Elettracompany.com

Компьютерный справочник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Защитные диоды супрессоры

Защитные диоды TRANSIL и TVS

Окружающая среда, в которой мы живем, загрязнена огромным количеством помех, значительную часть которых создают так называемые переходные процессы. Данные процессы возникают при отключении емкостной или индуктивной нагрузки.

В особенности большие перенапряжения опасны для электронных компонентов. Для подавления таких перенапряжений были разработаны компоненты типа TRANSIL и TVS – защитные диоды, называемые «супрессорами».

Первое производство таких защитных диодов было организованно в 60е годы, на ирландском заводе GSI. Вскоре подобные диоды начала выпускать фирма SGS-Thomson под торговой маркой TRANSIL и TRISL.

В настоящее время электротехнический гигант GENERAL INSTRUMENT(GI) изготавливает диоды GSI. Защитные диоды производства фирмы GI имеют обозначение TVS — Transient Voltage Supressor ( подавитель напряжений переходных процессов). TVS и TRANSIL — это различные коммерческие названия одних и тех же диодов.

Диоды изготавливаются в однонаправленном и в двунаправленном исполнениях. На рис.1 схематически изображены симметричные и несимметричные диоды TRANSIL.

Рис.1. Обозначение симметричных (VD1, VD2) и несимметричного(VD3) диодов.

Однонаправленное исполнение (несимметричные супрессоры) применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, таким образом диоды TRANSIL данного типа включаются в контур с учетом полярности.

Несимметричные супрессоры используются в сети питания постоянным током. Двунаправленные диоды TRANSIL (симметричные диоды) предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей и используются в сети питания переменного тока и всегда включаются параллельно защищаемому оборудованию.

Такой супрессор может быть составлен из двух однонаправленных диодов TRANSIL путем их встречно-последовательного включения.

Если сравнивать с варисторами, используемыми также для подавления перенапряжений, данные диоды являются более быстродействующими. Время срабатывания супрессоров составляет несколько пикосекунд.

К недостаткам диодов данного типа следует отнести зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно защитные диоды супрессоры используются при таком режиме работы, когда на вход подаются импульсы с минимальным временем нарастания (около 10 мкс) и небольшой длительности.

Основные параметры диодов TRANSIL :

Vrm — постоянное обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) — максимальное рабочее напряжение, при котором диод открывается и отводит токовый импульс на «землю», не вызывая выхода защищаемого компонента из строя.
Vbr – напряжение пробоя (Break-down Voltage) — напряжение при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость увеличения тока превышает скорость увеличения напряжения. Величина напряжения обычно укказывается для температуры 25° C, температурный коэффициент положительный, допустимые отклонения в пределах 5% либо в интервале от — 5 до +10 %.
Vcl — напряжение фиксации (Clamping Voltage) — максимальное напряжение для так называемого «нормализованного» максимального импульса пикового тока Ipp.

Ipp — пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме.
Vf — прямое напряжение ( Forward Voltage) — напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В.
If — прямой ток ( Forward Current) — максимальный пиковый ток в прямом направлении.

Принцип работы супрессора:

Супрессоры имеют нелинейную вольтамперную характеристику. При превышении амплитуды электрического импульса максимального напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя.

При поступлении на вход электрического импульса, диод ограничивает данный импульс напряжения до допустимой величины, а “излишки” энергии отводятся через диод на «землю». Более наглядно процесс выглядит на рисунке 2.

Рис.2. Принцип работы защитного диода.

На практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя в работе минимально.

На случай, если ожидается появление больших перенапряжений в следствии малого импеданса, в цепь рекомендуется включить предохранитель.

Супрессоры характеризуются хорошим быстродействием, то есть время срабатывания данных диодов мало, что является одной из главных причин их широкого использования.

На рисунке 3 представлены схемы включения диодов TRANSIL с предохранителем.

Рис.3. Схемы включения защитных диодов с предохранителем (а — симметричного. б — несимметричного).

Применение:

Супрессоры специально предназначены для защиты от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защиты мощных транзисторов и тиристоров и т д.

Широко применяются такие диоды в импульсных источниках питания. Диоды TRANSIL удобно использовать как для защиты биполярных так и МОП-транзисторов. Супрессоры можно использовать для защиты как управляющего электрода МОП-транзисторов, так и для защиты самого p-n перехода.

При этом стоит всегда учитывать характер импульсов перенапряжения — однократные или периодические.

ExpoElectronica 2020. 23-я международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих

Минпромторг РФ представил стратегию развития микроэлектроники до 2030 года.

Изменения в ФЗ «Об обеспечении единства измерений»

ЭкспоЭлектроника 2019 — 22-я международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих

Международная выставка Electronica 2018 прошла с 13 по 16 ноября в Мюнхене (Германия)

Конференция «Испытания ЭКБ. Возможности и проблемы»

Супрессор

Обозначение, параметры и применение защитных диодов

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды Шоттки, диоды Ганна, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (Transient Voltage Suppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и среди радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

TVS-диоды были созданы в 1968 году в США для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придаётся защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

Очень часто возникают броски напряжения и на силовых трансформаторных подстанциях. В таких случаях бытовая техника выходит из строя сотнями. Поскольку на промышленных предприятиях комплексная защита имеется, а жилые дома в этом случае совершенно не защищены.

По некоторым данным потери связанные с выходом из строя и последующим ремонтом всей электронной аппаратуры в США составляют около $12 млрд. в год. Специалисты посчитали, что и в нашей стране потери соответствуют этой сумме.

Для защиты аппаратуры от воздействия электрических перенапряжений и был разработан класс полупроводниковых приборов называемых TVS-диоды или “супрессоры”. Иногда в разговоре можно услышать: диодный предохранитель.

Обозначение на схеме.

На принципиальных схемах супрессор (ака защитный диод) обозначается так (VD1, VD2 — симметричные; VD3 — однонаправленные).

Принцип работы супрессора (защитного диода).

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод. Более наглядно процесс выглядит на рисунке.

До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибора более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричные только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наносится вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из «фишек» защитных диодов.

Читать еще:  Https learn vships com index php

Основные электрические параметры супрессоров.

U проб. (В) – значение напряжения пробоя. В зарубежной технической документации этот параметр обозначается как VBR (Breakdown Voltage). Это значение напряжения, при котором диод резко открывается и отводит опасный импульс тока на общий провод («на землю»).

I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение – IR (Max. Reverse Leakage Current). Так же может обозначаться как IRM.

U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре VRWM (Working Peak Reverse Voltage). Может обозначаться как VRM.

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как VCL или VCMax. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage.

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как IPP (Max. Peak Pulse Current). Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения. Для мощных супрессоров это значение может достигать нескольких сотен ампер!

P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор. Напомним, что слово супрессор произошло от английского слова Suppressor, что в переводе означает «подавитель». Зарубежное название параметра Peak Pulse Power (PPP).

Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (VCL) и I огр. мах. (IPP).

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.


ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора)


ВАХ двунаправленного супрессора

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.

Например, при длительности импульса 50 микросекунд диод типа SMBJ 12A выдерживает импульсный ток, превышающий номинальный почти в четыре раза.

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 (С)A. Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

Размеры указаны в дюймах и миллиметрах (в скобках). Несимметричные супрессоры имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо, которое расположено ближе к катодному выводу.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Диоды TRANSIL TM фирмы THOMSON широко используются для защиты автомобильной электроники от перенапряжений. Самым сильным источником электрических импульсов является система зажигания. Для защиты автомобильного музыкального центра достаточно одного диода TRANSIL TM .

Двунаправленные диоды TRANSIL TM 1.5КЕ440СА с успехом применяются для защиты бытовой электронной аппаратуры в сетях 220 вольт. Их применение наиболее эффективно для защиты объектов, которые подключены к воздушным линиям. В этом случае будет защита и от атмосферных электрических импульсов и от импульсных перенапряжений по цепям питания.

Защитный диод (супрессор): принцип работы, как проверить TVS-диод.

Защитный диод — гость нашего обзора полупроводников.

Мощность помех, влияющих на уровень напряжения в приборе, может быть различна. Для противостояния высокоэнергетическим импульсам возможно применение газовых разрядников и защитных тиристоров. Чтобы обезопаситься от средне- и маломощных воздействий больше подойдут защитные диоды и варисторы.

Защитный диод , наиболее часто выполняемый из кремния, может носить название:

  • Супрессора;
  • Ограничительного стабилитрона;
  • Диодный предохранитель;
  • TVS-диода;
  • Трансила;
  • Полупроводникового ограничителя напряжений (ПОН) и т.д.

Зачастую супрессор становится одной из составных частей импульсного питающего блока, поскольку в случае неисправности блока супрессор может защитить его от перенапряжения. Изначально защитный диод был создан в качестве страховки от атмосферных электрических воздействий на приборы.

Существует несколько сфер современного применения ограничительных стабилитронов:

  • Защита наземных приборов от воздействия природных явлений (удары молний);
  • Защита авиатехники;
  • Страховка от воздействия импульсов электрической природы при неисправности питающего блока.[/google_font]

Принципы действия

Защитный диод обладает специфической ВА характеристикой, отличающейся нелинейностью. При условии, что размер амплитуды импульса окажется больше допустимого, то это повлечёт за собой так называемый «лавинный пробой». Иными словами, размер амплитуды будет нормирован, а все излишки будут выведены из сети через защитный диод.

Рис 1 Защитный диод- принцип работы полупроводника

Принцип работы TVS-диода предполагает, что до момента возникновения опасности диодный предохранитель никоим образом не оказывает влияние на сам прибор и его функциональные свойства. Таким образом, необходимо отметить, что выявляется ещё одно название для защитного диода — лавинный диод.

Существует два типа ограничительных стабилитронов:

Защитный диод, двунаправленный приспособленный для работы в сетях с переменным током.

Применимы только для сетей с постоянным током, поскольку имеют однонаправленный рабочий режим. Способ подключения несимметричного защитного диода не соответствует стандартному. Его анод соединяется с минусовой шиной, а катод — с плюсовой. Положение получается условно перевёрнутым.

Кодировка защитных диодов, относящихся к симметричным, включает в себя литеры » С » или » СА «. У несимметричных диодных предохранителей имеется цветная маркировка в виде полосы на стороне катодного вывода.

Корпус каждого защитного диода также снабжён маркировочным кодом, в сжатом виде отображающим все значимые параметры.

Если входной уровень напряжения у диода увеличится, то стабилитрон в течение очень краткого временного отрезка уменьшит показатель внутреннего сопротивления. Сила тока в этот момент, напротив, возрастёт, а предохранитель перегорит. Поскольку действует защитный диод практически моментально, целостность основной схемы не нарушается. На деле, быстрая реакция на переизбыток напряжения является самым главным достоинством TVS-диода .

Значимые характеристики защитных диодов

  • Uпроб . (пробоя)

Значение напряжения, при котором происходит открытие диода и уведение потенциала к общему проводу. Дополнительное синонимичное обозначение — VBR.

Максимальный обратный ток утечки. Имеет маленькое значение, измеряемое в микроамперах, и функциональность устройства от него практически не зависит. Дополнительное обозначение — IR.

Значение является показателем постоянного обратного напряжения. VRWM.

Наибольшее значение по импульсному напряжению ограничения. VCL, VCmax.

Наибольшее значение пикового импульсного тока. Иначе это показатель наибольшей силы безопасного для защитного диода токового импульса. Для наиболее действенных ограничительных стабилитронов данное значение может составлять сотни ампер. IPP.

Показатель наибольшего значения допустимой импульсной мощности. К сожалению данный параметр крайне зависим от длительности импульса.

Рис 2 ВА характеристики защитного диода

Уровень мощности у защитных диодов неодинаков. Тем не менее, если исходных данных по этому параметру у супрессора недостаточно, его спокойно можно скомбинировать ещё с одним или несколькими полупроводниками, что положительно скажется на общем уровне мощности.

TVS-диод может выполнять функцию стабилитрона. Но прежде необходимо проверить его максимально рассеиваемую мощность и динамический ток при Imax. и Imin.

Проверка целостности защитного диода

Проверка на целостность защитного, как и выпрямительного (в том числе силового), диода осуществляется мультиметром (как вариант, можно применить омметр). Использовать прибор с этой целью можно только в режиме прозвонки.

Рис 3 Проверка защитного диода

Когда мультиметр готов, необходимо щупами соединить его с выводами супрессора (положительный-красный с анодом, отрицательный-чёрный с катодом). Когда это будет сделано, на дисплее тестирующего устройства высветится число обозначающее пороговое напряжение проверяемого диодного предохранителя. При смене полярности подключения должна высветиться бесконечная величина сопротивления. Если всё так и вышло, то элемент исправен.

Читать еще:  Php ldap bind

В случае выявления утечки во время смены полюсов, можно говорить о дисфункциональности элемента и необходимости его замены. Аналогично можно проверить защитный диод автомобильного генератора.

Основные качества TVS-диодов

  • Способность стабильно функционировать в условиях обратного напряжения;
  • Обратные токи должны быть на самом деле минимальны, чтобы никак не влиять на функциональность прибора в целом.
  • Скорость реакции на быстрое критическое воздействие должна находиться на минимально возможном уровне.
  • Максимально возможный показатель по уровню рассеиваемой мощности.

Но, в качестве итога, необходимо признать, что выполнение одного условия зачастую влечёт за собой нарушение другого.

Помимо этого, TVS-диод в принципе нельзя отнести к числу идеальных защитных ограничителей. Так, например, защитные диоды супрессоры в положении «выключено» можно характеризовать достаточно большими обратными токами. Далее, вызывает неодобрение резкость при смене режимов. Наибольшей же проблемой считается то, что в ограничивающем режиме уровень напряжения находится в прямой зависимости от силы тока.

Необходимо помнить, что все даваемые производителем характеристики диода являются таковыми только в конкретных температурных условиях. При более высоких температурах допустимая пиковая мощность и токи уменьшатся.

Впрочем, несмотря даже на такие недостатки, диодные предохранители всё-таки оказываются лучше приборов, устройств и элементов с аналогичным назначением .

Области применения защитных диодов

Существуют несколько направлений, в которых может применяться супрессор:

  • Силовая электроника (источник питания с постоянным напряжением, драйвер электродвигателя, инвентор и т.д.);
  • Телекоммуникации;
  • Схемы управления (сохранность входов и выходов операционного усилителя, транзисторных затворов, входных и выходных линий и т.д.);
  • Цифровой интерфейс.

Как правильно подобрать защитный диод?

Применение следующих правил поможет избежать проблем с покупкой защитного диода. Чтобы не ошибиться в выборе, необходимо:

  • Определиться с типом напряжения (будет оно переменным или постоянным?);
  • TVS потребуется одно- или двунаправленный;
  • Узнать каков уровень номинального напряжения на линии, которую надо будет защищать;
  • Осведомиться о максимальном значении Iогр. и Uогр.max. в условиях нагрузки;
  • Выявить верхнюю и нижнюю температурную границу, при которой будет работать прибор;
  • Решить, каким образом будет монтироваться элемент (поверхностно/с помощью отверстий);
  • С опорой на все выявленные данные необходимо определиться с подходящей серией и оптимальным вариантом диода.

Кроме того, нужно учесть:

  • Насколько велико обратное напряжение диода (оно должно превышать номинальное напряжение схемы, если данный момент не учитывается, то диод будет «включаться» даже не имея на то причин);
  • Уровень Uогр. обязан быть меньше Umax. на линии, которую требуется защищать;
  • Что даже если диод выбран в соответствии со всеми нуждами, его действие всё равно нужно проверить во всём необходимом температурном диапазоне;
  • Удостовериться в том, что размеры диода и прочие нюансы позволяют его адекватный монтаж.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Защитные диоды супрессоры

Другое название TVS-диод. Основное назначение — гасить высоковольные импульсные помехи. У нас они назывались ограничителями напряжения или ограничительными диодами.

Наш КР228А (аналог 1N5349B) нормируется и как супрессор, и как стабилитрон.

Да, Боб, это они. Только насчёт КС801 не уверен — у меня на него данных нет. Расширю список по нашим:

серия КС

418, 511, 529, 532, 533, 541, 542, 606, 607, 609, 804, 806, 901, 903, 904

_________________
Память очень интересная штука: бывает так, что запомнишь одно, а вспомнишь другое.

15 апреля приглашаем на вебинар, который будет интересен разработчикам и инженерам-схемотехникам, интересующимся тенденциями рынка, новыми перспективными решениями для соединений «провод-провод», «провод-плата», «плата-плата». Для инженеров КИПиА и IT будут освещены уникальные решения Molex для «удлинения» интерфейсов HDMI, DisplayPort и USB даже в условиях сильного зашумления, а также семейство бесконтактных датчиков Contrinex. Помимо этого, будет уделено внимание дальнейшему развитию направления антенн, где Molex имеет ряд интересных и уникальных решений.

Спасибо, мышонок.

801 из них же. Пробивное напряжение — 33 В тип., импульсный обратный ток — 104 А с теплообводом.

Компактные источники питания Mornsun изготавливаются как в виде миниатюрных открытых печатных плат (семейство LS с мощностью 1…15 Вт; семейство LO мощностью 3…65 Вт), устанавливаемых на основную плату устройства, так и в виде корпусированных модулей с повышенным уровнем защиты и надежности (семейства LD/LH мощностью 2…60 Вт).

Благодарю, Боб! Буду знать

В журнале : «Компоненты и технологии» было несколько статей по TVS-диодам, например №1,2-2001.

_________________
Память очень интересная штука: бывает так, что запомнишь одно, а вспомнишь другое.

Ещё раз возвращаю к моему вопросу: функция аналогична динистору? Т. е. при достижении определённого пробойного напряжения, наш супрессор отпирается подобно тиристору/динистору/симистору?

И пожалуйста просветите относительно характеристик — насколько велика скорость срабатывания и запирания?

_________________
Память очень интересная штука: бывает так, что запомнишь одно, а вспомнишь другое.

Это где вы заметили? Ааа, так у вас просто похоже неправильный перевод с анлийского.
Я снимал характеристики некоторых TVS.
«Breakdown voltage» немного скачет в зависимости от партии, но больше он зависит от тока. В частности попавшие мне 1.5КЕ6.8А имели ток при 6.3в 0.1ма, при 6.8в 1ма, при 7.15в 100ма, при 7.45в 200ма. Также в характеристике (DataSheet) указывается максимальный ток (и напряжение при этом токе на диоде — например тот что я испытывывал — в datasheet написано 139а и 10.8в).

А при уменьшении тока и напряжение сразу (без скачков) уменьшается.

Дешевые варисторы или дорогие TVS­-диоды?

Введение

Для защиты электронной аппаратуры от импульсных перенапряжений нашли широкое применение различные виды элементов с нелинейной вольт­амперной характеристикой, уменьшающие свое сопротивление под действием приложенного импульса напряжения. Наибольшее распространение получили три вида подобных элементов: газовые разрядники, варисторы и так называемые супрессоры (Transient Voltage Suppressor — TVS), выполненные на основе лавинных диодов и поэтому часто называемые «TVS­-диоды». Газовые разрядники имеют относительно большое время реакции на приложенный импульс напряжения, и, кроме того, их напряжение пробоя очень сильно увеличивается с повышением скорости нарастания переднего фронта импульса. Поэтому они применяются очень ограниченно. Значительно чаще используются оксидно­цинковые варисторы и TVS­-диоды, свободные от этих недостатков газовых разрядников. Преимущество варисторов и TVS-­диодов становится особенно актуальным при необходимости обеспечения защиты от мощных импульсов перенапряжения наносекундного диапазона. Такой импульс возникает на входах и выходах электронной аппаратуры под воздействием высотного ядерного взрыва. Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) с параметрами 2/25 нс создает у поверхности земли напряженность электрического поля, доходящую до 50 кВ/м, а многочисленные кабели, подключенные к электронной аппаратуре промышленного назначения, абсорбируют электромагнитную энергию с большой площади и доставляют ее прямо на входы чувствительной электронной аппаратуры. Амплитуда импульса, возникающего на входах этой аппаратуры, значительно превышает амплитуду обычных коммутационных и атмосферных перенапряжений, защита от которых предусмотрена в аппаратуре. Вот почему для обеспечения надежной защиты от ЭМИ ЯВ требуются дополнительные внешние средства защиты, которыми могут быть варисторы и TVS­-диоды.

Однако мощные TVS­-диоды не дешевые элементы. Их стоимость доходит до $100–150 и более за штуку, тогда как варисторы той же мощности примерно в 80–100 раз дешевле. Когда речь идет о включении дополнительных защитных элементов параллельно каждому входу и выходу электронной аппаратуры с десятками входов и выходов, например такой, как микропроцессорные реле защиты в электроэнергетике, становится понятной актуальность вопроса, вынесенного в заголовок статьи. Если дешевые варисторы справляются с проблемой не хуже, чем значительно более дорогие TVS­-диоды, понятно, что преимущество должно быть отдано именно им. Вопрос лишь в том, а действительно ли они справляются с проблемой не хуже, чем TVS­-диоды?

Читать еще:  Защита баз данных способы защиты

Варисторы против TVS-­диодов

Если попробовать проанализировать публикации в технической литературе, содержащие сравнительную оценку способности варисторов и TVS-­диодов защищать от коротких импульсных перенапряжений наносекундного диапазона, то ничего утешительного мы из анализа этих публикаций не получим, поскольку они содержат прямо противоположные выводы. Например, в [1] TVS­-диоды отнесены к быстродействующим защитным элементам, а варисторы — к медленнодействующим. В [2] TVS­-диоды
отнесены к быстродействующим элементам, а варисторы к «умеренно быстрым». В [4] приведены вообще фантастические данные о быстродействии TVS-­диодов: 0,01 нс, при этом отмечается, что варисторы срабатывают примерно в 50–100 раз медленнее. В [5] утверждается, что TVS­-диоды имеют значительно более высокое быстродействие, в то время как в статье [6] на основе результатов экспериментальных исследований серийных образцов варисторов и TVS-­диодов утверждается прямо противоположное. Из неопубликованных в открытой печати отчетов известно об экспериментальных исследованиях пригодности варисторов для защиты от ЭМИ ЯВ и о полученных положительных результатах этих исследований, вопреки многочисленным утверждениям о недостаточном быстродействии варисторов.

В связи с существующей неопределенностью и отсутствием однозначно подтвержденных данных автором были проведены самостоятельные исследования.

Испытания мощных защитных элементов в условиях, приближенных к реальным

В реальных условиях эксплуатации промышленного электронного оборудования, расположенного в металлических шкафах, к входам и выходам которого подключены длинные кабели, параметры цепей, подвергающиеся воздействию ЭМИ ЯВ, будут совершенно не такими, как в стерильных лабораторных условиях.

В связи с чем нами были проведены собственные исследования на макете, конструкция которого хоть как­то отражает реальные условия (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид макета с установленными испытуемыми элементами и схема испытаний

В процессе испытаний на макете менялся испытуемый защитный элемент (варистор MOV и супрессор TVS), длина соединительного проводника (0,1 и 1 м). Исследовался варистор типа B72220S0600K101 с номинальным напряжением 60 В (85 В на постоянном токе), остаточным напряжением 165 В, емкостью 3600 пФ, а также эквивалентный ему по мощности диодный супрессор типа PTVS10­076­TH с напряжением срабатывания 85–95 В, остаточным напряжением 140 В и емкостью 5600 пФ.

В макете использовались широко применяемые в шкафах с аппаратурой клеммные колодки, монтажный провод, печатная плата, соответствующая по размерам реальной конструкции, на которой будут установлены в шкафу защитные элементы (варисторы или TVS­-диоды). Совершенно очевидно, что при такой конструкции макета его высокочастотные параметры (емкость, индуктивность, волновое сопротивление) очень далеки от совершенных и от согласованных с выходом генератора импульсов и входом осциллографа.

В связи с этим оказалась практически невозможной одновременная запись на импульсном осциллографе сигнала, подаваемого с генератора, и сигнала, остающегося на защитном элементе, таким образом, чтобы оба сигнала позволяли оценить свойства защитных элементов и сравнить их между собой, как планировалось заранее. Поэтому в процессе испытания сначала записывался калибровочный импульс с выпаянным из печатной платы защитным элементом. Потом защитный элемент возвращался на место и повторно проводилась запись сигнала без внесения каких бы то ни было изменений в схему или переключений в ней. Полученные осциллограммы показаны на рис. 2.

Рис. 2. Осциллограммы, полученные при испытании двух типов защитных элементов:
TVS-­диода (TVS) и варистора (MOV) на макете с короткими проводниками (длиной 0,1 м);
RT — rise time (время нарастания переднего фронта импульса)

Калибровочный импульс, подаваемый на макет без защитного элемента, сохранял высокую скорость нарастания (rise time — RT) в диапазоне единиц наносекунд, хотя длительность импульса увеличилась до сотни наносекунд. Оба испытуемых защитных элемента срезали амплитуду входного импульса до уровня, примерно соответствующего их напряжению срабатывания. Причем скорость нарастания амплитуды импульса на этих элементах претерпела существенные изменения и уменьшилась примерно в пять раз, что можно, по-видимому, объяснить влиянием емкости самих защитных элементов.

На рис. 3 показаны результаты испытаний защитных элементов с длинным проводом на входе. Как можно видеть из представленных осциллограмм, скорость нарастания калибровочного импульса не изменилась, но скорость нарастания импульса на защитных элементах еще более уменьшилась по сравнению с коротким проводом. Как и прежде, оба защитных элемента успевают сработать и ограничить амплитуду входного импульса. Уровень ограничения напряжения несколько возрос по сравнению с предыдущим экспериментом, что связано с увеличением амплитуды напряжения входного импульса и, соответственно, тока, протекающего через защитные элементы после их срабатывания.

Рис. 3. Осциллограммы испытаний двух типов защитных элементов:
супрессора (TVS) и варистора (MOV) на макете с длинными проводниками (длиной 1 м);
RT — rise time (время нарастания импульса)

И наконец, последним тестировался варистор с длинным проводом (рис. 4). Испытания проводились с увеличенной до 2 кВ амплитудой тестового импульса. Из полученной осциллограммы можно заметить, что остаточное напряжение на варисторе значительно ниже амплитуды приложенного импульса (2 кВ), это означает, что варистор успешно сработал и срезал данный импульс. Однако нельзя не заметить, что амплитуда остаточного напряжения на варисторе впервые в эксперименте превысила, причем существенно, нормируемое в справочных данных значение (165 В).

Рис. 4. Осциллограммы работы варистора при воздействии испытательного импульса с амплитудой 2 кВ.
FWHM (Full Width at Half Maximum) — ширина импульса на половине амплитуды

Что это означает? Для ответа на поставленный вопрос нужно разобраться в том, что такое остаточное напряжение (clamping voltage) на импульсном защитном элементе, нормируемое производителем для каждого типа элемента. По логике, это должно быть напряжение, оставшееся на защитном элементе после его срабатывания, то есть то напряжение, которое будет прикладываться к защищаемому этим элементом оборудованию. Именно так и есть. Но тогда как объяснить существенное увеличение этого самого clamping voltage в нашем эксперименте относительно значения, записанного в паспортных данных варистора? Оказывается, поскольку характеристики варисторов весьма далеки от идеальных, производители пошли на маленькую хитрость и приводят в справочных данных значения clamping voltage для тока, гораздо меньшего (1% и ниже), чем тот, на который рассчитан варистор (табл. 1). А поскольку падение напряжения на защитном элементе зависит от тока, протекающего по нему, то совершенно очевидно, что для малых значений тока и clamping voltage будет небольшим. В описанном выше эксперименте импульс тока, протекающий через варистор при подаче на него напряжения 2 кВ, превысил то значение тока, при котором производитель измерял clamping voltage, и поэтому реальное остаточное напряжение на варисторе оказалось больше нормируемого. Но ведь из этого следует, что в реальных условиях эксплуатации при заранее не известной амплитуде тока, который будет протекать через варистор после его срабатывания, невозможно предварительно узнать, какое напряжение останется на нем, то есть на защищаемом оборудовании! При импульсных токах в несколько килоампер, на которые рассчитаны мощные варисторы, остаточное напряжение на них может достигать нескольких киловольт! А в случае воздействия мощного ЭМИ ЯВ эффективность защиты, построенной на основе варисторов, оказывается вообще непредсказуемой, причем вне всякой связи с их быстродействием. Но в случае с TVS-диодами такой проблемы не существует, поскольку, за редким исключением специальных типов диодов, производители указывают в паспортных данных значение остаточного напряжения при протекании через них максимального импульсного тока, на который они рассчитаны (табл. 1).

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты 220 Вольт
Adblock
detector