CC BY
47Компоненты и технологии, № 3'2003
Компоненты
Гибридное устройство фирмы EPCOS
для защиты электрооборудования от перенапряжения
Сочетание металлооксидного варистора и газоразрядника (гибридное защитное устройство) может выдерживать импульсные токи более 10 кА. Гибридное защитное устройство фирмы EPCOS значительно лучше по своим свойствам, чем обычные полупроводниковые защитные устройства.
Михаил Крюков
sales@dialelectrolux.ru
В течение длительного времени для защиты телекоммуникационного оборудования от перенапряжения в основном использовались металлооксидные варисторы. Однако технологические усовершенствования интегральных схем в интерфейсных цепях абонентских линий и их большая чувствительность к перенапряжению привели к замене варисторов на диодные тиристоры.
Газонаполненные разрядники, традиционно используемые для защиты электронного оборудования в США, обычно применяются совместно с воздушным зазором. Единственной функцией воздушного зазора является обеспечение резервного пути для импульсного тока в случае утечки газа из разрядника или другой неисправности газоразрядника. Стандартное расстояние между электродами, равное от 1 до 2 мм, обеспечивает напряжение пробоя воздушного зазора от 2000 до 3000 В, что связано с риском для обслуживающего персонала. Воздушный зазор с напряжением пробоя менее 1200 В применяется для понижения избыточного напряжения в случае неисправности газоразрядника.
Практика использования газоразрядников показала, что сами разрядники выходят из строя довольно редко, а воздушный зазор разрушается достаточно быстро. Исследование выявило, что при напряжении пробоя влажность в воздушном зазоре снижается. Поэтому нужно заменять воздушный зазор каким-либо другим альтернативным защитным устройством.
Испытания показали, что варистор не только удовлетворяет требованиям, предъявляемым к воздушному зазору, но и при правильном выборе даже улучшает работу газоразрядника путем понижения его предельного (ограничительного) напряжения и, соответственно, напряжения на защищаемом электронном оборудовании. Хотя разрядник может использоваться для ограничения возникающих от удара молнии бросков напряжения до 600 В и меньше, при импульсном напряжении от 1000 В/мкс рабочее напряжение разрядника также возрастает, что может привести к выходу из строя защищаемого электронного оборудования.
Новое гибридное защитное устройство (см. рис. 1) использовать выгоднее, потому что оно сочетает высокую устойчивость к импульсному току, свойственную разряднику, с низким напряжением и при этом выпускается в монолитном твердом корпусе. Базовая конструкция изделия осталась неизменной: газораз-рядник, два резервных устройства (металлооксидные
18
_ _ > .. Керамический
ЗажимающаяЧ Слои припоя М ИЗОЛяТор
пружина царИСТОр Электроды газоразрядника
Рис. 1. Вид гибридного защитного устройства в разрезе
варисторы), соединенные между собой пружиной, которая служит зажимом, удерживающим резервные устройства в заданном положении, и термомеханизм, например, паяльное кольцо (solder ring).
При правильном взаимодействии между конкурирующими компонентами (разрядником и варисторами) гибридное защитное устройство способно отлично выдерживать удары молнии и скачки напряжения в сети и может использоваться в различных частях света. Гибридные защитные устройства, разработанные фирмой EPCOS, в настоящее время поставляются как на европейский, так и на азиатский рынок и соответствуют всем стандартам качества.
Газоразрядник
Газонаполненный разрядник герметичен и устойчив к внешним электрическим воздействиям. В качестве газа в нем обычно используется смесь аргона и неона. Напряжение пробоя разрядника зависит от состава газа и его давления. Газоразрядники идеально подходят для разряда сверхвысоких импульсных токов (например, 10 кА, 8/20 мкс) и надежно защищают телекоммуникационное оборудование от перенапряжения. Благодаря их высокому сопротивлению изоляции и очень низкой собственной паразитной емкости (менее 2 пФ) газоразрядники не создают помех для работы защищаемого оборудования. Ключевым параметром разрядников является постоянное напряжение пробоя, определяющееся из номинального напряжения пробоя газа и обычно измеряющееся при 100 В/с.
-------www.finestreet.ru-------------------------
Компоненты и технологии, № 3'2003
Компоненты
700
„600
m
Г 500
® І 400
І І 300 і ?
200
« о
х о 100
макс имум
^миь имум
102 103
104 105 106 ю7 108
Время нарастания (с)
109 1Q10
Рис. 2. Реакция газоразрядника с напряжением 230 В
Зерна Тґ оксида
цинка
Микроваристор
V*
3,5 В
. Граница взаимодействия зерен
Рис. 3. Строение металлооксидного варистора
100 мкА
Однако если на разрядник действуют волны напряжения с большой скоростью нарастания, его импульсное напряжение пробоя превышает постоянное напряжение пробоя к концу времени ионизации газа. Импульсное напряжение пробоя разрядника является в этом динамическом ряду напряжением воспламенения. Например, стандартный разрядник с номинальным постоянным напряжением пробоя 230 В при 100 В/с может иметь напряжение воспламенения около 500 В при 1000 В/мкс и 600 В при 10000 В/мкс (рис. 2).
Металлооксидный варистор
Металлооксидный варистор (рис. 3) состоит из множества зерен оксида металла (например, цинка), помещенных в не проводящий ток материал. Сопротивление варистора сильно зависит от приложенного к нему напряжения: при увеличении напряжения ток через варистор начинает резко возрастать. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора показана на рис. 3 и 4. У зерен оксида цинка электрическая проводимость высокая. Под действием приложенного к варистору напряжения зерна начинают выстраиваться в «цепочки», при этом соприкасаясь между собой, вследствие чего сопротивление варистора резко снижается. Как правило, чем больше толщина диска варистора, тем большее напряжение на него можно подавать, а чем больше диаметр диска варистора, тем большие токи он способен выдерживать. Предельное напряжение варистора определяется его номинальным напряжением и устойчивостью к току. При высоком сопротивлении ток утечки варистора составляет несколько миллиампер. При низком сопротивлении через варистор может течь ток в несколько ампер, а в течение короткого времени — и килоампер.
Максимальное напряжение варистора для заданного тока на участке ВАХ выше напряжения срабатывания варистора может быть определено непосредственно по ВАХ варистора (рис. 4). При очень высоких токах работа
варистора зависит только от протекающего через него тока, так как сопротивлением границ зерен оксида цинка можно пренебречь. Таким образом, при увеличении тока максимальное (предельное) напряжение варистора также возрастает.
Металлооксидные варисторы могут выдерживать значительно большие импульсные токи, чем полупроводниковые диоды. У дискового варистора с диаметром 3 мм номинальный ток примерно равен 100 А при длительности фронта волны тока 8/20 мкс.
Гибридное защитное устройство EPCOS
Гибридное защитное устройство фирмы EPCOS сочетает высокую устойчивость к току, свойственную газоразряднику, с отличным быстродействием, характерным для варистора. Это обеспечивает надежную защиту современного чувствительного электронного оборудования от перенапряжения.
Гибридное защитное устройство имеет следующие преимущества:
• Обеспечивает защиту от больших бросков тока, возникающих вследствие ударов молнии.
• Быстродействие (мгновенная реакция на быстрые переходные процессы в электросети).
• Практически не создает помех для работы защищаемого электронного оборудования.
• Может использоваться для защиты сетей, предназначенных для высокоскоростной передачи информации.
• Имеет компактные размеры, занимает мало места.
• Есть встроенный защитный механизм от чрезмерной перегрузки по току. Взаимодействие газоразрядника с номинальным напряжением 230 В и варистора с номинальным напряжением 140 В при броске напряжения в сети показано на рис. 5. В течение первых нескольких микросекунд после появления импульса все напряжение прикладывается к варистору, но по мере того, как ток через варистор начинает расти, в соответствии с ВАХ на-
пряжение на нем также увеличивается. Разрядник срабатывает после того, как газ в нем ионизируется (обычно примерно через 4 мкс).
В отличие от тиристорного диода напряжение пробоя у гибридного защитного устройства медленно изменяется в зависимости от времени нарастания импульса напряжения. Гибридное защитное устройство может выдерживать переменные нагрузки значительно дольше, чем другие полупроводниковые защитные устройства. И полупроводниковые, и гибридные защитные устройства имеют схожие электрические свойства, но устойчивость к импульсному току у гибридного защитного устройства в 40 раз выше, а также оно имеет более высокую надежность.
Гибридное защитное устройство фирмы EPCOS, имеющее собственную емкость примерно 80 пФ на частоте 1 МГц, использовать предпочтительнее, чем большинство полупроводниковых защитных устройств. Способные выдерживать импульсные токи более 10000 А со временем нарастания импульса 8/20 мкс, гибридные защитные устройства являются надежным и недорогим оборудованием для защиты различного телекоммуникационного оборудования.
Заключение
• Гибридное защитное устройство, сочетающее свойства газоразрядника и металлооксидного варистора, улучшает защиту телекоммуникационного оборудования от перенапряжения.
• Гибридное защитное устройство эффективно защищает электронное оборудование от разряда молнии и имеет высокое быстродействие.
• Гибридное защитное устройство имеет компактные размеры и улучшенные по сравнению со стандартным газоразрядником свойства.
• Гибридное защитное устройство может выдерживать импульсный ток в 40 раз больший, чем тиристорный диод.
