IsoMOV — инновационные компоненты компании BOURNS для защиты цепей

Введение

Удары молнии и электрические переключения способны вызвать опасные переходные процессы в современном электрическом оборудовании и чувствительной электронике. Скачки напряжения могут потенциально привести к необратимому повреждению продуктов, потере данных, простою оборудования или в худшем случае — к отзыву продукта и связанной с этим ответственности. Для защиты оборудования настоятельно рекомендуется включать в него устройство защиты от перенапряжения. Используемые для этого компоненты предназначены для отвода избыточного тока от переходных процессов и скачков напряжения на «землю», тем самым предотвращая его протекание через электрическое оборудование.

Однако обойтись одним компонентом не удается: для защиты понадобится комплексное решение, в котором один компонент — газовый разрядник — принимает на себя первый удар, ограничивая напряжение, а дальнейшим ограничением и поглощением мощности занимаются другие элементы — варистор и в ряде случаев TVS-диод. Но здесь есть подводный камень: недостаточно простого параллельного включения приборов, необходимо создание резистивных или индуктивных линий задержек. В противном случае при мощной помехе, особенно с малой скоростью нарастания, первым выйдет из строя TVS-диод, за ним варистор, а разрядник даже не успеет включиться. Тут как в известном инженерном анекдоте.

Заказчик: «А сработает ли разработанная вами защита при перегрузке?»

Инженер-разработчик: «Конечно! Сразу, как только оборудование выйдет из строя».

Решить проблему было можно, но непросто и выходило накладно, поскольку ранее для защиты входных линий (или, как сейчас принято говорить, интерфейсов оборудования) — связи, управления и питания — имелось два защитных устройства: варистор и газовый разрядник. Теперь благодаря решению компании BOURNS доступен один интегрированный элемент, не требующий функционального разделения. Впервые такие гибридные компоненты были предложены компанией в 2019 году под торговым наименованием GMOV [1]. Но поскольку сейчас в портфель компании добавлены серии гибридных компонентов новой технологии IsoMOV, следует для начала кратко рассмотреть два первичных компонента этого гибрида, чтобы понять общую идею BOURNS.

Газовый разрядник

Газовые разрядники (Gas Discharge Tube, GDT) — это одни из самых первых защитных устройств. Вначале они были негерметичными, и разряд проходил по воздуху. Старшее поколение еще помнит такие разрядники, установленные на антеннах радиоприемников в качестве грозозащиты. Сейчас это вполне совершенные защитные приборы, хотя принцип их работы в целом не изменился.

Когда переходный процесс достигает уровня напряжения пробоя, газовый разрядник из-за ионизации наполняющего его газа переключается с высокого импеданса на очень низкий (рис. 1) [2]. Это изменение временно закоротит линию до тех пор, пока воздействие на нее не исчезнет. Как только перенапряжение будет снято, разрядник возвращается к состоянию высокого импеданса с крайне малым током утечки. Однако использовать один разрядник на линиях питания переменного тока не рекомендуется, поскольку он не может погасить последующий ток без какой-либо вспомогательной цепи. Справедливости ради надо отметить, что в технической литературе приводится более полная версия характеристики срабатывания газового разрядника, в которой присутствует участок в виде ступеньки, описывающий появление дугового разряда, где происходит кратковременное ограничение напряжения [7].

Рис. 1. Характеристика срабатывания газового разрядника

Газовые разрядники предназначены для защиты персонала и чувствительного оборудования от опасных переходных напряжений. BOURNS® GDT используются в первичных и вторичных приложениях и могут выдерживать многократные применения с высокими импульсными токами энергии, превышающими 25 кА. Они предлагаются в двух- и трехэлектродных версиях (для устранения такого негативного эффекта, как тепловой разгон), которые отличаются длительным сроком службы, низкой емкостью и вносимыми потерями. Пример исполнения инновационных газовых разрядников компании BOURNS, выполненных по технологии FLAT [7] и предназначенных для обеспечения защиты интерфейсов малогабаритных, чувствительных электронных устройств в сравнении двух технологий, показан на рис. 2.

Рис. 2. Инновационная технология газовых разрядников FLAT компании BOURNS для защиты интерфейсов чувствительных электронных устройств:
а) типовой вариант;
б) типовое конструктивное исполнение газовых разрядников;
в) разрядников технологии FLAT

Значения разрядных токов тесно связаны с параметрами эксплуатационного ресурса. К сожалению, разрядники не являются идеальными и тем более «вечными» приборами. С течением времени они выходят из строя — разрушаются электроды, ухудшаются параметры инертного газа. Чем мощнее уровень блокируемых ими помех, тем скорее разрядник приходит в негодность, а процесс восстановления их высокого сопротивления достаточно сильно затянут во времени (с этой целью в мощные разрядники вводят элементы гашения разряда). Сказанное является причиной того, что данные элементы защиты используются, как правило, в комплексе с варисторами и TVS-диодами.

Однако если говорить в общем, то, кроме зависимости их характеристик от температуры, что в целом характерно для любых устройств защиты, газовые разрядники проигрывают из-за большого разброса напряжения срабатывания и, что самое главное для современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) — по габаритам. Хотя относительно последнего нередко выигрывают у классических варисторов.

Варисторы

Под варистором обычно подразумеваются объемные металлоксидные варисторы — MOV (от англ. Metal Oxide Varistor). Такие компоненты 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. Так как количество гранул 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 заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать больших величин.

Типовая структура объемного металлоксидного варистора и его вольт-амперная характеристика показаны на рис. 3, а временная характеристика его срабатывания — на рис. 4 [2].

Рис. 3. Типовой объемный металлоксидный варистор и его вольт-амперная характеристика

Рис. 4. Характеристика срабатывания металлоксидного варистора

Однако варисторы имеют очень высокую собственную емкость, не позволяющую использовать их для защиты современных высокоскоростных цифровых линий, и относительно высокие токи утечки, а также подвержены временной деградации. Для защиты современных высокоскоростных цифровых линий более приемлемы многослойные варисторы, но суть их функционирования от использования той или иной технологии не меняется.

Одним из недостатков варисторов является его ток утечки, который в условиях поставки обычно превышает 1 мкА. Но в процессе эксплуатации, по мере того как эффективность металлоксидных варисторов ухудшается из-за напряжения смещения и температуры, его ток утечки начинает увеличиваться до тех пор, пока не произойдет тепловое неуправляемое состояние, создавая опасную ситуацию. Эта деградация и связанный с ней катастрофический отказ могут произойти, если варистор подвергается переходным скачкам или условиям временного перенапряжения (temporary over voltage, TOV), превышающего его максимально допустимые характеристики. Срок службы варистора определяет время разгона, необходимое для достижения условия теплового равновесия. Нарушение этой характеристики приводит к катастрофическому отказу — короткому замыканию, обрыву цепи или некоторому остаточному линейному сопротивлению, нагружающему защищаемую им линию. В отдельных случаях варистор может стать пожароопасным, что потребует дополнительных компонентов в виде плавких или самовосстанавливающихся предохранителей. Использование гибридного решения (комбинация шунтирующего и ограничивающего устройства) позволяет практически исключить ток утечки и продлить срок службы, а кроме того, предлагает разработчикам еще ряд преимуществ.

Комбинированное решение: варистор + газовый разрядник

Компания BOURNS нашла оригинальное, инновационное решение проблем, связанных с использованием традиционных объемных варисторов. Инженерам удалось соединить в одном устройстве положительные свойства газового разрядника и объемного варистора. Это проприетарное решение было представлено в апреле 2019 г. в виде инновационной линейки гибридных компонентов защиты от перенапряжения под торговым названием GMOV [1]. В этом продукте инженеры компании объединили инновационный и компактный газовый разрядник BOURNS, изготовленный по технологии FLAT, с объемным металлоксидным варистором — MOV. В результате удалось получить устройство, чьи габаритные размеры значительно меньше размеров варистора, с сопоставимыми техническими характеристиками (рис. 5).

Рис. 5. Гибридный компонент для защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS

Гибридное устройство для исключения тока утечки и продления срока службы варистора объединяет два дискретных компонента — последовательно подключенные газовый разрядник и варистор. Газовый разрядник используется для изоляции варистора от напряжения в линии, поэтому он срабатывает лишь по мере необходимости и защищает аппаратуру от переходных процессов и скачков временного перенапряжения, которые, как уже было сказано, со временем приводят к его повреждению. Варистор, в свою очередь, способен погасить дугу газового разрядника при снижении уровня импульса перенапряжения до номинальных значений напряжения — можно сказать, что это тот случай, когда один плюс один получается больше, чем два.

Сверхнизкий ток утечки гибрида, не превышающий 0,1 мкА, становится весьма значительным преимуществом объединения двух технологий, что не только уменьшает энергетические потери, поскольку в этой последовательной конфигурации варистор и разрядник имеют емкостную связь, а разрядник отличается малой собственной емкостью. В итоге общая емкость такого гибридного варистора может быть на уровне 4 пФ. В результате удается получить более надежное защитное решение практически с нулевым энергопотреблением (током утечки) в режиме ожидания и гарантией целостности высокоскоростных сигналов. Последовательная комбинация варистора и разрядника также устойчива к перепадам напряжения в сети переменного тока.

При низких частотах ограничение напряжения гибридного компонента равно сумме ограничения напряжения отдельных варистора и разрядника. 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 сначала появляется на разряднике из-за его относительно низкой емкости по сравнению с варистором. Когда разрядник ионизируется, он заряжает емкость варистора, который начинает ограничивать напряжение и входить в зону проводимости. Когда варистор полностью перейдет в проводимое состояние, объединенное ограничение напряжения пары будет приблизительно равно напряжению ограничения варистора. Тем не менее во время полной проводимости сопротивление варистора все еще достаточно, чтобы ограничить последующий ток для разрядника. Процесс включения и удержания для GMOV представлен на рис. 6. Как видим, это сумма характеристик газового разрядника (рис. 1) и металлоксидного варистора (рис. 4).

Рис. 6. Характеристика срабатывания гибридных варисторов технологии GMOV

В развитие технологии комбинированных варисторов компания BOURNS в июле 2021 года предложила ее новый вариант под названием IsoMOV; в отличие от GMOV в новом компоненте используется два варистора (рис. 7).

Рис. 7. Гибридный компонент для защиты от перенапряжения IsoMOV компании BOURNS: конструкция, внешний вид и варианты условного графического обозначения на электрических схемах

Используя запатентованные методы автоматизированного проектирования, инженеры компании BOURNS создали совершенно новую конструкцию устройства, которая обеспечивает множество преимуществ, смогли повысить производительность комбинированных устройств защиты интерфейсов, в первую очередь линий электропитания, и пришли к решению IsoMOV. Уникальная интегрированная структура устройства дает два основных преимущества. Во‑первых, они, как и их собратья GMOV, предлагают эквивалентную функциональность последовательного дискретного варистора и разрядника. Во‑вторых, в конструкции компонентов IsoMOV используется революционная технология EdgMOV, разработанная компанией BOURNS и значительно повышающая надежность MOV. Отказы варистора обычно характеризуются «перфорационным отверстием» на краю металлизированной области, как правило вызванным повышенной температурой внутри варистора на этом крае во время перенапряжения. Технология BOURNS EdgMOV предназначена для значительного уменьшения или устранения этого режима отказа [4].

Однако необходимо учитывать, что, в отличие от своего собрата GMOV, IsoMOV из-за использования двух варисторов имеет более высокие напряжения срабатывания и более высокую собственную емкость, но не настолько, чтобы исключить их применение для защиты высокоскоростных интерфейсов. Сравнение трех технологий представлено в таблице 1.

Анализируя технические характеристики гибридных устройств, в том числе последние инновационные компоненты IsoMOV компании BOURNS, можно с уверенностью сказать, что достигаемые преимущества — это больше, чем сумма свойств входящих в них компонентов, то есть в этом случае один плюс один явно получается больше, чем два. При использовании IsoMOV компании BOURNS разработчики как минимум получают:

• устройства защиты с номинальными рабочими напряжениями переменного тока 175–555 В (с. к. з.) с номинальными импульсными токами 3, 5, 8 кА;
• широкий диапазон рабочих температур: –40…+125 °C;
• низкий ток утечки;
• низкую емкость и малые вносимые потери;
• повышенные рейтинги перенапряжения;
• повышенные возможности защиты;
• устойчивость к звенящей волне (IEC 61000-4-12);
• стабильные характеристики на протяжении всего срока службы без влияющей на защитные свойства деградации;
• повышенную надежность конечного оборудования, сокращение времени простоя/затрат на его обслуживание;
• сертификат UL.

Гибридные компоненты защиты IsoMOV компании BOURNS имеют высокий приемлемый уровень качества AQL 0.65 Level II (по ISO 2859) [3] и характеристики производительности, которые обычно встречаются в более крупных традиционных варисторах. Это позволяет разработчикам выбрать решение на основе IsoMOV, физически меньшее, чем эквивалентный ему традиционный вариант. При этом разработчики также могут расширить возможности своей схемы защиты от перенапряжения, выбрав IsoMOV того же размера и линейное расположение выводов, что и использованный ранее варистор. Хотя устройство защиты IsoMOV подходит для применения или модернизации практически любого решения, выполненного на основе обычного варистора, это особенно касается оборудования, расположенного в удаленных, трудно обслуживаемых местах и предназначенного для жестких условий эксплуатации, поскольку IsoMOV подходят и для открытых негерметичных конструкций [6].

Основные области применения новых гибридных компонентов для защиты от перенапряжения IsoMOV компании BOURNS:

• критические приложения с питанием от электросети переменного тока;
• промышленное оборудование;
• оборудование связи по линиям электропередачи;
• высокоскоростное оборудование информационных и коммуникационных технологий;
• бытовая техника;
• моторные приводы;
• инверторы переменного тока;
• светодиодное освещение и цифровые вывески;
• устройства защиты от перенапряжения.

Общие характеристики и малые вносимые потери делают IsoMOV еще одним оптимальным решением для защиты промышленных коммуникаций, линий электропередачи и высокоскоростного оборудования информационно-коммуникационных технологий. В настоящее время доступны три серии IsoMOV — IsoM3, IsoM5 и IsoM8 с номинальными значениями импульсного тока 3, 5 и 8 кА соответственно (табл. 2) [3].

1. Пределы тока утечки по истечении срока службы могут превышать 10 мкА, но функции защиты на уровне MCOV будут сохранены.
2. Ток Inom указан для 3‑минутных интервалов времени между импульсами с номинальным MCOV, применяемым в течение всего периода покоя, и через 15 мин после последнего воздействия выброса напряжения.
3. Профиль перенапряжения 8/20 мкс согласно IEC 61000-4-5.

Заключение

Выбор правильного решения для защиты может показаться простым, но с таким количеством стандартов, которые необходимо проверить на соответствие, это может сбивать с толку. Однако благодаря революционной конструкции устройства защиты IsoMOV компании BOURNS приложения теперь могут получить новый уровень надежности защиты от перенапряжения. Новая серия защитных устройств BOURNS IsoMOV, обеспечивающая повышенные характеристики перенапряжения и защиту от напряжения, а также устойчивость к вызывным сигналам, решает многие проблемы, связанные с отказами варисторов, обеспечивая защиту приложений с более длительным сроком службы. Теперь у разработчиков есть гибкое и надежное решение, специально разработанное для устранения наиболее распространенных видов отказов, возникающих при использовании схем защиты на базе металлоксидных варисторов. Причем, и это немаловажно, устройство выполнено в тех же габаритах и без каких-либо дополнительных компонентов, что позволяет не только проектировать новое, но и легко модернизировать серийно выпускаемое оборудование и оборудование на местах эксплуатации.

При возникновении проблем, связанных с защитой интерфейсов оборудования, всегда можно обратиться к компании BOURNS за поддержкой в выборе правильного варианта защиты или технологий для использования. У BOURNS есть опыт, чтобы помочь удовлетворить все требования к защите. Обширная техническая документация по использованию гибридных варисторов IsoMOV доступна по ссылке [5]. Дополнительная информация по описанным в данной статье компонентам доступна на сайте компании BOURNS [7] и у ее авторизованных дилеров.