Електронні компоненти для захисту апаратури різного призначення від перешкод, що викликають перевантаження по напрузі та струму

Стаття містить основні принципи захисту апаратури різного призначення від дії перешкод, які викли­кають перевантаження по напрузі та струму.

Ф. Лесснер

У багатьох галузях електроніки, у тому числі, у за­собах телекомунікацій слід уникати перенапруги та стрибків струму, які викликані перешкодами різного походження. Нормативні акти, як міжнародні, так і національні, чітко визначають безпеку експлуатації електронної апаратури та методи її забезпечення. Відповідні електронні компоненти захисту від пере­напруги та перевантаження по струму суттєво зни­жують частоту відмов та витрати на обслуговування та ремонт електронної апаратури. Статичні розряди та перенапруга включно перехідні процеси можуть пошкодити апаратуру та зруйнувати ІМС.

Якщо стрибок напруги перевищує допустиму робочу напругу мікросхеми до небезпечного рівня, то для ослаблення її в ідеалі до потенціалу землі для захисту IMC і апаратури у цілому використовують спеціальні захисні електронні компоненти. До них належать металооксидні варистори (Metal Oxide Va­ristors – MOV), придушувачі перехідної напруги або тиристори (Transient Voltage Suppressor – TVS), газорозрядні трубки (Gas Discharge Tubes – GDT), діо­ди з електростатичним розрядом (Electrostatic Disc­harge Diodes – ESD), термістори з позитивним кое­фіцієнтом температурного опору (Polymeric Positive Temperature Coefficient – PPTC), термістори з нега­тивним коефіцієнтом опору (Negative Temperature Coefficient – NTC), мікроперемикачі (TSS).

Методика захисту електронної апаратури поля­гає у наступному:

• використовується багаторівневий послідовний захист, що зменшує перенапругу та перевантаження по струму
• компоненти MOV/GDT/SPG/TSSвикористо­вують для первинного захисту від перенапруги
• компоненти TVS/ESDвикористовують для вто­ринного захисту від перенапруги
• термістори PPTCвикористовують для захисту від перевантажень по струму та розв’язки
• термістори NTCвикористовують для захисту від перевантажень по струму

Як ми бачимо, основний принцип цієї методики полягає у використанні кількох рівнів захисту для ослаблення перехідних перенапруг і надструмів. Такі компоненти, як MOV, GDT, SPG (застосовується у тому числі для захисту від іскрових перешкод) і TSS використовуються для захисту від перенапруги. Компоненти TVS і ESD забезпечують вторинний за­хист для ІМС. Термістори PPTC забезпечують захист від надструмів та виконують функцію розв’язки, тоді як термістори NTC використовуються для приду­шення надструмів.

Варистори завдяки дуже малому часу реакції (не більше 20 нс) використовуються в багатьох при­строях для ослаблення коротких імпульсів перена­пруг. Найпоширенішими з них є металооксидні ва­ристори типу MOV. Це тому, що вони здатні поглина­ти вищі перенапруги, ніж, наприклад, діоди типу TVS.

Варистори виготовляються переважно з оксиду цинку і мають широкий діапазон ослаблення пере­напруги від 18 до 1800 В, а також імпульсних струмів до 70 кА і вище. Діапазон робочих температур таких варисторів становить від -40 до +125°C. Крім широ­кого діапазону стрибків струму, варистори мають властивість послабляти імпульси напруги з пара­метрами 8/20 мкс.

Поєднуючи у схемі захисту від перешкод метало- оксидний варистор і термістор NTC, можна ефек­тивно обмежувати як надструми, так і перенапруги. Недоліком варисторів типу MOV є те, що на відміну від TVS діодів вони швидко старіють. Це означає, що вони мають лише обмежений термін експлуатації, залежно від перехідних процесів, які вони погли­нають. Щоб пом’якшити дію ефекту старіння, вони зазвичай використовуються послідовно з компонен­тами GDT або SPG (Spark gap protector – захисний іскророзрядник).

Діоди TVS гарантують швидке однонаправлене або двонаправлене блокування перешкод. Ці діоди, які також називають діодами-супресорами, або Transient Voltage Protectors, або ABD (Avalanche Breakdown Diodes) чи BOD (BreakOver Diodes), мо­жуть ослабити небезпечні піки перенапруги в діапа­зоні декількох пікосекунд і обмежувати їх до безпеч­ного значення для захисту ІМС від пошкоджень. Схема підключення TVS діода паралельно наванта­женню наведена на рис. 1. Ці компоненти на сьогод­ні є одними з найкращих.

Рис. 1. Схема підключення захисного TVS діода паралельно навантаженню

Основними перевагами діодів TVS є їх короткий час реакції та низька ємність, а також їх здатність за­безпечувати однонаправлений або двонаправлений захист ІМС. Таким чином, вони ідеально підходять для джерел постійного струму, систем безпеки та спостереження, а також для телекомунікаційного та автомобільного обладнання.

Порівняння параметрів варисторів типу MOV з TVS діодами:

• варистори типу MOVмають високий рівень струму перевантаження, здійснюють захист від оди­ничнихімпульсів, є стійкими до перенапруги, але, як недолік, мають низький рівень обмеження напруги та нестабільні параметри у часі;
• діоди типу TVSмають високу точність, висо­кийрівень обмеження перенапруги, обмежують ба- гатоімпульсні перешкоди, мають стабільні парамет­ри, але, як недолік, мають низький рівень обмежен­нястрибків струму.

Слід відмітити, що поширення електромобілів в світі помітно прискорило появу на ринку електрон­них компонентів нових засобів боротьби з перена­пругою та надструмами. Саме в електромобілях діо­ди TVS з їх специфічними характеристиками особ­ливо підходять для використання, як компоненти за­хисту мікроелектронних схем і вузлів на їх основі.

Матриці TVS діодів використовуються як при­строї захисту від електричного розряду з робочою напругою відповідно до діючих значень напруги живлення ІМС від 2,8 до 36 В. Вони мають низьку єм­ністю (нижче 1 пФ) і призначені для високошвидкіс- них інтерфейсів передачі даних, таких як HDMI і USB 3.0. Іскрові розрядники SPG з сертифікацією UL ви­користовуються для захисту від імпульсних надстру­мів від 300 до 3000 A (імпульсний струм у діапазоні 8/29 мкс), а також від іскрової напруги постійного струму від 140 до 5000 В. Вони мають опір ізоляції більше100 МОм у поєднанні з низьким ефектом ста­ріння.

Газорозрядні трубки GDT із сертифікацією UL/VDE GDT використовуються для захисту від ім­пульсних надструмів від 500 до 100 кА (імпульсний струм у діапазоні 8/20 мкс), а також для захисту від іскроутворення постійного струму від 75 до 6000 В (імпульс іскроутворення до 7800 В). Ці газорозрядні трубки забезпечують опір ізоляції близько 1 ГОм. Їх типовими застосуваннями є коаксіальні кабелі та шини і інтерфейси мережі Ethernet.

Компоненти TSS (тиристорні ослаблювачі перенапруг) призначені для захисту телекомуніка­ційних систем і систем спостереження, інтелекту­альних лічильників тощо. Їх рівень захисту від над­струмів досягає кілька сотень ампер (імпульс 8/20 мкс).

Термістори можуть бути використані для тих са­мих застосувань, що й діоди TVS. За нормальних умов експлуатації вони мають дуже низький опір і не впливають на роботу ІМС, яку вони захищають. Швидкість їх реакції складає кілька мілісекунд.

Термістори NTC з їх винятковою довгостроковою стабільністю ідеально підходять для адаптерів і дже­рел живлення (UPS). Типове використання розгляну­тих у статті захисних компонентів показано у табл. 1

Таблиця 1. Типове використання розглянутих захисних компонентів відповідно до їхніх характеристик і нормативних вимог

ВИСНОВКИ

Розвиток і поширення електронних засобів у різ­них сферах діяльності людини, а також у побуті, які працюють в умовах дії перешкод різного походжен­ня, призвели до появи на ринку електронних компо­нентів широкої номенклатури захисних пристроїв. Застосування того чи іншого захисного пристрою залежить від умов експлуатації засобів, які підля­гають захисту від різних типів і параметрів пере­шкод, від відповідності параметрів захисних при­строїв характеру перешкод, а також від відповідно­сті цих параметрів нормативним вимогам. Номен­клатура, параметри і особливості використання су­часних захисних пристроїв, рекомендації щодо їх застосування представлені у цій публікації, що дає змогу розробникам електронної апаратури приско­рити вибір оптимальних компонентів для боротьби з перешкодами різного походження.