Полупроводниковые самовосстанавливающиеся
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 (Рисунок 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 (Рисунок 7.2).
