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-фильтров, 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 металлокерамическом 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 мА. 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 мА (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].