Разряд, избавляющий от перегрузки: ионные разрядники Bourns с газовым наполнением

Лучший вариант для защиты цепей от импульсных перегрузок напряжения с большой амплитудой в тех случаях, когда не требуются высокие скорости и точные значения напряжения срабатывания – это использование газоразрядников. Рекомендуется также использовать их в антенных входных каскадах и быстродействующих телекоммуникационных системах. Ведущим мировым производителем этой продукции является компания Bourns.

В цепях электронной аппаратуры при ее эксплуатации могут возникать различные виды перегрузок по току и напряжению, обусловленные внешними электромагнитными импульсами естественного и искусственного происхождения – электростатическими разрядами, грозами, мощными радарами, радиостанциями и так далее. Кроме того, подобные перегрузки могут возникать из-за неисправностей внешнего оборудования электропитания, а также за счет внутренних переходных процессов в самой аппаратуре. Требования, предъявляемые к надежности электронных систем и их устойчивости к подобным воздействиям, формулируются различными отраслевыми и международными стандартами [1…9]. В этих документах оговариваются принципы защиты от перегрузок по току и напряжению, критерии устойчивости к перегрузкам, рекомендуемые методы и средства защиты. В отмеченных стандартах различают первичные и вторичные устройства защиты: плавкие предохранители, газонаполненные разрядники, полимерные предохранители ППТК (MultiFuse, PolySwitch и так далее) и другие аналогичные элементы. Срабатывание элементов первичной защиты, как правило, вызывает закорачивание входа устройства и стекание тока перегрузки в землю. Данная статья посвящена одному из таких устройств – GDT (Gas Discharge Tube), разрядникам с газовым наполнением или, попросту, газоразрядникам производства компании Bourns.

Cогласно ГОСТ 2.727-68 [10], под термином GDT, подразумеваются два типа устройств – двухэлектродный и трехэлектродный ионные разрядники с газовым наполнением. Международные условные обозначение этих изделий, используемые в данной статье, показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Международные условные обозначения для двухэлектродного (а) и трехэлектродного (б) ионных разрядников с газовым наполнением

Принцип действия и типовые схемы включения газоразрядников

Основными преимуществами газоразрядников по сравнению с другими средствами первичной защиты оборудования являются:

• динамические напряжения срабатывания >1000 В;
• токи в режиме виртуального короткого замыкания >10000 А;
• импеданс >1 ГОм;
• емкость < 1 пФ.

В простейшем варианте газоразрядник конструктивно представляет собой герметичную керамическую трубку, заполненную инертным газом, с обоих концов которой выведены металлические электроды. Функционирует как электронный ключ, который срабатывает, когда разность потенциалов между его электродами превысит некоторое заданное значение. При этом его электроды замыкаются накоротко, и ток перегрузки стекает на земляную шину. В обычных условиях разрядник практически невидим в цепи защищаемого устройства. С увеличением разности потенциалов между электродами возрастает кинетическая энергия свободных электронов, образуются новые электроны и ионы, и возрастает ток между электродами. На этом этапе процесс переходит в стадию «тлеющего разряда». При дальнейшем увеличении напряжения процесс может мгновенно перейти в фазу лавинного размножения электронов, вызывая самостоятельный газовый разряд. При стандартном срабатывании газоразрядника время существования тлеющего разряда от начала интенсивной ионизации до газового пробоя составляет несколько микросекунд. Длительность самого пробоя зависит от конструкции и, как правило, продолжается десятки наносекунд. При этом скачкообразно возрастает ток, и падает разность потенциалов между электродами. В течение разряда напряжение на элементе практически перестает зависеть от тока и находится в промежутке 10…80 В для разных типов разрядников. Следует обратить внимание на тот факт, что в процессе разряда в некоторых случаях на землю может закорачиваться не только импульс перенапряжения, но также и цепи электропитания.

Типовая схема включения двухэлектродного газового разрядника, защищающая антенный вход цепи от грозовых и индустриальных наводок, показана на рисунке 2. В случае возникновения импульса перегрузки разрядник закорачивает входную цепь на землю, что предохраняет дорогостоящее оборудование от разрушения.

Рис. 2. Типовая схема включения двухэлектродного газового разрядника в цепи приемника спутникового телевидения

После пробоя напряжение на электродах возвращается к нормальному уровню, и процесс идет в обратном направлении: тлеющий разряд – прекращение ионизации – фоновый (практически нулевой) ток – импеданс больше 1 ГОм.

Рис. 3. Термическая защита газоразрядника

В случае длительных статических перегрузок (1…5 с) по напряжению или воздействию переменного тока процесс в разряднике может переходить в постоянно горящую электрическую дугу. При этом газоразрядник будет необратимо разрушен (характерный аналог – электросварка). Избежать подобных ситуаций помогает дополнительная механическая термозащита (рисунок 3).

Термозащита представляет собой специальный пружинный зажим, закрепленный на корпусе разрядника с помощью легкоплавкого припоя. При нагревании корпуса выше определенной температуры припой плавится и зажим закорачивает электроды между собой. В результате происходит короткое замыкание цепи, которое вызывает срабатывание других средств защиты.

Помимо двухэлектродных исполнений, широкое применение в промышленности нашли модели с тремя электродами. Этот тип газоразрядников объединяет в одном корпусе два одинаковых двухэлектродных разрядника с одним общим электродом. Основным преимуществом таких разрядников является одновременный контроль симметричных цепей. При этом защищаются одновременно все подключенные цепи, что исключает перекос фаз и снижает перепад напряжений между линиями до безопасного уровня.

Пример подключения трехэлектродного газоразрядника показан на рисунке 4.

Рис. 4. Типовая схема включения трехэлектродного газового разрядника в цепь VDSL-модема

GDT характеризуется следующими параметрами*:

• Номинальное статическое напряжение срабатывания, DCBD (DC breakdown voltage), Vdcbd – напряжение постоянного тока, вызывающее зажигание разрядника (согласно ITU-T и IEC, в тестах используются скорости нарастания импульса перегрузки 100 В/с)**;
• Гарантированное минимальное статическое напряжение срабатывания, MDCS (Minimum DC Sparkover, 100 V/s, Throughout Service Life), Vmdcs – минимальное статическое напряжение срабатывания в течение всего срока эксплуатации;
• Максимальное динамическое напряжение срабатывания***, MIS (Maximum Impulse Sparkover), Vimpuls – максимальное пиковое значение импульсного броска напряжения, вызывающее пробой разрядника (согласно ITU-T и IEC, в испытательных тестах используются линейно нарастающие импульсы напряжения с крутизной фронта 100 В/мкс и 1 кВ/мкс);
• Напряжение горения дуги, AV (Arc voltage), Varc – напряжение между электродами разрядника в режиме, когда через него идет ток пробоя;
• Максимальный импульсный ток разряда, MSR (MAX Surge Rating), Iimpulse – предельное однократное значение импульсного тока, после воздействия которого газоразрядник остается в рабочем состоянии (значение тока указывается для тестовых импульсов с отношением времени нарастания ко времени спада: 8/20 мкс или 10/350 мкс);
• Номинальный импульсный ток разряда, IDC (Impulse Discharge Current) – ток, идущий через газоразрядник в режиме пробоя, воздействие которого разрядник способен многократно выдерживать в соответствии с ТУ (значение номинального импульсного тока указывается для тестовых импульсов с отношением времени нарастания ко времени спада 8/20 мкс, 10/350 мкс и 10/1000 мкс);
• Максимальный переменный ток разряда, ADC (AC Discharge Current), Iac – переменный ток через газоразрядник, воздействие которого разрядник способен многократно выдерживать в соответствии с ТУ (значение номинального переменного тока указывается для действующего значения RMS (Arms);
• Ток через разрядник в режиме тлеющего разряда, GATC (Glow-Arc Transition Current) – ток в промежутке времени от начала зажигания до начала пробоя;
• Время срабатывания, PVST (Peak Voltage Switching Time) – интервал времени от начала зажигания до начала пробоя;
• Время пробоя, ARTT (Arc Region Transition Time) – время, за которое напряжение между электродами разрядника изменяется от максимального динамического значения до напряжения горения дуги;
• Эксплуатационный ресурс, SL (Surge Life) – значение тока и количество случаев срабатывания, после которого не гарантируются характеристики, указанные в ТУ (значение тока указывается для тестовых импульсов с отношением времени нарастания ко времени спада 10/1000 мкс).

Часто в технической документации указываются только значения минимального статического напряжения срабатывания Vdcbd. Максимальное динамическое напряжение срабатывания Vimpuls можно оценить по формулам [11]:

Vimpulse = (1,4 x Vdcbd) + 140 (для тестовых импульсов 100 В/мкс);

Vimpulse = (1,6 x Vdcbd) + 300 (для тестовых импульсов 1000 В/мкс).

Базовые серии газоразрядников производства Bourns

Компания Bourns выпускает широкую номенклатуру как двухвыводных, так и трехвыводных газоразрядников с различными параметрами и в самых разнообразных исполнениях. Отдельные серии предназначены для различных областей применения: телекоммуникаций, промышленного оборудования, бытовой техники, медицины и так далее. Некоторые серии предназначены также для защиты по переменному току. Газоразрядники производства компании Bourns соответствуют телекоммуникационным стандартам GR-974, GR-1361 и ITU-T.

В настоящее время выпускаются шесть базовых семейств:

• Long Life Series – разрядники повышенной надежности;
• Fast Acting Series – быстродействующие;
• Premium Series – для широкого спектра потребительской техники;
• High Voltage Series – высоковольтные;
• High Current Series – на высокие токи;
• FLAT series – новая плоская серия для широкого спектра применений.

Ниже приведен краткий обзор, позволяющий выбрать необходимую модель для конкретной области применения. Подробная техническая документация доступна на сайте производителя [12].

Серия Long Life – газоразрядники повышенной надежности со сроком службы до 20 лет [13]. В состав серии входят модели большой (2026, 2027, 2028), средней (2036) и малой мощности (2035, 2037, 2038). Технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики серии Long Life

Помимо рабочих характеристик, представленных в таблице 1, можно выделить некоторые отличительные особенности семейств.

Газоразрядники 2026-xx-XX сохраняют работоспособность при максимальных динамических напряжениях срабатывания вплоть до 1300 В и могут защищать цепи также и по переменному току. Максимальный переменный ток разряда Iac (RMS, 10 операций) достигает 20 А.

2027-хх отличаются значительно большей точностью напряжений срабатывания. Типовое значение этого параметра для газоразрядников ±20 %. Семейство 2027-хх рассчитано на статическое напряжение срабатывания с разбросом около ±15%.

Отличительная особенность разрядников 2028-хх-ХХ – конструктив. Они выполнены в кассетном форм-факторе (аналогично пальчиковым батарейкам), позволяющем быстро заменять вышедшие из строя детали.

2036-хх – уменьшенные габаритные размеры (5х7,5 мм), по сравнению с мощными моделями (8х11 мм).

2035-xx, 2037-xx и 2038-xx – миниатюрные размеры (4х5 мм для 2035-xx-SM), маленькие емкости (<1 пф), поверхностный монтаж. Из других особенностей этого семейства можно отметить повышенную точность статического напряжения срабатывания (±15%) для моделей 2035 и 2037. Модели 2035 и 2037 имеют одинаковые электрические характеристики. Разница заключается в габаритных размерах и дополнительном варианте форм-фактора в моделях 2037.

Рис. 5. Типовые схемы защиты цепей VDSL, SLIC и T1/E1 с помощью газового разрядника 2020 и протектора TBU

Рис. 6. Примеры использования комбинированной защиты TBU/GDT для защиты индустриальных интерфейсов RS-232, RS-485 и CANbus

Серия Fast Acting разработана для использования с очень быстрыми импульсами, скорость нарастания которых может достигать 5 кВ/мкс [14]. Эти газоразрядники отлично подходят для совместного использования с высокоскоростным устройством защиты электрических цепей TBU® High-Speed Protector (HSP) производства Bourns [15]. Такая комбинированная защита TBU/GDT благодаря низкой емкости и малым токам утечки широко используется в самых различных телекоммуникационных и индустриальных приложениях. Примеры применения показаны на рисунках 5 и 6. Технические характеристики приведены в таблице 2, в которой наглядно представлены различия между семействами.

Таблица 2. Технические характеристики серии Fast Acting

Серия Premium предназначена для быстроменяющегося рынка бытовой электроники [16]. Как правило, бытовые электронные устройства служат около пяти лет. Затем им на смену приходят новые модели. Этот сегмент рынка наиболее чувствителен к цене, поэтому и комплектующие для этих изделий должны быть достаточно дешевыми. Кроме того, к ним не предъявляются такие требования по сроку эксплуатации, как к долгоживущим сериям. С другой стороны, это семейство будет рентабельно только в том случае, если сможет предложить покупателям максимально широкий спектр моделей, пригодных для использования в самых разнообразных бытовых приборах. Поэтому Premium – это наиболее представительное семейство газоразрядников производства Bourns, технические характеристики которых приведены в таблице 3.

Таблица 3. Технические характеристики серии Premium

Особое внимание следует обратить на модели 2051-xx-XX – миниатюрные двухэлектродные газоразрядники, выдерживающие максимальный импульсный ток до 2 кА. Эти модели, выполненные в форме параллелепипеда размерами 2,7х3,2х4,2 мм, перекрывают широкий диапазон напряжений срабатывания: 90…600 В. Также отличительной чертой этого семейства является очень низкая емкость – всего 0,6 пФ. Такие значения емкости, сравнимые с тиристорными протекторами, позволяют с успехом использовать разрядники 2051 в высокочастотных телекоммуникационных системах, например, в VDSL и Ethernet-сети. Газовые разрядники семейства 2051 полностью соответствуют требованиям стандартов защиты бытовой электроники UL 6500, ITU-T K.21 и TIA-968 [17].

Серия High Voltage предназначена для индустриальных приложений и включает модели различных конструктивов, рассчитанные на статические напряжения срабатывания (СНС) до 7,2 кВ [18]. Технические характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4. Технические характеристики серии High Voltage

Наименование Размеры, ДхВ, мм Максимальный импульсный ток разряда Iimpulse (8/20 мкс, 1 срабатывание), кА Номинальное статическое напряжение срабатывания Vdcbd Емкость, пФ Количество электродов Форм-фактор 2039-xxx-XX 5×4,1 5 800…1100 <1 2 Цилиндр, торцевые выводы 2039-xxx-SM 5×4,5 5 800…1100 <1 2 Цилиндр, поверхностный монтаж 2087-xxx-SM 4×4 3 800…2000 <0,5 2 Цилиндр, поверхностный монтаж 2089-xxx-XXX 5,5×6 3 1000…3600 <1,5 2 Цилиндр, поверхностный монтаж 2093-xx-SM 6,2×4,2 5 1000…3000 <1,5 2 Цилиндр, поверхностный монтаж 2095-xxx-XX 8×8 8 800…6000 <1,5 2 Цилиндр, поверхностный монтаж SA2-nnnn-xLx-STD 8,5X8,9 5 2400…7200 1 2 Цилиндр, прямые торцевые выводы, 38 мм SA2-nnnn-xKx-STD Цилиндр, изогнутые торцевые выводы SA2-nnnn-xK1x-STD Цилиндр, изогнутые торцевые выводы SA2-nnnn-xBx-STD Цилиндр, изогнутые торцевые выводы SA2-nnnn-xCx-STD Цилиндр, без выводов, кассетный вариант

Мощные разрядники семейств 2095 и SA2 предназначены для защиты от импульсных перегрузок цепей, в которых постоянно присутствует высокое напряжение – для них необходимы повышенные меры безопасности. В качестве примера использования высоковольтных разрядников можно привести защиту уличных антенн от молний, высоковольтное медицинское и научное оборудование, погружные насосы.

Семейство разрядников большой мощности SA было разработано компанией Jensen Devices, AB, которую Bourns поглотил в 2012 году. SA рассчитаны на номинальные напряжения до 7,2 кВ и выпускаются в двух вариантах: модели с индексом «С», имеющие погрешность напряжения срабатывания 20%, и модели с индексом «D», имеющие погрешность напряжения срабатывания 15%.

Кроме того, по требованию заказчика возможно изготовление разрядников этой серии с другими номиналами. Разрядники семейства SA отличаются повышенной устойчивостью к внешним воздействием и расширенным температурным диапазоном: -40…125°C.

Серия High Current разработана специально для приложений, в которых возможны очень большие импульсные перегрузки по току [19]. Модели этой серии выдерживают максимальный импульсный ток разряда Iimpulse (при длительности импульса 8/20 мкс) до 100 кА. Технические характеристики приведены в таблице 5.

Таблица 5. Технические характеристики серии High Current

Наименование Размеры, ДхВ, мм Максимальный импульсный ток разряда Iimpulse (8/20 мкс, 1 срабатывание), кА Номинальное статическое напряжение срабатывания Vdcbd Емкость, пФ Количество электродов Форм-фактор 2047-xx-XX 12,7×13 40 90…350 <5 2 Цилиндр, торцевые выводы 2061-xx-A 11,8×12 60 230…800 <10 2 Цилиндр, торцевые выводы 2063-xx-A 11,8×17 100 230…800 <10 2 Цилиндр, торцевые выводы 2097-xx-D 11,8×32 25 1000…2200 <10 2 Цилиндр, боковые выводы

Газоразрядники данной серии – это мощные устройства 12х32 мм, изготовленные в соответствии с требованиями ITU-T K.12, IEC 61643-311, GR-1089-CORE, Section 9 и UL1414. Модели серии характеризуются высоким сопротивлением изоляции (>1 ГОм), небольшой емкостью (<10 пФ), повышенной устойчивостью к импульсному току и стабильными параметрами в диапазоне рабочих температур -40…85°C.

Эти модели используются в тех случаях, когда в контролируемой цепи могут возникнуть прямые и наведенные броски напряжения, например, подключение дуги электропоезда к контактной сети, молния, короткое замыкание в магистрали электропитания и другие подобные явления, способные вызвать импульсную наводку в размещенном рядом оборудовании. Такие импульсы, наведенные на линии систем управления, приводят к разрушению дорогостоящего оборудования. Серия High Current нашла применение в системах управления трамваев, троллейбусов, электричек, в индустриальных и телекоммуникационных сетях, томографах и рентгеновском оборудовании.

Серия FLAT 2015 представляет собой двухэлектродные газовые разрядники малой мощности, изготовленные по новой уникальной технологии Bourns FLAT™ [20]. Эти сверхтонкие разрядники, отвечающие стандарту ITU K.12 Class II, предназначены для бытового и профессионального оборудования с высокой степенью интеграции электронных компонентов. На рисунке 7 схематически показаны два варианта конструкции газовых разрядников Bourns. Рисунок 7а соответствует стандартным сериям, например, 2035-xx-SM. На рисунке 7б приведена конструкция серии FLAT 2015. Красная стрелка показывает условный проводящий канал (лидер), по которому в дальнейшем распространяется газовый разряд. В стандартном варианте в изолирующем цилиндре между симметричными электродами образуется однородное поле. Поэтому дуговой пробой реализуется по прямолинейному каналу (рисунок 7а). В серии FLAT 2015 вид канала дугового разряда имеет сложную криволинейную структуру. Благодаря неоднородному электрическому полю объемный заряд в разрядниках 2015 распределяется неравномерно. Поэтому пробой газа при таких условиях реализуется поэтапно в сторону большего градиента поля. В качестве иллюстрации этого процесса можно привести хорошо известные примеры изогнутых и ломаных молний в атмосфере [21].

Рис. 7. Два варианта конструкции газовых разрядников классической серии 2035 (а) и новой – FLAT 2015 (б)

В этой серии заметно уменьшено расстояние между электродами [22, 23]. Используя инновационные технологии, разработчики Bourns сделали газовый разрядник толщиной всего 1,6 мм, который выдерживает ток разряда (Iimpulse), равный 10 кА (8/20 мкс), при напряжениях срабатывания (Vdcbd) до 600 В. Для сравнения можно отметить, что модель стандартной конструкции Bourns 2035-xx-SM, обладающая такими же электрическими параметрами, имеет высоту 5 мм.

Технические характеристики приведены в таблице 6.

Таблица 6. Технические характеристики серии 2015-xx-xxx-RP-LF FLAT

В качестве основных отличительных особенностей серии FLAT 2015 можно отметить следующие:

• модели для горизонтального поверхностного монтажа толщиной 1,6 мм могут быть размещены на очень тонких печатных платах и в миниатюрных устройствах;
• разрядники серии 2015 имеют сопротивление >1 ГОм и емкость <1,9 пФ, поэтому не влияют на работу схемы в нормальном режиме работы;
• широкий диапазон напряжений срабатывания позволяет использовать эти модели в самом различном коммуникационном, медицинском и промышленном оборудовании;
• газоразрядники этой серии предназначены для работы в расширенном температурном диапазоне: -55…85°С и выдерживают разовые ударные нагрузки до 5 кг (например, 2015-xx-SMC);
• конструкция разрядников соответствует стандарту RoHS.

Заключение

Стоит особо отметить, что компания Bourns выпускает газоразрядники на собственных производственных площадках по собственным разработкам и технологиям поглощенных компаний, чего не делают остальные именитые производители, имеющие в своей номенклатуре GDT. Иными словами, покупая другой газоразрядник, вы с высокой вероятностью покупаете разрядник Bourns (или Epcos), но с другой надписью и наценкой. Разрядники же непосредственно от Bourns, благодаря почти семидесятилетнему опыту и уникальным разработкам компании, являются лучшими в своем классе и пользуются заслуженной популярностью во всем мире.

В то же время необходимо подчеркнуть, что газоразрядники не являются универсальным средством защиты, пригодным для всех случаев жизни. Согласно базовым рекомендациям [24], использование GDT наиболее оправдано для защиты цепей от импульсных перегрузок напряжения с большой амплитудой в тех случаях, когда не требуются высокие скорости и точные значения напряжения срабатывания. Также рекомендуется использовать газразрядники в схемах, критичных к значениям входной емкости, например антенным входным каскадам и быстродействующим телекоммуникационным системам. В других случаях предлагается использовать другие специализированные элементы защиты производства Bourns, например, тиристоры TISP, TVS-диоды CDSOT236, полимерные предохранители PPTC семейства Multifuse [25], элементы электростатической защиты, варисторы, диодные мосты и прочее. Рекомендации и методику по выбору газоразрядника можно найти в [26]. Кроме того, схемы и рекомендации по защите конкретных цепей можно найти на сайте Bourns в разделе PortNote Solutions [27]. Наиболее популярные исполнения и номиналы разрядников Bourns поддерживаются на складе официального дистрибьютора – компании КОМПЭЛ. КОМПЭЛ также предлагает поставку заказных позиций, проектные цены и техподдержку по всей продукции компании Bourns.