CC BY
362
УДК 678
Элементы защиты электрических цепей от перенапряжений и сверхтоков
Трусов В.А., Гусев А.М.
Ключевые слова: элементы защиты, перегрузки по току, резисторы,
предохранители, самовосстанавливающиеся предохранители
Аннотация:
В статье приведена классификация элементов защиты цепей. Особое внимание уделено новейшим достижениям в области защиты цепей -самовосстанавливающимся предохранителям.
Protecting elements for electrical circuits from overvoltage and overcurrent
Keywords: elements of protection, over current, resistors, fuses, resettable fuse
Abstract:
The article describes the classification of elements of the protection circuits. Particular attention is paid to the latest advances in circuit protection - a resettable fuse.
Бурный прогресс, происходящий в последнее время в различных областях техники и особенно в электронике, кардинальным образом изменил представления о принципах построения современных электроприборов. Обычной стали аналоговая и цифровая техника с напряжением питания менее 1В, современные микропроцессоры со степенью интеграции, измеряемой десятками и сотнями миллионов транзисторов и, в конце концов, микросхемы запоминающих устройств со многими миллиардами транзисторов на кристалле.
Любой сложный электронный прибор не может обойтись без такой простейшей детали, как плавкий предохранитель, который является одним из распространенных устройств защиты от перегрузки по току. Его основным
недостатком является то, что после перегорания он должен быть заменен, что приводит к необходимости разборки устройства или размещения предохранителя в доступном месте. Чтобы этого избежать, производители электрооборудования используют для защиты электрических цепей следующие устройства:
1) плавкие предохранители;
2) биметаллические предохранители;
3) керамические резисторы с положительным коэффициентом сопротивления (ТКС)- позисторы;
4) электромагнитные реле;
5) электронные ключи.
На рисунке 1 приведена классификация элементов защиты. Защитные элементы разделяют на элементы ограничения тока и элементы ограничения напряжения.
Элементы ограничения тока необходимы для защиты оборудования от длительных токовых перегрузок, которые могут привести к возгоранию или повреждению термически чувствительных компонентов. Такие перегрузки могут возникнуть при непосредственном контакте с силовыми линиями или в результате длительной индукции от этих линий.
В качестве элементов ограничения тока применяются мощные резисторы, плавкие предохранители и позисторы, т.е. элементы с: положительным
температурным коэффициентом сопротивления.
Элементы защиты оборудования от перенапряжений и сверхтоков
1
Элементы ограничения тока Элементы ограничения напряжения
Мощные резисторы
Плавкие предохранители
Свмовосстанав-л и веющиеся предохранители
' ' 1 Г
Переключающиеся 1 1 Фиксирующие 1
| в ниэкоимпедансное [ уровень
состояние 1 1 напряжения
Газонаполненные разрядники ► Варисторы
Тиристоры TVS-диоды
Рисунок 1 - Классификация элементов защиты
Сопротивление резисторов должно быть довольно значительным, что не для всех линий приемлемо. Для сбалансированности линии резисторы должны иметь точность не хуже 1%. Высокоточные мощные резисторы имеют довольно большие габариты и стоимость. По этим причинам они применяются редко.
Плавкие предохранители имеют весьма малое сопротивление, но могут ложно срабатывать при мощных кратковременных токовых перегрузках и требуют замены после прекращения опасного воздействия.
Элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (РТС-устройства) являются самовосстанавливающимися, Они имеют низкое сопротивление в нормальном рабочем режиме (единицы Ом). При протекании тока, превышающего определенный порог, происходит резкое увеличение сопротивления РТС-устройства, и ток цепи ограничивается до безопасного уровня. В таком состоянии устройство находится до тех пор пока ток через РТС не уменьшится до величины ниже «тока удержания» (несколько сот миллиампера) После прекращения опасного воздействия сопротивление PTC-устройства возвращается к исходном значению, и нормальное функционирование оборудования восстанавливается.
Элементы ограничения напряжения предотвращают электрический пробой или повреждение компонентов, чувствительных к перенапряжению. Эти элементы могут быть двух типов: переключающимися в низкоимпедансное состояние (foldbac device) [ ] и фиксирующими напряжение на определенном уровне (clampin device)[]
Элементы первого типа имеет S-образную вольтамперную xapaктеристику. Когда напряжение достигнет порогового значения (напряжения открывания), элемент переключается в состояние с низким импедансом. При этом напряжение на защищаемой схеме не превышает 5...25 В, и почти весь ток отклоняется в защитное заземление. К элементам этого типа относятся газонаполненные разрядники и тиристоры.
Элементы второго типа ограничивают напряжение на заданном уровне При определенном напряжении элемент переходит в состояние с малым динамическим сопротивлением. Такие свойства имеют металлоокисные варисторы (MOV) и защитные TVS диоды.
Газонаполненные разрядники
Разрядник представляет собой стеклянный или керамический баллон, наполненный инертным газом, в который вмонтированы два или три электрода со специальным покрытием, облегчающим процесс ионизации газа.
При достижении напряжения лавинного пробоя газового промежутка сопротивление разрядника скачком изменяется от нескольких гигаом до величины менее 1 Ом. После прекращения воздействия перенапряжения разрядник возвращается в исходное высокоимпедансное состояние.
В зависимости от типа разрядники имеют следующие характеристики:
— импульсный ток (20 мкс) до 20 кА;
— типовое падение напряжение на разряднике после возникновения пробоя < 25В;
— сопротивление изоляции > 10 ГОм;
— емкость < 3 пФ.
Важной характеристикой разрядника является время его реакции на перенапряжение. В связи с тем, что время лавинного пробоя газа имеет конечную величину (примерно 0,5... 1 мкс), значение напряжения, при котором произойдет включение разрядника (т.е. переход его в низкоимпедансное состояние), зависит от скорости нарастания этого напряжения.
Это необходимо учитывать при проектировании устройств, которые будут подвергаться воздействию выбросов напряжения с крутыми фронтами. Например, если скорость нарастания напряжения равна 1000 В/мкс, то на разряд пике, рассчитанным на 90 В, к моменту его включения напряжение успеет возрасти примерно до 400 В. Этот короткий, но мощный импульс поступит далее на защищаемое разрядником устройство и может по вредить его.
К достоинствам разрядников относится их способность поглотить большие порции энергии, а недостатком ограниченный ресурс, что связано с деградацией электродов (окисление) и инертного газа при протекании сверхтоков. При этом увеличивается сопротивление разрядного промежутка и растет напряжение пробоя, а также уменьшается токовая перегрузочная способность.
Тиристоры
Тиристоры полупроводниковые элементы с уникальными свойствами, благодаря которым они являются идеальными элементами защиты оборудования от импульсных перенапряжений.
Тиристоры относятся к типу так называемых «практически мгновенных» устройств. Время реакции тиристорных элементов защиты составляет единицы наносекунд.
Преимущества использования тиристоров для защиты от перенапряжения состоят в том, что они обеспечивают защиту независимо от величины тока и скорости нарастания напряжения (dU/dt).
У тиристорных элементов защиты следующее достоинства:
— тиристор не может быть поврежден высоким напряжением;
— вследствие малого падения напряжения на тиристоре во включенном состоянии рассеиваемая им мощность меньше, чем на элементах, фиксирующих заданный уровень напряжения (варисторы, TVS- диоды);
— отсутствует деградация параметров при воздействии импульсных токовых перегрузок, не выходящих за допустимые пределы;
— исключены выбросы напряжения, превышающие напряжение открывания, независимо от скорости нарастания напряжения;
— небольшая емкость, что позволяет применять тиристоры для защиты высокоскоростного оборудования;
— широкий диапазон рабочих напряжений (25 В и выше).
Современные тиристорные элементы защиты выпускаются в самом разнообразном конструктивном исполнении, с широким диапазоном рабочих напряжений и импульсных токов перегрузки.
Варисторы
Варисторы являются резистивными элементами, сопротивление которых меняется в зависимости от приложенного напряжения. Они имеют симметричную вольтамперную характеристику, похожую па характеристику симметричного стабилитрона.
Время реакции металлооксидных варисторов составляет не более 25 пс (для исполнения SMD порядка 1 нс).
Для защиты от перенапряжения варистор подключается параллельно защищаемому устройству. При превышении напряжением значения Vv динамическое сопротивление варистора резко уменьшается, и дальнейшее повышение напряжения происходит довольно медленно.
Варисторы обладают следующими достоинствами:
— быстрая реакция на перенапряжение, исключающая выбросы;
— широкий диапазон градаций напряжений и токов;
— большие допустимые токи перегрузки — 1000 А и более;
— сравнительно низкие цены;
и следующими недостатками:
— значительный рост фиксируемого варистором напряжения Vcmax при увеличении тока. Пиковое значение фиксируемого варистором напряжения V,. в два раза больше номинального;
— деградация параметров по мере воздействия перегрузок по току и напряжению;
— высокое значение емкости (сотни пФ).
TVS-диоды
TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor) — это твердотельные приборы, специально разработанные для защиты полупроводниковых устройств от повреждения в результате воздействия перенапряжения.
TVS-диод является элементом, фиксирующим заданный уровень напряжения Vc на защищаемом устройстве. В процессе нормального функционирования аппаратуры TVS- диод находится в высокоимпедансном состоянии и имеет незначительный ток утечки (не более 25 мкА). В случае превышения рабочего напряжения происходит лавинный пробой диода, и он переходит в состояние с низким динамическим сопротивлением, отводя почти весь импульсный ток перегрузки от защищаемого устройства.
Следующие характеристики TVS- диодов делают их идеальными элементами для защиты полупроводникового оборудования:
— время реакции на перенапряжение порядка нескольких наносекунд. (зависит от конструктивного исполнения);
— способность работать с импульсными токами до сотен ампер и импульсными мощностями свыше 1000 Вт;
— широкий спектр значений фиксируемого напряжения (2,8 - 400 В);
— низкая емкость (не более 50 пФ);
— отсутствие деградации параметров при токовых перегрузках в допустимых пределах.
Для защиты высокоскоростных устройств последовательно с TVS-диодами допускается включение специальных диодов, имеющих малую емкость. При этом суммарная емкость может составлять величину 20 пФ и менее (например, для диодов MUR1100E).
Плавкие предохранители
Плавкие предохранители относятся к классу устройств ограничения тока. Их главной задачей является защита оборудования от повреждения при протекании повышенных токов. Такие токи могут возникнуть при непосредственном контакте проводов линии связи с силовыми линиями электропитания при аварии или в результате длительного воздействия индукции от мощных силовых линий, расположенных вблизи участка линейного кабеля.
Второй задачей предохранителей является защита от тех же факторов самих защитных элементов ограничения напряжения.
Предохранители не должны реагировать на кратковременные токовые перегрузки, возникающие в результате индукции от грозовых разрядов, а также при кратковременной индукции от мощных силовых линий. Задача борьбы с таким типом перегрузок возлагается на защитные элементы ограничения напряжения.
Недостатком обычных плавких предохранителей является возможность их ложного срабатывания при кратковременных токовых перегрузках.
Достоинством плавких предохранителей является их малое сопротивление, поэтому они не вносят ослабления сигнала и не нарушают баланса линии. Однако плавкие предохранители имеют и ряд недостатков.
После срабатывания предохранитель требует замены, а при малых перегрузках время реакции предохранителей сильно возрастает. Эта задержка срабатывания может привести к перегреву и повреждению расположенных далее защитных элементов ограничения напряжения. По этой причине необходим тщательный подбор их параметров.
Самовосстанавливающиеся предохранители
Последнее время все большее внимание разработчиков электронной аппаратуры привлекают самовосстанавливающиеся предохранители (СВП) на основе проводящих полимерных материалов.
Самовосстанавливающиеся предохранители - это резисторы с положительным ТКС, выдерживающие до 3000 переключений без замены, основу которых составляет проводящая полимерная композиция на основе полиолефинов и сополимеров с интеркалированными в нее (от 20 до 45 % ) углеродными наночастицами.
Проводимость такого материала при обычной температуре имеет перколяционный характер и определяется свойствами проводящего углеродного кластера и проводящих цепочек, распределенных между цепями кристаллического полимера. При повышении значения тока выше порогового температура материала
возрастает до 120 ^ 125 °С, что приводит к фазовому переходу полимера. В результате плавления кристаллических частиц полимера объем полимерного материала возрастает (для материалов с положительным ТКС), что вызывает разрыв проводящих цепей и резкое ( до 6 порядков) увеличение сопротивления элемента («позисторный эффект»), что равносильно размыканию цепи.
В момент снятия приложенного напряжения СВП автоматически переключается в исходное низкоомное состояние (самовосстанавливается). Значение
сопротивления предохранителя в проводящем состоянии составляет доли Ома. Время срабатывания зависит от тока нагрузки и составляет от 0.1 до 15 с, причем, чем больше ток, тем быстрее срабатывает предохранитель. Еще одно преимущество полимерных предохранителей заключается в том, что они стойки к ударным нагрузкам и вибрации и обладают малыми массогабаритными показателями [2].
Такие предохранители используются для защиты электрических цепей персональных компьютеров, трансформаторов, электромоторов, аккумуляторных батарей, звуковоспроизводящей аппаратуры, медицинского оборудования и
автомобильных электроприводов [4-6].
Основные области применения самовосстанавливающихся предохранителей
- аккумуляторные батареи (для мобильных телефонов, ноутбуков и др. портативной электроники) - защита оборудования и пользователей от перезарядки и короткого замыкания с помощью самовосстанавливающихся предохранителей;
- компьютеры, периферийные устройства - защита от внутренних и внешних перегрузок по току;
- автоэлектроника (электродвигатели, активаторы, монтажные блоки, проводка и т.д.);
- для защиты такого оборудования, как трансформаторы, сигнализация, громкоговорители, контрольно-измерительная аппаратура, спутниковое телевидение и многое другое;
- импульсные источники питания, блоки питания радиостанций, телефонов и автоответчиков;
- зарядные устройства для сотовых телефонов;
- устройства управления в бытовой технике (стиральные машины, кондиционеры и т.д.);
- осветительные реостаты и дроссели ламп дневного света.
Разрядники в корпусах диаметром 5, 6 и 8 мм выпускаются с диапазоном
напряжений разряда от 75 до 420 В и рассчитаны на импульсный ток до 10 кА. Высота корпуса не превышает 8.2 мм. Газонаполненные разрядники предназначены для защиты от перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов и электромагнитных импульсов, электронного малогабаритного оборудования с высокой плотностью монтажа.
Новые элементы защиты по напряжению работают в диапазоне напряжений от 6 до 400 В, их собственная емкость не превышает 12 пФ, максимальный поток утечки не более 2 мкА, минимальный ток удержания 150 мА.
Элементы SiBar можно использовать совместно с самовосстанавливающимися предохранителями для создания комплексной защиты по току и напряжению оборудования электросвязи. Надлежащий подбор обоих элементов обеспечит надежную самовосстанавливающуюся защиту от перенапряжений и опасных токов, позволяя проектировщикам обеспечить соответствие мировым стандартам и снижение затрат на обслуживание оборудования и гарантийные издержки.
Низкая емкость (12 пФ) новых элементов SiBar™ существенно расширяет частотный диапазон для элементов защиты по напряжению, делая их пригодными для систем передачи информации с высокими скоростями (ADSL/VDSL модемы, Ethernet и Power-over-Ethernet связное оборудование).
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств контроля дисперсности микро- и нанопорошков и суспензий» (ГК № 02.740.11.0785) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России (2009-2013 гг.)»
Список использованных источников
1. Каминская Т.П., Недорезов В.Г. Самовосстанавливающиеся предохранители на фазовом переходе / Каминская Т.П., Недорезов В.Г // Труды международного симпозиума «Надежность и качество-2006», Пенза, 2006 г.
2. Недорезов В.Г., Подшибякин С.В., Каминская Т.П., Сабаев А.А., Кичигина И.Н. Материалы Международной научно-технической конференции «Материалы, изделия и технологии пассивной электроники» / Недорезов В.Г., Подшибякин С.В., Каминская Т.П., Сабаев А. А., Кичигина И.Н // Пенза, 2007 г.
3. В. Ткачев «Самовосстанавливающиеся предохранители Multifuse производства фирмы «Bourns», «Интернет-магазин», сайт center. ru.
4. Интернет статья «Устройства защиты цепей питания, производства фирмы Raychem», сайт www.fese.ru.
5. К. Курышев «Полимерные предохранители Poly Switch - надежный способ обратимой защиты электрических цепей от повреждений» / К. Курышев «Компоненты и технологии».-2001.- Вып. 2
6. Интернет статья «Новости Raychem Circuit Protection», сайт
www.circuitprotection.ru.
