Линкфилд
Здесь может быть ваша реклама
|

 Полупроводниковые самовосстанавливающиеся элементы защиты электронных схем

Полупроводниковые самовосстанавливающиеся элементы защиты электронных схем

Для нормального функционирования РЭА опасными являются стойкие или кратковременные превышения напряжения питающей сети. Известно, что в обычной питающей сети 220 В 50 Гц достаточно часто присутствуют опасные для бытовой аппаратуры высоковольтные (свыше 400 В) импульсы напряжения длительностью от десятых долей микросекунды до единиц миллисекунд [7.1].
Источником этих импульсов' могут быть разряды молний, переходные процессы, пробои изоляции и т.д. Методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC- и RC-фильт-ров, экранов между обмотками сетевых трансформаторов зачастую не спасают положения. Например, до микросхем реально доходят импульсы с энергией до миллиджоуля, вполне способные вывести аппаратуру из строя [7.1]
Ранее для защиты радиоэлектронной аппаратуры и ее узлов от перенапряжения широко использовали газоразрядные приборы.
В ионных разрядниках используют свойства дугового разряда, искрового разряда и, реже, тлеющего разряда. Наиболее широко применяется дуговой разряд, характеризующийся низким падением напряжения в разрядном промежутке и большими токами. В низковольтных разрядниках (до 500 8) при приложении напряжения выше напряжения пробоя или равного ему возникает сначала тлеющий разряд, который быстро переходит при дальнейшем повышении напряжения в дуговой. В высоковольтных разрядниках сначала возникает искровой разряд, который также переходит в дуговой при условии достаточно мощного источника тока или большой разряжающейся емкости [7.2 — 7.4].
Разрядники — это двухэлектродные, реже трехэлектродные приборы, их выполняют в стеклянном или в металлокерамиче-ском оформлении. В ионных разрядниках обычно используют активированные электроды: оксидированный или торированный вольфрам, никель, покрытый калием или барием, сплавы вольфрама, никеля и окиси бария или молибдена и вольфрама. Применяют также чистые металлы: вольфрам, нержавеющую сталь, молибден, алюминий. В качестве наполнителя в ионных разрядниках служат чистые инертные газы или их смеси, водород, воздух, кислород в смеси с водяными парами или углекислым газом [7.2 — 7.4].
Важнейшие параметры ионных разрядников: напряжение пробоя (75...20000 Б); допустимый ток разряда (от сотых долей до 1000 А) или энергия разряда; сопротивление изоляции; допустимое время разряда или длительность импульса; допустимое число пробоев (до 107) или время работы. Параметры, определяющие общую работоспособность прибора: время запаздывания зажигания и время установления электрической прочности прибора [7.2 — 7.4].
Из числа зарубежных разрядников наибольшую известность в России приобрели изделия фирмы Epcos. Газонаполненные разрядники этой фирмы обычно применяют для защиты телефонных линий, линий связи и радиоэлектронного оборудования от перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов и электромагнитных импульсов [7.5].
При достижении заданного напряжения в разряднике возникает дуговой разряд, и сопротивление его резко снижается с величины, превышающей 1 ГОм до значения менее 0,1 Ом. После окончания воздействия перенапряжения высокое электрическое сопротивление разрядника восстанавливается.
Разрядники фирмы Epcos [7.5] имеют маркировку Мхх-Сууу, где хх — код конструктивного исполнения элемента (50 — без выводов; 51 — с выводами); ууу— значение напряжения статического пробоя, В. Амплитуда тока через разрядники этого типа в импульсе длительностью 8/20 /икс, а также для синусоидального тока частотой 50 Гц может достигать 2,5 кА. Межэлектродная емкость разрядников около 1 пФ. Размеры: диаметр — 5 мм, высота — 5 мм.
Ряд значений напряжения пробоя для разрядников серии М50-Сууу (М51-Сууу) составляет: 90; 230; 350: 600 В. Напряжение горения дуги для разрядников этого типа составляет 10...25 В.
Газонаполненные разрядники типов Q69-X891 и Т83-А230Х предназначены для защиты телекоммуникационных систем, мобильных систем связи, оборудования кабельного телевидения, измерительного оборудования от повреждения высоковольтным напряжением, в том числе грозового происхождения. Импульсный разрядный ток может доходить до 5...20 кА при напряжении пробоя 90, 150, 230, 350 и 600 В.
Для разрядников других серий фирмы Epcos диапазон рабочих напряжений (пробоя) находится в пределах 70...4500 В, импульсный ток — до 40 кА (импульс 8/20 мкс) и 20 А при действии тока до 1 сек. Для получения нестандартных значений напряжений защиты возможно каскадирование нескольких разрядников с введением выравнивающих напряжение резисторов.
К полупроводниковым приборам, применяемым для уменьшения импульсных помех, относят металлооксидные варисторы, полупроводниковые приборы общего назначения и специальные полупроводниковые ограничители напряжения [7.1].
У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична стабилитронной. ВАХ ограничителя, как и у стабилитрона, не симметрична. Для ограничения импульсов обоих знаков удобно два ограничителя включить встречно-последовательно (рис. 7.1). Основное отличие полупроводниковых ограничителей от стабилитронов — их способность рассеивать большую импульсную мощность. Современные варисторы, уступая ограничителям по времени срабатывания, конкурируют с ними по стоимости. Однако характеристики варисторов ухудшаются на некоторое время после воздействия каждого импульса помехи. У полупроводниковых ограничителей это явление отсутствует.
Для снижения амплитуды высоковольтных импульсов на пути от сети 220 В до выводов питания микросхем наиболее целесообразно включать ограничители в состав источника питания [7.1]. Если в питающей сети появятся импульсы, энергия которых будет больше допустимой для примененного ограничителя, он, как и стабилитрон при слишком большом токе стабилизации, перегреется и выйдет из строя. С этого момента аппаратура, включенная в сеть, окажется незащищенной.
Поэтому существенным недостатком применения ограничителей считают отсутствие информации об их работоспособности или выходе из строя после воздействия мощных импульсов. Чтобы обеспечить индикацию исправного состояния симметричного ограничителя, его составляют из двух одиночных и подключают к нему цепь из трех светодиодов и двух токоограничивающих резисторов (рис. 7.2).


Рис. 7.1. ВАХ полупроводникового симметричного ограничителя напряжения

Особенность работы такого индикатора исправности — использование светодиодов в нестандартном режиме. При исправных ограничителях VD1 и VD2 и положительном полупериоде напряжения сети (плюс — на верхнем по схеме сетевом проводе) ток беспрепятственно протекает через ограничитель VD1, открытый в прямом направлении, и через светодиод HL1. Ограничитель VD2 в это время закрыт.
В результате почти все сетевое напряжение оказывается приложенным к цепи HL3 и R2, причем к светодиоду — в обратном направлении. Поэтому светодиод HL3 открывается в обратном направлении, а ток через него ограничивает резистор R2. Таким образом, через всю цепь от плюсового провода до минусового протекает ток около 2 мА. Этого достаточно, чтобы обеспечить заметное свечение «зеленого» светодиода HL1. Светодиод HL2 не излучает свет, так как к цепи HL2 и R1 приложено слишком малое напряжение (менее 3 6)..

Рис. 7.2. Типовая схема включения ограничителя напряжения с индикацией отказа

При смене полярности напряжения сети происходят те же процессы, только меняются местами VD1 и VD2, R2 и R1, HL3 и HL2. То есть исправность ограничителей подтверждает зеленый сигнал индикатора. В ряде случаев описанный индикатор может одновременно служить индикатором наличия сетевого напряжения.
При выходе из строя (обрыве) ограничителя VD1 гаснет «зеленый» светодиод HL1 и включается «красный» светодиод HL2, а при порче ограничителя VD2 — «красный» HL3.
В схеме на рис. 7.2 использованы ограничители типа 1,50Н400А. Импульсная максимальная допустимая мощность ограничителя — 1,5 кВт. Амплитуда переменного напряжения открывания ограничителей при токе открывания 1 мА — 400±20 6. Коэффициент ограничения — 1,2... 1,3. Мощность, потребляемая от сети при отсутствии высоковольтных импульсов — до 0,5 Вт.
Выпускаемые в России комбинированные защитные микросборки ЗА-0 имеют проволочные выводы и рассчитаны на встраивание в аппаратуру, а ЗА-1 оформлены в виде пластмассовой сетевой вилки с жесткими штырями для установки в стандартную сетевую розетку [7.6]. Их электрическая схема соответствует типовой, приведенной на рис. 7.2.
Маркировка защитных устройств ЗА-0-1.5-400А — ЗА-0-1.5-800Б расшифровывается так: 0 или 1 — вариант конструктивного
оформления (см. выше); 1,5 — импульсная максимальная допустимая мощность индикатора в кВт; трехзначное число — напряжение открывания, Б; буква А или Б — разброс напряжения открывания, 5 или 10%, соответственно.
Повреждение электронных компонентов может произойти и от перегрузки по току. Традиционно для защиты радиоэлектронного оборудования и линий связи используют плавкие предохранители и позисторы — терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (ПТК) или Positive Temperature Coefficient (PTC) [7.5, 7.7 — 7.10]. Плавкие предохранители обеспечивают только однократную защиту, следовательно, для продолжения работы требуется их замена. Известны также примеры использования в устройствах защиты термисторов (терморезисторов) с отрицательным температурным коэффициентом типа Л/ТС или Negative Temperature Coefficient.
Для защиты от токовых перегрузок в последнее время используют самовосстанавливающиеся предохранители PolySwitch (рис. 7.3) фирм Raychem, Epcos, Bourns и др. [7.5, 7.7 — 7.9]. Элементы токовой защиты PolySwitch с рабочим напряжением 15, 30 и 60 6 изготавливают из материалов с ПТК. Эти материалы выполнены из органического полимера с малой теплоемкостью и содержат равномерно рассеянные ультрадисперсные частицы токопроводящего вещества (углерода). В нормальном (проводящем) состоянии эти частицы внутри элемента PolySwitch образуют токопроводящие цепочки в окружающем их полимерном материале. Если ток через элемент превышает допустимый, происходит его внутренний разогрев. Это вызывает фазовый переход: структура полимерного материала скачкообразно переходит из кристаллической в аморфную, разрываются внутренние токопроводящие цепи, и сопротивление предохранителя PolySwitch увеличивается до 107 Ом. В высокоомном состоянии внутренняя температура элемента достигает 120°С. За счет протекания остаточного тока (десятые-сотые доли мА) внутренняя температура элемента PolySwitch поддерживается довольно высокой для предотвращения образования вновь токопроводящих цепей. Когда приложенное к цепи напряжение снимается, предохранитель PolySwitch быстро остывает, происходит восстановление токопроводящих цепей. Сопротивление элемента уменьшается до исходной величины.
элементы PolySwitch серий TR и TS срабатывают значительно быстрее, чем керамические позисторы. Их использование для защиты РЭА наиболее эффективно в составе комплексной системы, состоящей из устройства защиты от перенапряжений и элементов PolySwitch в качестве средства токовой защиты (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Типовые схемы включения полупроводниковых элементов самовосстанавливающейся защиты от токовых перегрузок и перенапряжения

В качестве элементов защиты от перенапряжений можно использовать двух- или трехэлектродные разрядники фирмы Siemens. Защитные устройства на базе элементов PolySwitch корпорации Raychem совместно с разрядниками Siemens обеспечивают многоразовую самовосстанавливающуюся защиту оборудования [7.7, 7.8].
Полимерные самовосстанавливающиеся предохранители корпорации Raychem типа RXExxx рассчитаны на максимальный допустимый ток при ххх=010; 030; 090; 375, соответственно 0,1; 0,3; 0,9 и 3,75 А (включая промежуточные значения). Рабочее напряжение — 60 В. Они имеют максимальное сопротивление в проводящем состоянии 7,5; 2,1; 0,47 и 0,1 О/и, а минимальное — 2,5; 0,88; 0,20 и 0,04 Ом при времени срабатывания 0,4;.0,9; 1,5 и 7 сек, соответственно [7.8]. Кроме них известны предохранители серий RUExxx (рабочее напряжение 30 б), SRPxxx, SMDxxx, TRxxx-yyy.

 
MKPortal©2003-2008 mkportal.it
MultiBoard ©2007-2009 RusMKPortal