Компания Littelfuse – ведущий производитель компонентов для «защиты» разного рода электротехнического оборудования. Одно из направлений – производство комбинированных устройств зашиты типа PolyZen и 2Pro [1-6].
ВВЕДЕНИЕ
Кратковременные электрические помехи возникают в результате внезапного выброса предварительно запасенной электромагнитной энергии в различных физических объектах. Например, в результате проявления природных явлений, таких как, грозовые разряды. Кратковременные электрические помехи могут также возникать в процессе работы электромеханических устройств разного назначения (электродвигателей, генераторов, и т.п.), а также могут быть вызваны электростатическими разрядами (ESD).
В реальных условиях эксплуатации в электрических цепях и линиях связи телекоммуникационного оборудования могут возникать различные виды помех. Наиболее часто сталкиваются с перенапряжениями, вызванными электромагнитными импульсами естественного (мощные грозовые разряды) и искусственного происхождения (излучения радиопередающих антенн, высоковольтных линий передачи электроэнергии, сетей электрифицированных железных дорог и пр.). Кроме того, перенапряжения могут возникать вследствие переходных процессов при работе оборудования, например, при коммутации индуктивных нагрузок или в результате воздействия электростатических разрядов.
Устройства защиты от перенапряжений предотвращают протекание импульсов тока через защищаемое устройство вследствие замыкания его на общий провод. Они также ограничивают напряжение до значений, совместимых с характеристиками подсоединенных устройств.
Случайные перенапряжения зачастую вызваны молниями и электростатическими разрядами, которые характеризуются малой длительностью нарастающего фронта и очень высоким пиковым напряжением, намного превосходящем максимально допустимые значения для электронных компонентов. При импульсном разряде статического электричества возникают помехи, которые могут вызвать сбой в работе электронных приборов. Кроме того, электростатический разряд может оказывать разрушительное действие на электрон- ные компоненты и узлы.
Повторяющиеся кратковременные перенапряжения, как правило, возникают при эксплуатации электродвигателей или при коммутации мощных индуктивных нагрузок. Для защиты радиоэлектронных устройств, кроме традиционных плавких предохранителей (Fuse), газовых разрядников (Gas Discharge Tube – GDT), металлооксидных варисторов (Metal-Oxide Varistor – MOV), полупроводниковых ограничителей напряжения (Transient Voltage Suppression Diode – TVS), можно использовать также комбинированные устройства типа 2Pro и PolyZen, характеристики и особенности которых рассматриваются в статье.
Варисторы подключаются параллельно защищаемому оборудованию и последовательно с внутренним сопротивлением источника помех. При отсутствии напряжения варисторы имеют высокое сопротивлением (более 10 МОм), поэтому при этом условии их можно считать диэлектриками. При наличии импульса пере напряжения его сопротивление резко уменьшается и основной ток помехи протекает через варистор, а не через защищаемое оборудование. При этом поглощенная энергия рассеивается в виде тепла. Варисторы являются элементами многократного действия и достаточно эффективным средством для подавления переходных процессов во многих приложениях. Однако с течением времени в результате воздействия мощных импульсов перенапряжения или часто случающихся сравнительно небольших перепадов напряжения варисторы стареют, т.е. изменяются их первоначальные параметры.
Варисторы предназначены для ограничения перенапряжений длительностью всего несколько микросекунд. Однако при непродолжительном превышении рабочего напряжения, что может быть вызвано «потерей нейтрали», неправильным подключением в процессе монтажа или другими причинами, в результате большого протекающего тока через варистор и как следствие его перегрева, не избежать катастрофических последствий – его воспламенения. Чтобы предотвратить протекание большого тока через варистор можно использовать включенный последовательно обычный низкоомный резистор достаточной мощности или встроенный в корпус варистора самовосстанавливающийся полимерный предохранитель, что обеспечит более эффективную защиту от перегрева. На рис. 1 приведены сравнительные характеристики разных вариантов защиты варисторов. Как видно температура корпуса комбинированного устройства (например, LVM2P-015R10431) значительно ниже в сравнении с другими решениями.
Рис. 1. Сравнительные характеристики
разных вариантов защиты
CЕРИЯ 2PRO
Устройства защиты типа 2Pro (рис. 2) содержат самовосстанавливающийся предохранитель типа PolySwitch PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient) и варистор (MOV). Это комбинированные устройства (PPTC/MOV), обеспечивающие как ограничение напряжения, так и размыкание цепи прохождения тока. Применение таких устройств позволяет сократить число используемых компонентов и, в конечном счете, уменьшить габаритные размеры печатной платы. Устройства серии TM2P (2Pro) – это самовосстанавливающиеся устройства защиты цепей, ориентированные на применение в телефонных коммутируемых сетях общего пользования (PSTN) и VoIP-шлюзах. Повсеместное применение PSTN-сетей и VoIP-шлюзов в качестве основного средства, обеспечивающего голосовую связь, требует максимальной безопасности и надежности соответствующего оборудовании. Кроме того, устройство защиты серии TM2P можно применять в беспроводных телефонах, факсимильных аппаратах, модемах, TV-приставках, охранных системах, цифровых сетях с интегрированными услугами (ISDN) и пр.
Рис. 2. Устройство защиты типа 2Pro
Таблица 1. Параметры PPTC (TM2P-10271)
|
Тип |
IHOLD, A | ITRIP, A | Сопротивление, Ом | Время срабатывания, с (при токе 1 А) | |||
| Rmin | Rmax | R1max | Тип. |
Макс. |
|||
|
TM2P-10271 |
0.15 | 0.30 | 6.50 | 14.00 | 16.00 | 0.90 |
3.00 |
Таблица 2. Параметры MOV (TM2P-10271)
|
Тип |
Напр. VN(DC), В (при токе 1 мА) | Отклонение Vn (DC), % | Сопротивление, МОм (при напр. 100 В) | Макс. напр. ограничения, В (при токе 25 А) |
Номинальная мощность, Вт |
|
TM2P-10271 |
260 | +14/-7 | >10 | 455 |
0.25 |
Пример подключения TM2P приведен на рис. 3, осциллограммы напряжения на варисторе и входного тока при воздействии стандартных импульсов, рекомендованных в стандартах TIA-968 и ITU-T, – на рис. 4.
Устройства серии LVM2P – это самовосстанавливающиеся устройства защиты, ориентированные на применение в цепях питания телекоммуникационного оборудования. По сравнению с устройствами серии TM2P они отличаются существенно меньшим сопротивлением полимерного предохранителя и большим рабочим напряжением. Основные параметры комбинированных устройств защиты серии LVM2P даны в табл. 3, 4. Пример подключения приведен на рис. 5, осциллограммы тока и напряжения на варисторе при воздействии тестовых импульсов, рекомендованных в стандарте IEC61000-4-5, приведены на рис. 6. При «обрыве нейтрали» входное сетевое напряжение питания оборудования может повысится до 380 В. Если своевременно не разорвать цепь питания или не ограничить ток, варистор попросту перегорит вследствие большой выделяемой мощности. На рис. 7 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств защиты серии LVM2P.
Условное обозначение устройств типа 2Pro приведено на рис. 8. Комбинированные устройства типа 2Pro соответствуют рекомендациям мировых стандартов безопасности: UL 60950, UL 497A, TIA-968-A, IEC 60950 и ITU-T K.20/K.21.
Рис. 3. Пример подключения TM2P
Рис. 4. Осциллограммы напряжения на варисторе и входного тока при воздействии стандартных тестовых импульсов (TIA/ITU-T)
Рис. 5. Пример подключения LVM2P
Рис. 6. Осциллограммы напряжения на варисторе и тока при воздействии стандартного тестового импульса (IEC61000-4-5)
Рис. 7. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств защиты серии LVM2P
CЕРИЯ POLYZEN
Устройства защиты типа PolyZen содержат самовосстанавливающийся предохранитель типа PolySwitch PPTC и Zener-диод, что позволяет при их использовании сократить число применяемых компонентов и, соответственно, уменьшить габаритные размеры печатной платы. PolyZen – комбинированные устройства (PPTC/Zener), обеспечивающие как ограничение напряжения, так и ограничение тока. Пример подключения комбинированных устройств защиты типа PolyZen приведен на рис. 9, основные параметры даны в табл. 5 [5, 6].
RTYP – типовое сопротивление между выводами VIN и VOUT при температуре 20 °С.
IFLT – ток через Zener-диод (рис. 10).
Рис. 8. Условное обозначение комбинированных устройств типа 2Pro
Таблица 3. Параметры PPTC (LVM2P)
|
Тип |
IHOLD, A | ITRIP, A | Сопротивление, Ом | Время срабатывания, с (ток, А) | |||
| Rmin | Rmax | R1max | Тип. |
Макс. |
|||
|
LVM2P-015R10431 |
0.15 | 0.30 | 6.5 | 14.00 | 16.00 | 0.90 (1) |
3.00 (1) |
|
LVM2P-035R14431 |
0.35 | 0.75 | 1.4 | 2.20 | 2.80 | 0.50 (3) |
2.00 (3) |
|
LVM2P-075R14431 |
0.75 | 1.50 | 0.37 | 0.75 | 1.03 | 0.90 (7) |
1.2 (7) |
Таблица 4. Параметры MOV (LVM2P)
|
Тип |
Напр. Vn (DC), В (при токе 1 мА) | Отклоне-ние напр. Vn (DC), % | Сопротивление, МОм (при напр. 100 В) | Макс. напр. ограничения, В (ток, А) |
Номинальная мощность, Вт |
|
LVM2P-015R10431 |
430 | ±10 | >10 | 710 (25) |
0.25 |
|
LVM2P-035R14431 |
710 (50) |
0.6 |
|||
|
LVM2P-075R14431 |
710 (50) |
1.0 |
Рис. 9. Пример подключения комбинированных устройств защиты типа PolyZen
IFLT max – максимально допустимый ток через Zener-диод, после воздействия которого он сохраняет работоспособное состояние (тестирование проводится при заданном напряжении и отключенной нагрузке).
VINT max – максимальное напряжение между выводами VIN и VOUT, после воздействия которого устройство сохраняет работоспособное состояние.
IPTC – ток через полимерный предохранитель (рис. 10).
IOUT – ток в нагрузке.
Комбинированные устройства защиты типа PolyZen предназначены для эксплуатации в диапазоне рабочих температур -40…85 °С, имеют емкость 4200 пФ (на частоте 1 МГц, при напряжении 1 В) и выдерживают электростатические разряды амплитудой до 15 кВ (HBM – Human Body Model).
Рис. 10. Устройство защиты типа PolyZen
Устройства защиты типа PolyZen предохраняют оборудование не только от всплесков напряжения положительной полярности.
При наличии обратного напряжения ток протекает через Zener-диод в прямом направлении, что также ограничивает импульсы обратной полярности на уровне падения напряжения на диоде. На рис. 11 приведены зависимости напряжения ограничения от тока через диод в прямом и обратном направлении, а также временные характеристики для некоторых типов устройств защиты типа PolyZen.
Таблица 5. Основные параметры устройств защиты типа PolyZen
|
|
Напряжение ограничения (Vz), B | IZT, A | IHOLD А | RTYP Ом | R1max, Ом | VINT max | IFLT max | ||||
| Тип | Мин. | Тип. | Макс. | VINT max, B | Ток, А | IFLT max, A |
Напр., В |
||||
|
ZEN056V130A24LS |
5.45 | 5.60 | 5.75 | 0.10 | 1.30 | 0.12 | 0.16 | 24 | 3 | +10/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN059V130A24LS* |
5.80 | 5.90 | 6.00 | 0.10 | 1.30 | 0.12 | 0.15 | 24 | 3 | +6/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN065V130A24LS |
6.35 | 6.50 | 6.65 | 0.10 | 1.30 | 0.12 | 0.16 | 24 | 3 | +6/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN098V130A24LS |
9.00 | 9.80 | 10.00 | 0.10 | 1.30 | 0.12 | 0.16 | 24 | 3 | +3.5/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN132V130A24LS |
13.20 | 13.40 | 13.60 | 0.10 | 1.30 | 0.12 | 0.16 | 24 | 3 | +2/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN164V130A24LS |
16.10 | 16.40 | 16.60 | 0.10 | 1.30 | 0.12 | 0. 16 | 24 | 3 | +1.25/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN056V230A16LS |
5.45 | 5.60 | 5.75 | 0.10 | 2.30 | 0.04 | 0. 06 | 16 | 5 | +5/-40 |
+16/-12 |
|
ZEN065V230A16LS |
6.35 | 6.50 | 6.65 | 0.10 | 2.30 | 0.04 | 0. 06 | 16 | 5 | +3.5/-40 |
+16/-12 |
|
ZEN098V230A16LS |
9.60 | 9.80 | 10.00 | 0.10 | 2.30 | 0.04 | 0. 06 | 16 | 5 | +3.5/-40 |
+16/-12 |
|
ZEN132V230A16LS |
13.20 | 13.40 | 13.60 | 0.10 | 2.30 | 0.04 | 0. 06 | 16 | 5 | +2/-40 |
+20/-12 |
|
ZEN056V075A48LS |
5.45 | 5.60 | 5.75 | 0.10 | 0.75 | 0.28 | 0. 45 | 48 | 3 | +10/-40 |
+48/-16 |
|
ZEN132V075A48LS |
13.20 | 13.40 | 13.60 | 0.10 | 0.75 | 0.28 | 0. 45 | 48 | 3 | +2/-40 |
+48/-16 |
|
ZEN056V115A24LS |
5.45 | 5.60 | 5.75 | 0.10 | 1.15 | 0.15 | 0. 18 | 24 | 3 | +10/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN056V130A16YM |
5.35 | 5.60 | 5.85 | 0.10 | 1.30 | 0.110 | 0.160 | 14 | 3 | +3/-40 |
+16/-12 |
|
ZEN056V175A12YM |
5.35 | 5.60 | 5.85 | 0.10 | 1.75 | 0.050 | 0.095 | 12 | 4 | +3/-40 |
+12/-12 |
|
ZEN132V130A16YM |
13.20 | 13.40 | 13.80 | 0.10 | 1.30 | 0.110 | 0.160 | 14 | 3 | +1/-40 |
+20/-12 |
|
ZEN132V175A12YM |
13.20 | 13.40 | 13.80 | 0.10 | 1.75 | 0.050 | 0.095 | 12 | 4 | +1/-40 |
+20/-12 |
|
ZEN056V130A24YC |
5.35 | 5.60 | 5.85 | 0.10 | 1.30 | 0.110 | 0.170 | 24 | 3 | +4/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN056V230A16YC |
5.35 | 5.60 | 5.85 | 0.10 | 2.30 | 0.040 | 0.070 | 16 | 5 | +3/-40 |
+16/-12 |
|
ZEN056V260A16YC |
5.35 | 5.60 | 5.85 | 0.10 | 2.60 | 0.040 | 0.055 | 16 | 5 | +3/-40 |
+16/-12 |
|
ZEN132V130A24YC |
13.20 | 13.40 | 13.80 | 0.10 | 1.30 | 0.110 | 0.170 | 24 | 3 | +1/-40 |
+24/-16 |
|
ZEN132V230A16YC |
13.20 | 13.40 | 13.80 | 0.10 | 2.30 | 0.040 | 0.070 | 16 | 5 | +1/-40 |
+20/-12 |
|
ZEN132V260A16YC |
13.20 | 13.40 | 13.80 | 0.10 | 2.60 | 0.040 | 0.055 | 16 | 5 | +1/-40 |
+20/-12 |
Рис. 11. Графики зависимости напряжения ограничения от тока через диод в прямом и обратном направлении, а также временные характеристики для некоторых типов устройств защиты типа PolyZen
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для защиты цепей электронных устройств от воздействия перенапряжений могут использоваться различные методы защиты. Одним из эффективных схемотехнических способов защиты электронных приборов от воздействия выбросов напряжения является применение комбинированный устройств типа 2Pro и PolyZen.
Более полную информацию о комбинированных устройствах типа 2Pro и PolyZen можно найти в [1-6] или в фирме VD MAIS – официальном дистрибьюторе компании Littelfuse.
ЛИТЕРАТУРА
1. Integrated circuit protection device helps protect industrial equipment from overcurrent, overtemperature, overvoltage and ESD damage.– Littelfuse, 2016.
2. Integrated overcurrent/overvoltage/overtemperature solutions for industrial equipment. – Littelfuse, 2016.
3. Integrated overcurrent/overvoltage protection solutions for telephony equipment. – Littelfuse, 2016.
4. Coordinated Circuit Protection Options for LED Lighting. – Littelfuse, 2016.
5. Polyzen devices polymer protected zener diode. – Littelfuse, 2016.
6. PolyZen device helps protect portable electronics from charger-induced failure. – Littelfuse, 2016.
Лайкнути
Твітнути