Варисторы как средство защиты радиоэлектронной аппаратуры

Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. На рис. 1 показаны наиболее часто встречающиеся неполадки в электросети и их процентное соотношение.

Особенно опасны высоковольтные импульсы амплитудой до нескольких киловольт и длительностью от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Именно они могут приводить к серьезным сбоям электронной аппаратуры и выходу ее из строя, а также быть причиной пробоя изоляции проводов и даже их возгорания.

Импульсы напряжения, которые можно отнести к внешним сетевым помехам (рис. 2), возникают в различных цепях аппаратуры, в первую очередь, в проводах питания.

Во-первых, они могут наводиться электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов.

Идентифицировать и систематизировать причины таких помех практически невозможно. Однако для бытовых электрических сетей напряжением 220 В приняты следующие ориентировочные параметры внешних импульсных напряжений:

амплитуда — до 6 кВ;

частота — 0,05...5 МГц;

длительность — 0,1...100 мкс.

Во-вторых, они могут быть естественного происхождения и наводиться мощными грозовыми разрядами.

В-третьих, они могут создаваться статическим напряжением, разряд которого достигает 25 кВ. Высоковольтные импульсы способны возникать и в самой аппаратуре при ее функционировании в результате переходных процессов, при срабатывании электромагнитов, размыкании контактов реле, коммутации реактивных нагрузок и так далее. Наибольшую угрозу представляют импульсы, возникающие при отключении индуктивной нагрузки.

По указанным причинам радиоэлектронная аппаратура должна быть защищена от высоковольтных импульсных помех. Чтобы аппаратура могла быть сертифицирована, она должна пройти проверку на устойчивость к воздействию импульсных помех. Например, ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95) распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия и устанавливает требования и методы их испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (НИП).

В настоящее время для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экранировки, RC- и LC-фильтры, газоразрядные приборы (разрядники) и полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). К сожалению, разрядники не обладают необходимым быстродействием, а быстродействующие ПОН, с высокой нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ) не способны рассеивать большую мощность из-за малого объема p-n-перехода. Это обуславливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающем через прибор.

В последнее время наиболее эффективным средством защиты аппаратуры от любых импульсных напряжений признаны оксидно-цинковые варисторы. Варисторы [англ. varistor, от vari (able) - переменный и (resi) stor - резистор] - это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Отличительной чертой варистора является двухсторонняя симметричная и резко выраженная нелинейная ВАХ (рис. 3).

Электрические характеристики варистора определяются большим сопротивлением утечки и емкостью, которая незначительно изменяется под воздействием напряжения и температуры.

При больших напряжениях на варисторе, и соответственно, больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается также большой. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и, как следствие, к нелинейности ВАХ. Малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов, что определяет их высокое быстродействие. Наряду с этим варисторы способны хорошо поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения, так как тепловая энергия рассеивается не на отдельных зернах полупроводника, а на всем его объеме.

   Особенностью ВАХ варистора является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов, который определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения. В области малых токов ВАХ описывается выражением: I = AUβ,  где I - ток, A; U - напряжение, В; А — коэффициент, значение которого зависит от типа варистора и от температуры; β — коэффициент нелинейности, который характеризует крутизну ВАХ и определяется отношением статического сопротивления варистора (R = U/I) к дифференциальному (r = dU/dI) в определенной точке: β=R/r = U/l·dl/dU.

Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле: β= lgI2-lgI1/lgU2-lgU1 = lgI2/I1/lgU2/U1.

Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, поэтому: β=1/lgU2/U1.

Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20...60. Варисторы имеют достаточно большую емкость (100...50000 пф) в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения). При воздействии импульса их емкость падает практически до нуля.

   Одной из важнейших характеристик варистора является классификационное напряжение — Uкл — напряжение на варисторе при токе, равном 1 мА. Иногда приводится коэффициент защиты варистора — отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (то есть к классификационному напряжению). Он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения и для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4...1,6. (Для мощных варисторов в качестве параметра приводится напряжение срабатывания при токе формы 8/20, которое именно в 1,4-1,6 ниже классификационного напряжения, которое может быть измерено при токе 1 мА. Некоторые производители в каталогах приводят такие данные). Таким образом, при росте напряжения в 1,4...1,6 раза ток через них возрастает в 100 000 раз.

Важной характеристикой варистора является допустимая мощность рассеивания, определяемая его геометрическими размерами и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, играющие роль радиатора.

При возникновении высоковольтного импульса сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не влияет на работу последнего в нормальных условиях, но гасит импульсы опасного напряжения (рис. 4).

Выбор типа варистора осуществляется на основе анализа его работы в двух режимах: в рабочем и импульсном. Рабочий режим определяется классификационным напряжением Uкл, а импульсный — рассеиваемой мощностью. Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы рабочее постоянное напряжение на варисторе не превышало 0,85 Uкл, а при переменном токе действующее значение рабочего напряжения не превышало 0,6 Uкл.

В импульсном режиме через варистор протекает большой ток, вследствие чего необходимо опасаться выхода его из строя из-за перегрева. С этой целью необходимо использовать варисторы с рассеиваемой мощностью большей, чем расчетная.

Для расчета варисторов, защищающих те или иные цепи от грозового разряда, иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. На рис. 5 показана форма этого импульса, который часто называют «импульсом 8/20 мкс».

Очевидно, что варисторы могут работать и при последовательном включении. При этом в них протекает одинаковый ток, а общее напряжение делится пропорционально сопротивлениям (в первом приближении - классификационным напряжениям), в той же пропорции разделится поглощаемая энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов - необходимо строгое совпадение их ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом подбором варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов, которые собираются в блоки с нужными параметрами. Варисторы изготавливаются в обычном исполнении (дисковые, прямоугольные), в виде блоков различной формы и в виде чипов, что позволяет существенно экономить место на печатной плате (рис. 6).

По материалам сайта RadioRadar.net