касается емкости, в этой последовательной конфигурации компоненты имеют емкостную связь, и с учетом малой собственной емкости газоразрядной трубки общая емкость такого гибридного варистора не превышает 4 пФ. В результате появляется более надежное защитное решение практически с нулевым энергопотреблением (током утечки) в режиме ожидания и гарантией целостности высокоскоростных сигналов.

На низких частотах ограничение напряжения компонента GMOV будет равно сумме ограничения напряжений его отдельных компонентов. 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 из-за его относительно низкой емкости по сравнению с MOV сначала появляется на газовом разряднике. Когда последний ионизируется, он заряжает емкость MOV, который начинает ограничивать напряжение и входить в зону проводимости. Когда варистор полностью перейдет в проводящее состояние, объединенное напряжение ограничения будет приблизительно равно напряжению ограничения MOV. Тем не менее даже при максимальной полной проводимости MOV величина его сопротивления будет вполне достаточной, чтобы ограничить ток газового разрядника, что позволяет отключать и сбрасывать GMOV в первоначальное высокоомное состояние. Процесс включения и удержания GMOV представлен на рис. 11.

Характеристика срабатывания GMOV

Рис. 11. Характеристика срабатывания GMOV

Кроме рассмотренного гибридного компонента, существуют и другие гибридные варианты MOV, например вариконы (не путать с варикондами), которые представляют собой гибрид MOV и конденсатора [9]. Такие компоненты выполняют функцию защиты от перенапряжения и подавления помех.

По аналогичному пути, но уже для шин Flex Ray, пошла компания TDK-EPCOS. Комбинация элемента для фильтрации электромагнитных помех и защиты от электростатического разряда для высокоскоростных шинных систем выполнена в виде согласованной по емкости варисторной сборки (Matched Capacitance Varistor Array, MCVA) [12]. В отличие от варикона она состоит из двух многослойных варисторов с общим основанием. При этом собственная емкость MCVA специально устанавливается на более высокие значения и с высокой точностью, что, учитывая технологию изготовления многослойных варисторов, сделать не так уж просто. Тем не менее в TDK-EPCOS эту проблему удалось решить.

 

Полимерные самовосстанавливающиеся предохранители

Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель (Resettablefuse, PolySwitch, Polyfuse и т. п.) в некоторой технической литературе и Интернете иногда представлен как термистор, что некорректно. В общем случае интересующие нас устройства представляют собой полимерный резистор с положительным температурным коэффициентом, отсюда и еще одно их название в виде аббревиатуры — PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient). Назначение этих устройств — защита оборудования от опасного повышения тока и, как следствие, защита от перегрева тех или иных его каскадов и выхода из строя их критических элементов.

Особенность PPTC отражена уже в самом названии устройства — «самовосстанавливающийся предохранитель». Именно эта восстанавливаемость после устранения неисправности или при отключении питания от схемы и является его фишкой. Предохранители данного типа изготовлены из композита в виде поликристаллического не проводящего ток полимера, смешанного с техническим углеродом, представляющим собой высокодисперсный аморфный продукт, для которого характерен фиксированный набор свойств. Принцип действия такого устройства показан на рис. 12.

Принцип действия самовосстанавливающегося полимерного предохранителя PolySwitch и схема его включения

Рис. 12. Принцип действия самовосстанавливающегося полимерного предохранителя PolySwitch и схема его включения

При нормальной температуре частицы углерода образуют в полимере цепи с низким сопротивлением R. Однако если из-за высокого проходящего через такой предохранитель тока I, согласно закону Джоуля — Ленца, в единицу времени t выделяется некое количество теплоты Q = I2Rt. Если в результате выделения теплоты температура композитной структуры предохранителя повышается выше температуры переключения, то кристаллиты в полимере плавятся и переходят в аморфное состояние. Увеличение объема во время плавления кристаллической фазы разделяет токопроводящие частицы, что приводит к значительному нелинейному, почти скачкообразному увеличению сопротивления устройства.

Предохранитель включается последовательно между источником напряжения и нагрузкой и при нормальной работе имеет сопротивление намного ниже, чем остальная часть цепи (нагрузка). В ответ на перегрузку по току сопротивление устройства увеличивается (оно «срабатывает»), снижая ток в цепи до значения, которое выбирают так, чтобы остаточный ток не вывел из строя элементы схемы и сам предохранитель.

С точки зрения физики работа PPTC основана на общем балансе энергии, причем не только на классическом I2R, а на общем энергетическом балансе, описываемом следующим уравнением [11], о чем некоторые разработчики порой забывают, а зря:

mCP(ΔT/Δt) = I2R U(T TA),

где I — ток, протекающий через PPTC; R — сопротивление PPTC; Δt — изменение во времени; m — масса PPTC; CP — теплоемкость PPTC; ΔT — изменение температуры PPTC; T — температура устройства; TA — температура окружающей среды; U — общий коэффициент теплопроводности.

В нормальных условиях эксплуатации тепло, выделяемое PPTC, и тепло, теряемое устройством в окружающую среду, находятся в равновесии при относительно низкой температуре, например, в точке 1 на рис. 12.

Если ток через PPTC увеличивается, а температура окружающей среды остается постоянной, тепло, выделяемое устройством, увеличивается и температура устройства также увеличивается. Однако если увеличение тока не слишком велико, все выделяемое тепло может быть потеряно в окружающей среде и устройство стабилизируется при более высокой температуре, такой как точка 2 на рис. 12. Эта точка также может быть достигнута комбинацией или увеличением тока и повышением температуры окружающей среды.

Дальнейшее увеличение тока, температуры окружающей среды или того и другого вместе приведет к тому, что устройство достигнет температуры, при которой его сопротивление резко увеличится, как показано в точке 3 на рис. 12.

Любое дальнейшее увеличение тока или температуры окружающей среды приведет к тому, что устройство будет выделять тепло быстрее, чем его рассеивать, что вызовет быстрый нагрев устройства. На этом этапе между точками 3 и 4 на рис. 12 происходит резкое увеличение сопротивления PPTC даже при очень небольшом изменении температуры. Это нормальная рабочая область для устройства в состоянии разрыва цепи. Такое изменение сопротивления вызывает соответствующее уменьшение тока, протекающего в цепи, и данное соотношение сохраняется до тех пор, пока сопротивление устройства не достигнет верхнего изгиба кривой — точки 4. Пока приложенное напряжение остается на этом уровне, устройство будет оставаться в отключенном состоянии.

Пока приложенное напряжение достаточно велико для результирующей мощности V2/R, достаточной, чтобы компенсировать потерю тепла U(TO TA), устройство останется в отключенном состоянии (то есть останется зафиксированным в защитном состоянии). Когда напряжение понижается до точки, при которой потеря тепла U(TO TA) больше не может поддерживаться, проводимость устройства восстанавливается.

Выбор устройства основан на требуемом токе удержания и срабатывания. На рис. 13 показана зависимость тока срабатывания и удержания PPTC от температуры.

Зависимость токов срабатывания и удержания PPTC от температуры

Рис. 13. Зависимость токов срабатывания и удержания PPTC от температуры

Область A описывает комбинации тока и температуры, при которых PPTC сработает (перейдет в состояние высокого сопротивления) и защитит цепь. Область Б описывает комбинации тока и температуры, при которых PPTC обеспечивает нормальную работу цепи. В области В устройство может отключиться или оставаться в состоянии низкого сопротивления (в зависимости от сопротивления конкретного устройства). Это же справедливо и в случае повышения температуры окружающей среды выше температуры срабатывания.

Поскольку устройства типа PPTC активируются термически, любое изменение температуры вокруг устройства повлияет на его производительность. По мере увеличения температуры среды вокруг устройства (учтите, что это не температура окружающей среды оборудования!) для его отключения требуется меньше энергии, и, следовательно, ток удержания уменьшается. Вот почему кривая ITRIP и кривая IHOLD имеют отрицательный наклон на рис. 13. Кривые температурного снижения характеристик и таблицы зависимости IHOLD от температуры прилагаются к каждому семейству продуктов.

При выборе PPTC необходимо учитывать, что их основными эксплуатационными характеристиками являются не только электрические и временные параметры, но и температурные зависимости. Соответственно, необходимо учитывать не только токи срабатывания и удержания, которые в большинстве случаев оказываются основными, но и температуру среды, а также ток утечки, максимальный ток, который устройство может выдержать без разрушения, максимальное напряжение при протекании максимального тока, мощность рассеивания при переходе в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.

Необходимо иметь в виду, что при восстановлении PPTC его сопротивление не принимает исходное значение, оно оказывается выше. Кроме того, его сопротивления до монтажа, после монтажа и после восстановления будут различаться. В документации приводится несколько различных параметров сопротивления — это минимальное начальное сопротивление в проводящем состоянии до монтажа на плату, максимальное сопротивление после одного часа восстановления при заданной температуре окружающего воздуха. Важной характеристикой является и время срабатывания, то есть время перехода в непроводящее состояние при протекании тока, которое имеет сильную зависимость от величины тока и температуры окружающей среды. Чем больше ток и температура, тем быстрее происходит переход. Полное восстановление PPTC может занять даже не десятки секунд, а часы (рис. 14).

Характеристика восстановления сопротивления предохранителя PPTC после срабатывания на примере устройства RXE025

Рис. 14. Характеристика восстановления сопротивления предохранителя PPTC после срабатывания на примере устройства RXE025

Как можно видеть, не все здесь так легко, как кажется, и использовать такие устройства, как PPTC, несмотря на их кажущуюся простоту, нужно с умом, но и отказываться от них не стоит — замены-то им нет. В чем-то PPTC по сравнению с плавкими предохранителями выигрывают (самовосстановление, нет проблем с заменой, можно организовать защиту на малых токах, удобство применения, в ряде случаев — габариты), в чем-то проигрывают (большие токи утечки, более высокое сопротивление, меньшее рабочее напряжение, сильная температурная зависимость, цена).

Для разработчиков доступны полимерные самовосстанавливающиеся предохранители самого различного исполнения с широким диапазоном токов срабатывания и удержания. В исполнении для поверхностного монтажа предохранители варьируются от типоразмера 0402 до 3425. Однако чаще выбор разработчиков склоняется в пользу устройств с выводами для монтажа в отверстия, которые предназначены для обеспечения максимальной токовой защиты для приложений, где свободное пространство не является проблемой, а предпочтительна именно устойчивая защита. Имеются также предохранители с тепловой связью, гарантирующие надежную защиту от перегрева того или иного компонента системы. Существуют предохранители, адаптированные к условиям быстрого заряда аккумулятора, к требованиям телекоммуникационного оборудования, предназначенные для защиты от кратковременных бросков тока или бросков высокого напряжения (перекрестные напряжения или импульсы мощности, порождающие недопустимые токи), которые обычно встречаются в телекоммуникационных и сетевых приложениях. Примеры конструктивного исполнения полимерных самовосстанавливающихся предохранителей приведены на рис. 15.

Примеры конструктивного исполнения полимерных самовосстанавливающихся предохранителейкомпании Littelfuse

Рис. 15. Примеры конструктивного исполнения полимерных самовосстанавливающихся предохранителей компании Littelfuse

 

Заключение

Такие компании, как, например, BOURNS, TDK-EPCOS, Littelfuse и TE Connectivity, широко известны своими инновационными продуктами и постоянно стремятся развивать каждое семейство компонентов защиты оборудования самого широкого профиля. Они предлагают элементы для защиты аппаратуры от повреждений, вызванных скачками напряжения, порожденными теми или иными причинами, например разрядами статического электричества, наводками от внешних источников или переходными процессами, в том числе при включении/выключении мощных индуктивных нагрузок. Новейшие продукты компаний представляют не только классические решения, но и новую интегрированную компонентную технологию высокой плотности в небольших размерах для высокоскоростных коммуникационных приложений.

Однако элементы сами по себе проблем защиты не решают. Ответственный разработчик должен учитывать все воздействующие на конкретное оборудование факторы и сопутствующие им риски, основываясь на которых, он осуществляет выбор схемы защиты и необходимых для ее должного функционирования компонентов. И последний совет: всегда тщательно проверяйте и испытывайте конечные решения. Более полная информация по описанным в статье компонентам, их выбору и примеры практического применения доступны по приведенным в статье ссылкам.

Литература
  1. Рентюк В. Что нужно знать об испытаниях на выполнение требований по ЭМС для изделий коммерческого назначения. Сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2018.
  2. Gas Discharge Tube Overview
  3. Разрядники
  4. High Power Semiconductor Crowbar Protector for AC Power Line Applications, 2020 Littelfuse Inc. www.m.littelfuse.com/~/media/electronics/application_notes/littelfuse_high_power_semiconductor_crowbar_protector_for_ac_power_line_application_note.pdf.pdf/ссылка утрачена/
  5. Рентюк В., Штрапенин Г. Стабилитроны от ONSemiconductor: простое решение сложных проблем // Компоненты и технологии. 2020. № 9.
  6. Рентюк В. Комбинированный варистор компании BOURNS — эффективное решение проблемы защиты оборудования. Сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2019.
  7. Рентюк В. Преимущества, особенности применения и проблема выбора кремниевых защитных элементов для высокоскоростных интерфейсов // Компоненты и технологии. 2017. № 10.
  8. Филлипс Т. Использование тиристоров SIDACtor компании Littelfuse для защиты оборудования на линиях электропитания напряжения переменного тока // Компоненты и технологии. 2021. № 4.
  9. Рентюк В. Варикон — симбиоз варистора и конденсатора: новое предложение от компании Bourns // Компоненты и технологии. 2020. № 11.
  10. Рентюк В. Элементы BOURNS для защиты от статического электричества и переходных процессов // Компоненты и технологии. 2019. № 6.
  11. Рентюк В., Плишкин С. Самовосстанавливающиеся предохранители PolySwitch от Littelfuse: простое и надежное решение сложных проблем // Силовая электроника. 2020. № 5.
  12. Рентюк В. Керамические ограничители бросков напряжения TDK-EPCOS для шин CAN и FlexRay // Компоненты и технологии. 2018. № 4.
  13. Gas Discharge Tubes — Technical Library.
  14. Денисов Д. Оборудование и методы проверки РЭА на устойчивость к электростатическим разрядам и элементы для ее защиты от их воздействия // Компоненты и технологии. 2021. № 3.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *