Подбор варистора: Выбор варистора для защиты 220v

2,2 Удар R esistance

Сам варистор должен выдерживать указанный ударный ток, энергию удара и среднюю мощность, когда несколько ударов происходят один за другим.

2,3 Срок службы C Характеристики

Один из них — это срок службы при непрерывном рабочем напряжении, то есть варистор должен надежно работать в течение определенного времени (часов) при указанной температуре окружающей среды и напряжении системы. условия; другой — срок службы при ударе, то есть количество раз, которое может быть надежно выдержано указанное воздействие.

2,4 После включения варистора в систему, помимо выполнения защитной роли «предохранительного клапана», он будет вызывать некоторые дополнительные эффекты, которые называются «вторичным эффектом». Это не должно снижать нормальную работу системы. В настоящее время необходимо учитывать три основных фактора. Первый — это емкость самого варистора (от десятков до десятков тысяч PF), второй — ток утечки при системном напряжении, а третий — влияние нелинейного тока варистора на другие цепи через связь сопротивление источника.

III P Параметры варистора

Основными параметрами варистора являются номинальное напряжение, коэффициент напряжения, максимальное управляющее напряжение, коэффициент остаточного напряжения, ток разряда, ток утечки, температурный коэффициент напряжения, текущий температурный коэффициент, коэффициент нелинейности напряжения, сопротивление изоляции, статическая емкость и т. д.

3.1 Номинальный A резистор В Напряжение

MYG05K предусматривает, что проходящий ток равен 0.1 мА, MYG07K, MYG10K, MYG14K и MYG20, а номинальное напряжение относится к напряжению на обоих концах варистора при прохождении через постоянный ток 1 мА.

3,2 Максимум P Допустимое В Напряжение

Это напряжение делится на переменное и постоянное. Если это переменный ток, это относится к действующему значению переменного напряжения, разрешенному варистором, которое выражается в ACrms. Поэтому варистор с максимально допустимым напряжением следует выбирать под действующее значение переменного напряжения.В цепях переменного тока должно быть: min (U1mA) ≥ (2,2 ~ 2,5) Uac, а «Uac» — это эффективное значение рабочего напряжения переменного тока в цепи. В цепях постоянного тока должно быть: мин (U1mA) ≥ (1,6) Udc, а «Udc» — это номинальное рабочее напряжение постоянного тока в цепи. Вышеупомянутые принципы в основном предназначены для обеспечения соответствующего запаса прочности варистора при его включении в цепь источника питания.

3,3 D ischarge C urrent C Емкость

Это относится к максимальному значению импульсного (пикового) тока, разрешенному для прохождения через варистор при определенных условиях (наложение стандартного импульсного тока заданные временные интервалы и количество раз).Обычно перенапряжение — это импульс или серия импульсов. В экспериментальном варисторе используются два вида ударных волн: одна — волна 8/20 мкс, то есть импульсная волна с напором волны 8 мкс и временем хвоста волны 20 мкс, а другая — прямоугольная волна длительностью 2 мс, как показано ниже. рисунок:

3,4 Максимум L имитация В Напряжение

Это относится к максимальному напряжению, которое может выдерживаться на обоих концах варистора, и представляет собой напряжение, генерируемое на обоих концах. заканчивается, когда заданный импульсный ток Ip проходит через варистор.

3,5 Максимум E Энергия (допуск по энергии)

Энергия, потребляемая варисторами, обычно рассчитывается по следующей формуле

W = kIVT (Дж)

I —— Пиковое значение текучести через варистор

В—— Напряжение на обоих концах варистора при протекании тока I через варистор

Т —— Длительность тока

к —— Коэффициент формы сигнала тока I

2 мс, прямоугольная волна k = 1

8/20 мкс волна k = 1.4

Волна 10/1000 мкс k = 1,4

При прямоугольной форме волны 2 мс варистор поглощает энергию до 330 Дж на квадратный сантиметр; когда волна 8/20 мкс, плотность тока может достигать 2000 А на кубический сантиметр, что указывает на то, что его пропускная способность и устойчивость к энергии очень велики.

Как правило, чем больше диаметр кристалла варистора, тем больше его допуск по энергии и больше выдерживаемый ток. При использовании варисторов мы также должны учитывать перенапряжение, которое часто имеет меньшую энергию, но более высокую частоту, например, перенапряжение в течение нескольких десятков секунд, одной или двух минут.В это время мы должны учитывать среднюю мощность, которую могут поглотить варисторы.

3,6 В Напряжение R atio

Это отношение значения напряжения, генерируемого, когда ток варистора равен 1 мА, к значению напряжения, генерируемому, когда ток варистора равен 0,1 мА.

3,7 Номинальная P ower

Максимальная мощность, которая может потребляться при указанной температуре окружающей среды.

3.8 Максимальный пиковый ток

Один раз: максимальное значение тока со стандартной формой волны 8/20 мкс и скоростью изменения напряжения варистора все еще в пределах ± 10%. 2 раза: Максимальное значение тока двойного удара с током стандартной формы волны 8/20 мкс. Интервал времени между двумя ударами составляет 5 минут, при этом скорость изменения напряжения варистора все еще находится в пределах ± 10%.

3.9 Коэффициент остаточного напряжения

Когда ток, протекающий через варистор, имеет определенное значение, напряжение, генерируемое на обоих концах варистора, называется остаточным напряжением. Коэффициент остаточного напряжения относится к отношению остаточного напряжения к номинальному напряжению.

3.10 Ток утечки

Ток утечки, также известный как ток ожидания, относится к току, протекающему через варистор при заданной температуре и максимальном постоянном напряжении.

3.11 Температурный коэффициент напряжения

Температурный коэффициент напряжения относится к скорости изменения номинального напряжения варистора в указанном диапазоне температур (20 ~ 70 ℃). То есть относительное изменение двух концов варистора, когда ток через варистор остается постоянным, а температура изменяется на 1 ℃.

3.12 Текущий температурный коэффициент

Он относится к относительному изменению тока, протекающего через варистор, когда напряжение на обоих концах варистора остается постоянным, а температура изменяется на 1 ℃.

3.13 Коэффициент нелинейности напряжения

Это отношение значения статического сопротивления к значению динамического сопротивления варистора при заданном приложенном напряжении.

3.14 Сопротивление изоляции

Это значение сопротивления между выводным проводом (выводом) варистора и изолирующей поверхностью резистора.

3,15 Статическая емкость

Это относится к внутренней емкости самого варистора.

IV Тип s из В арристор

Варисторы можно классифицировать по компоновке, производственному процессу, применяемым материалам и вольт-амперным характеристикам.

4.1 Классификация по схеме

Его можно разделить на варистор перехода, варистор объемного слоя, варистор одночастичного слоя, варистор тонкой пленки и так далее.

4.2 Классификация по материалам применения

Его можно разделить на варистор из оксида цинка, варистор из карбида кремния, варистор из оксида металла, варистор из германия (кремния), варистор из феррита бария и т. Д.

4.3 Классификация по вольтамперным характеристикам

Его можно разделить на симметричный варистор (без полярности) и несимметричный варистор (с полярностью).

В Выбор s варисторов

При выборе варистора необходимо учитывать особые условия цепи. Как правило, следует соблюдать следующие принципы.

5.1 Выбор напряжения варистора V1mA

В зависимости от напряжения источника питания, напряжение источника питания, непрерывно подаваемое на варистор, не может превышать значение «максимального непрерывного рабочего напряжения», указанное в спецификации.То есть максимальное рабочее напряжение постоянного тока варистора должно быть больше, чем рабочее напряжение постоянного тока VIN линии питания (сигнальной линии), которое составляет VDC ≥ VIN; Для выбора варистора источника питания 220 В переменного тока необходимо полностью учитывать диапазон колебаний рабочего напряжения электросети, а для выбора значения напряжения варистора варистора должно быть достаточно допуска для выбора. варистора. Общее колебание внутренней электросети составляет 25%.Следует выбрать варистор с напряжением от 470 В до 620 В. Выбор варистора с более высоким напряжением может снизить частоту отказов и продлить срок службы, но остаточное напряжение немного увеличивается.

5.2 Выбор расхода

Номинальный ток разряда варистора должен быть больше, чем импульсный ток, необходимый для выдерживания, или максимальный импульсный ток, который может возникнуть во время работы оборудования. Номинальный ток разряда должен быть рассчитан в соответствии со значением более 10 ударов на кривой долговечности варистора, что составляет около 30% (0.3IP) максимальной скорости импульсного потока.

5.3 Выбор напряжения фиксации

Напряжение фиксации варистора должно быть меньше максимального напряжения (безопасного напряжения), которое может выдержать защищаемый компонент или устройство.

5.4 Выбор CP

Для высокочастотных сигналов передачи Cp должно быть меньше, и наоборот.

5.5 Сопоставление сопротивлений

Соотношение между внутренним сопротивлением R （R≥2Ω） защищаемого компонента (цепи) и переходным внутренним сопротивлением Rv варистора: R≥5R.Для защищаемых компонентов с малым внутренним сопротивлением по возможности используйте варистор с большой емкостью, не влияя на скорость передачи сигнала.

VI Расчет В арристора В Напряжение

6,1 Обычно C рассчитано с U1mA = KUac

In U1 — коэффициент, связанный с качеством электроэнергии. Как правило, K = (2 ~ 3), города с лучшим качеством электроэнергии могут принимать меньшие, а сельские районы с низким качеством электроэнергии (особенно в горных районах) должны занимать более крупные; Uac — среднеквадратичное значение напряжения источника питания переменного тока.Для грозозащитного разрядника 220-240 В переменного тока подходит варистор с напряжением 470-620 В. Выбор варистора с более высоким напряжением может снизить частоту отказов и продлить срок службы, но остаточное напряжение немного увеличивается.

Общий расчет напряжения варистора

6,2 Расчет номинального тока разряда

Номинальный ток разряда варистора должен быть больше, чем импульсный ток, необходимый для выдерживания, или максимальный импульсный ток, который может возникнуть во время работы оборудования.Номинальный ток разряда должен быть рассчитан в соответствии со значением более 10 ударов на кривой долговечности варистора, что составляет около 30% (0,3IP) от максимальной скорости импульсного потока.

Расчет номинального тока разряда

6,3 Параллельный C включение В резисторов

Если варистор не соответствует требованиям номинального тока разряда, множественный варистор следует использовать параллельно.Иногда, чтобы снизить предельное напряжение и обеспечить соответствие номинального тока разряда требованиям, несколько варисторов также используются параллельно. Важно отметить, что при параллельном использовании варисторов необходимо строго выбирать параметры (например, ΔU1mA≤3V ， Δα≤3) для согласования, чтобы обеспечить равномерное распределение тока.

Параллельное соединение варисторов

VII Функции варистора

Самая большая характеристика варистора заключается в том, что когда приложенное к нему напряжение ниже его порогового значения «UN», ток, протекающий через него, чрезвычайно мал , что эквивалентно закрытому клапану.Когда напряжение превышает UN, его значение сопротивления уменьшается, что приводит к скачку тока, протекающего через него, и мало влияет на другие цепи, тем самым уменьшая влияние перенапряжения на последующие чувствительные цепи. С помощью этой функции можно подавить аномальные перенапряжения, которые часто возникают в цепях, и защитить цепи от перенапряжений.

Функция защиты варистора получила широкое распространение. Например, в силовой цепи домашних телевизоров используется варистор для выполнения функции защиты от перенапряжения.Когда напряжение превышает пороговое значение, варистор отражает свою фиксирующую характеристику, снижает чрезмерно высокое напряжение и заставляет пост-каскадную схему работать в безопасном диапазоне напряжений.

Варисторы в основном используются для защиты от переходных перенапряжений в схемах, но из-за их вольт-амперных характеристик, аналогичных полупроводниковым регуляторам, они также имеют множество функций компонентов схемы. Например, варистор представляет собой разновидность регулятора постоянного тока высокого напряжения и небольшого тока, а стабильное напряжение может достигать тысяч вольт, что недостижимо для кремниевого регулятора; варистор может использоваться как компонент обнаружения флуктуации напряжения; может использоваться как элемент сдвига уровня постоянного тока; может использоваться как флюоресцентный стартовый элемент; может использоваться как элемент выравнивания напряжения.

VIII Основные области применения варисторов

8.1 Lightning P защита от повреждений

Удары молнии могут вызвать атмосферные перенапряжения, которые в основном относятся к индуктивным перенапряжениям. Перенапряжение, возникающее в результате удара молнии в линии передачи, называется прямым перенапряжением молнии, и его значение напряжения особенно велико, что может нанести большой вред при напряжении 102 ~ 104 В.Поэтому для наружных систем электроснабжения и электрооборудования необходимо принимать меры по предотвращению перенапряжения. Использование варисторных разрядников из ZnO очень эффективно для устранения атмосферных перенапряжений. Обычно он подключается параллельно к электрическому оборудованию. Если электрооборудование требует низкого остаточного напряжения, можно использовать многоуровневую защиту.

Ниже приведены несколько распространенных схем защиты, в которых используются разрядники из ZnO для устранения атмосферных перенапряжений: рис. (а) — способ подключения разрядника из ZnO для трехфазного электрооборудования, рис.(b) — способ подключения разрядника из ZnO для системы управления электромагнитным клапаном, а на рис. (c) — способ подключения разрядника из ZnO между источником питания и нагрузкой.

Молниезащита

8.3 Защита переключателя

Когда цепь с индуктивной нагрузкой внезапно отключается, ее перенапряжение может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Перенапряжение может вызвать дугу и искровой разряд между контактами, что может повредить контакты, такие как контакторы, реле и электромагнитные муфты, и сократить срок службы устройства.Варистор имеет шунт для высоких напряжений, поэтому его можно использовать для защиты контактов, предотвращая искровые разряды в момент разрыва контакта. Способ подключения варисторного защитного выключателя или контакта показан на рисунке ниже. Когда варистор подключен параллельно катушке индуктивности, сухое напряжение переключателя и сухое напряжение варистора являются суммой остаточного напряжения варистора. Энергия, поглощаемая варистором, — это энергия, запасенная катушкой индуктивности. Когда варистор подключен параллельно переключателю, перенапряжение на переключателе равно остаточному напряжению варистора, а энергия, поглощаемая варистором, немного больше, чем энергия, запасенная в катушке индуктивности.

Защита переключателя

8.4 Защита устройства

Чтобы предотвратить возгорание полупроводниковых устройств из-за перенапряжения, возникающего по каким-либо причинам, для их защиты часто используются варисторы. На рисунке ниже показана схема применения транзистора защиты варистора. Повреждение транзистора из-за перенапряжения может быть эффективно подавлено между коллектором и эмиттером транзистора или варистором первичного шунта трансформатора.При нормальном напряжении варистор находится в состоянии высокого импеданса с минимальным током утечки. Под воздействием перенапряжения варистор быстро переходит в состояние с низким импедансом, и энергия перенапряжения поглощается варистором в виде тока разряда. После прохождения скачка напряжения, когда цепь или компонент подвергается действию нормального напряжения, варистор возвращается в состояние с высоким импедансом.

Защита устройства

Вам также может понравиться:

Как проверить различные типы резисторов с помощью указательного мультиметра?

Как проверить сопротивление заземления?

Что такое гигантское магнитосопротивление (ГМС)?

Подтягивающий резистор и понижающий резистор

Что такое варистор и металлооксидный варистор? Применение и выбор варистора

Каталог

1. C oncept Варистор

Варистор представляет собой защитное устройство с ограничением напряжения. Используя нелинейные характеристики варистора, когда между двумя полюсами варистора возникает перенапряжение, варистор может ограничивать напряжение до относительно фиксированного значения напряжения, тем самым защищая последнюю цепь. Основными параметрами варистора являются: напряжение варистора, токовая нагрузка, емкость перехода, время отклика и т. Д.

Время отклика варистора составляет нс, что быстрее, чем у газоразрядной трубки, и немного медленнее, чем у трубки TVS. В нормальных условиях скорость срабатывания защиты от перенапряжения для электронной схемы может соответствовать требованиям. Емкость перехода варистора обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч ПФ. Во многих случаях его не следует напрямую применять для защиты высокочастотных сигнальных линий. Когда он используется для защиты цепи переменного тока, он увеличивает утечку из-за большой емкости перехода.При проектировании схемы защиты необходимо полностью учитывать ток. Варистор имеет большую пропускную способность, но меньше газоразрядной трубки. Варистор, сокращенно VDR, представляет собой чувствительный к напряжению нелинейный полупроводниковый элемент защиты от перенапряжения.

2. Базовые характеристики варистора

(1) Характеристики защиты. Когда ударная вязкость источника удара (или пусковой ток Isp = Usp / Zs) не превышает заданное значение, ограничивающее напряжение варистора не должно превышать импульсное выдерживаемое напряжение (Urp), которое может выдержать защищаемый объект..

(2) Ударопрочность, то есть сам варистор должен выдерживать указанный пусковой ток, энергию удара и среднюю мощность множественных ударов.

(3) Существуют две характеристики срока службы, одна из которых — это срок службы при непрерывном рабочем напряжении, то есть варистор должен иметь возможность надежно работать в течение определенного времени (часов) при заданных условиях температуры окружающей среды и напряжения системы. Второй — это срок службы при ударе, то есть количество раз, которое может быть надежно выдержано указанное воздействие.

(4) После включения варистора в систему, помимо функции защиты «предохранительного клапана», это принесет некоторые дополнительные эффекты. Это называется «вторичным эффектом», и он не должен снижать нормальную работу системы. В настоящее время следует учитывать три основных фактора. Первый — это емкость самого варистора (от десятков до десятков тысяч пФ). Второй — это ток утечки при системном напряжении, а третий — это влияние связи на другие цепи, когда нелинейный ток варистора проходит через полное сопротивление источника.

3. Тип s варистора

Варисторы можно разделить на категории по компоновке, истории производства, применяемым материалам и вольт-амперным характеристикам.

(1) В соответствии с компоновкой варистор можно разделить на варистор перехода, варистор объемного типа, варистор одиночной частицы и варистор пленки. Варистор переходного типа имеет редкий контакт между корпусом резистора и металлическим электродом, а нелинейность варистора корпусного типа определяется полупроводниковой природой корпуса резистора.

(2) В зависимости от применяемых материалов варистор можно разделить на варистор из оксида цинка, варистор из карбида кремния, варистор из оксида металла, варистор из германия (кремния), железную кислоту и т. Д.

(3) В соответствии с По своей вольт-амперной классификации варистор можно разделить на симметричный варистор (без полярности) и асимметричный варистор (с полярностью) в соответствии с его вольт-амперной характеристикой.

4. Варистор на основе оксида металла

Варистор на основе оксида металла или сокращенно MOV — это резистор, зависящий от напряжения, в котором материал сопротивления представляет собой оксид металла, в основном оксид цинка (ZnO), спрессованный в керамический материал. материал.Варисторы на основе оксидов металлов состоят примерно на 90% из оксида цинка в качестве керамического основного материала и других материалов-наполнителей для образования стыков между зернами оксида цинка.

Металлооксидные варисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом устройств ограничения напряжения и доступны для использования в широком диапазоне напряжений и токов. Использование оксида металла в их конструкции означает, что MOV чрезвычайно эффективны в поглощении кратковременных переходных процессов напряжения и имеют более высокие возможности управления энергией.

Как и обычный варистор, металлооксидный варистор начинает проводить при определенном напряжении и прекращает проводимость, когда напряжение падает ниже порогового значения. Основное различие между стандартным варистором из карбида кремния (SiC) и варистором типа MOV заключается в том, что ток утечки через материал оксида цинка MOV представляет собой очень малый ток при нормальных рабочих условиях, а его скорость работы при ограничении переходных процессов намного выше.

MOV обычно имеют радиальные выводы и твердое внешнее эпоксидное покрытие синего или черного цвета, которое очень похоже на дисковые керамические конденсаторы и может быть физически установлено на печатных платах и ​​печатных платах аналогичным образом.Типичный металлооксидный варистор имеет следующую конструкцию:

Металлооксидный варистор

Металлооксидный варистор

Чтобы выбрать правильный MOV для конкретного применения, желательно иметь несколько знание импеданса источника и возможной импульсной мощности переходных процессов. Для входящей линии или переходных процессов, передаваемых по фазе, выбор правильного MOV немного сложнее, поскольку обычно характеристики источника питания неизвестны.В общем, выбор MOV для электрической защиты цепей от скачков и скачков напряжения питания часто является не более чем обоснованным предположением.

Однако металлооксидные варисторы доступны в широком диапазоне напряжений варисторов, от примерно 10 вольт до более 1000 вольт переменного или постоянного тока, поэтому выбор может быть облегчен, зная напряжение питания. Например, при выборе варистора MOV или кремниевого варистора для напряжения его максимальное постоянное среднеквадратичное значение напряжения должно быть чуть выше самого высокого ожидаемого напряжения питания, скажем, 130 вольт для источника питания 120 вольт и 260 вольт для источника питания 230 вольт. поставлять.

Максимальное значение импульсного тока, которое принимает варистор, зависит от ширины переходного импульса и количества повторений импульсов. Можно сделать предположения о ширине переходного импульса, которая обычно составляет от 20 до 50 микросекунд (мкс). Если пикового значения импульсного тока недостаточно, варистор может перегреться и выйти из строя. Таким образом, для того, чтобы варистор работал без сбоев или ухудшения характеристик, он должен иметь возможность быстро рассеивать поглощенную энергию переходного импульса и безопасно возвращаться в свое предимпульсное состояние.

5. Обозначение варистора

«Варистор» — резистивный прибор с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Он в основном используется для ограничения напряжения, когда цепь находится под повышенным напряжением, и для поглощения избыточного тока для защиты чувствительных устройств. Полное название — «резистор, зависимый от напряжения», сокращенно «VDR» или «варистор».

Знак варистора следующий: (Мы перечислили несколько распространенных представлений)

символов и графики варистора

6. Основные параметры варистора

Основными параметрами варистора являются номинальное напряжение, коэффициент напряжения, максимальное управляющее напряжение, коэффициент остаточного напряжения, пропускная способность, ток утечки, температурный коэффициент напряжения, текущий температурный коэффициент, коэффициент нелинейности напряжения, изоляция сопротивление, статическая емкость и так далее.

(1) Напряжение варистора: так называемое напряжение варистора — это напряжение пробоя или пороговое напряжение. Это относится к значению напряжения при указанном токе, которое в большинстве случаев измеряется при подаче на варистор постоянного тока 1 мА, а диапазон напряжения варистора изделия может составлять от 10 до 9000 В.Обычно V1mA = 1.5Vp = 2.2VAC, где Vp — пиковое значение номинального напряжения цепи. VAC — это действующее значение номинального переменного напряжения. Выбор значения напряжения варистора ZnO имеет решающее значение и связан с эффектом защиты и сроком службы.

(2) Максимально допустимое напряжение (максимальное предельное напряжение): это напряжение делится на переменное и постоянное. Если это переменный ток, это относится к действующему значению переменного напряжения, допустимому варистором, которое выражается в ACrms.Варистор с максимально допустимым напряжением следует выбирать под действующее значение. Фактически, V1mA и ACrms связаны друг с другом. Зная первое, также известно второе, но ACrms более прямолинейно для пользователя, и пользователь может напрямую выбрать подходящий варистор в соответствии с ACrms. В контуре переменного тока должно быть: min (U1mA) ≥ (2,2 ~ 2,5) Uac, где Uac — эффективное значение рабочего напряжения переменного тока в контуре. Вышеупомянутый принцип значений предназначен в основном для обеспечения соответствующего запаса прочности варистора при его включении в цепь источника питания.Для постоянного тока в контуре постоянного тока должно быть: min (U1mA) ≥ (1,6 ~ 2) Udc, где Udc — номинальное рабочее напряжение постоянного тока в контуре. В контуре переменного тока должно быть: min (U1mA) ≥ (2,2 ~ 2,5) Uac, где Uac — эффективное значение рабочего напряжения переменного тока в контуре. Вышеупомянутый принцип значений предназначен в основном для обеспечения соответствующего запаса прочности варистора при его включении в цепь источника питания. В сигнальном контуре должно быть: min (U1mA) ≥ (1,2 ~ 1,5) Umax, где Umax — пиковое напряжение сигнального контура.Пропускную способность варистора следует определять в соответствии с проектными характеристиками схемы молниезащиты. Как правило, пропускная способность варистора больше или равна пропускной способности схемы молниезащиты.

(3) Пропускная способность: так называемая пропускная способность — это максимальное значение импульсного тока, когда температура окружающей среды составляет 25 ° C, изменение напряжения варистора не превышает ± 10% для указанной формы кривой пускового тока и указанное количество пусковых токов.Чтобы продлить срок службы устройства, величина импульсного тока, поглощаемого варистором ZnO, должна быть меньше, чем максимальный поток продукта, указанный в руководстве. Однако, исходя из эффекта защиты, требуется, чтобы выбранный расход был больше. Во многих случаях фактический расход, который на самом деле создается, трудно точно рассчитать. Проще говоря, пропускная способность, также известная как пропускная способность, относится к максимальному значению импульсного (пикового) тока, допустимого на варисторе при определенных условиях (в указанный интервал времени и количество раз, применяя стандартный пусковой ток).Обычно перенапряжение представляет собой одну или серию пульсовых волн. В экспериментальном варисторе используются два типа ударных волн: одна — волна 8/20 мкс, то есть так называемая волна — это импульсная волна 8 мкс с хвостовым временем 20 мкс, а другая — квадратная волна 2 мс.

(4) Максимальное ограничивающее напряжение: Максимальное ограничивающее напряжение — это максимальное напряжение, которое может выдержать варистор. Он показывает напряжение, генерируемое на двух концах, когда указанный пусковой ток Ip проходит через варистор.Это напряжение также называется остаточным напряжением. Следовательно, остаточное напряжение выбранного варистора должно быть меньше выдерживаемого напряжения Vo защищаемого объекта, иначе он не сможет обеспечить надежную защиту. Обычно значение ударного тока Ip велико, например 2,5 А или 10 А, поэтому соответствующее максимальное предельное напряжение Vc довольно велико, например, MYG7K471 имеет Vc = 775 (Ip = 10 А).

(5) Максимальная энергия (допуск по энергии): Энергия, поглощаемая варистором, обычно рассчитывается следующим образом: W = kIVT (Дж)

Где I — пик варистора, протекающего через

V —— напряжение на варисторе при протекании тока I через варистор

T —— длительность тока

K —— коэффициент формы сигнала тока I

2 мс прямоугольный сигнал k = 1

8 / Волна 20 мкс k = 1.4

10/1000 мкс k = 1,4

Варистор может поглощать энергию до 330 Дж на квадратный сантиметр для прямоугольной волны 2 мс; плотность тока может достигать 2000 А на кубический сантиметр для волны 8/20 мкс, что указывает на то, что его пропускная способность и устойчивость к энергии очень велики.

Вообще говоря, чем больше диаметр кристалла варистора, тем больше допуск по энергии и больше выдерживаемый ток. При использовании варистора следует также учитывать перенапряжение, которое часто вызывает меньшую энергию, но имеет более высокую частоту.Если имеется перенапряжение один или несколько раз в течение нескольких десятков секунд или одной или двух минут, следует учитывать среднюю мощность, которую может поглотить варистор.

(6) Коэффициент напряжения: Коэффициент напряжения — это отношение напряжения, генерируемого, когда ток варистора равен 1 мА, к напряжению, генерируемому, когда ток варистора составляет 0,1 мА.

(7) Номинальная мощность: максимальная мощность, которая может потребляться при указанной температуре окружающей среды.

(8) Максимальный пиковый ток Однократно: максимальное значение тока со стандартной формой волны 8/20 мкс.В это время скорость изменения напряжения варистора все еще находится в пределах ± 10%. 2 раза: максимальное значение тока воздействия стандартной формы волны 8/20 мкс составляет два раза, а интервал между двумя ударами составляет 5 минут. В это время скорость изменения напряжения варистора все еще находится в пределах ± 10%.

(9) Коэффициент остаточного напряжения: когда ток, протекающий через варистор, имеет определенное значение, напряжение, генерируемое на обоих концах, называется остаточным напряжением. Отношение остаточного напряжения к номинальному напряжению отношения остаточного напряжения.

(10) Ток утечки: ток утечки, также известный как ток ожидания, относится к току, протекающему через варистор при указанной температуре и максимальном постоянном напряжении.

(11) Температурный коэффициент напряжения: Температурный коэффициент напряжения относится к скорости изменения номинального напряжения варистора в заданном температурном диапазоне (температура 20 ~ 70 ° C), то есть когда ток через варистор остается постоянным, температура меняется.Относительное изменение на обоих концах варистора при 1 ° C.

(12) Текущий температурный коэффициент: Текущий температурный коэффициент — это относительное изменение тока, протекающего через варистор, когда температура изменяется на 1 ° C, в то время как напряжение на варисторе остается постоянным.

(13) Коэффициент нелинейности напряжения: Коэффициент нелинейности напряжения относится к отношению значения статического сопротивления к значению динамического сопротивления варистора при заданном приложенном напряжении.

(14) Сопротивление изоляции: Сопротивление изоляции — это сопротивление между выводным проводом (выводом) варистора и изолирующей поверхностью резистора.

(15) Статическая емкость: Статическая емкость относится к емкости, присущей самому варистору.

Принцип использования варистора заключается в том, что после его подключения к защищаемому устройству он не может повлиять на нормальную работу устройства и может эффективно выполнять мгновенную защиту от перенапряжения на устройстве.С этой целью, помимо технических параметров варистора, при фактическом выборе следует учитывать следующие моменты:

1) выбор напряжения варистора

. варистор и номинальное напряжение (следует учитывать от 1,1 до 1,2 номинального напряжения), возможный диапазон колебаний напряжения источника питания в цепи переменного тока (следует учитывать 1,4 к номинальному напряжению) 1.5 раз), соотношение между пиковым значением переменного напряжения и действующим значением (следует учитывать 1,4 раза), поэтому следует использовать варистор с напряжением варистора в 2,2–2,5 раза превышающим номинальное напряжение. В цепи постоянного тока часто выбирают варистор, имеющий напряжение варистора в 1,8–2 раза превышающее номинальное значение напряжения постоянного тока.

2) Выбор пропускной способности

В принципе, его следует выбирать в соответствии с максимальным переходным пусковым током, который может возникнуть, но это сложно сделать.На практике варистор выбирается в соответствии с применением или уровнем тестирования, указанным в стандарте тестирования продукта.

Согласно первому варианту для защиты тиристора можно использовать варистор 1 кА (волна тока 8/20 мкс); 3кА для поглощения скачков напряжения электрооборудования; 5кА для поглощения перенапряжения молнии и электронного оборудования Верхний; 10кА используется для защиты от ударов молнии. Согласно последнему, общая интегральная волна (волна напряжения 1.2/50 мкс генерируется при разомкнутой цепи генератора; волна тока 8/20 мкс генерируется при выходе короткого замыкания; внутреннее сопротивление генератора составляет 2 Ом) для оценки устройства на предмет помех от грозовых перенапряжений. способность. При испытании 4 кВ максимальный ток, поглощаемый устройством защиты, может достигать 2 кА; для испытания 6 кВ максимальное значение потребляемого тока составляет 3 кА. Однако при фактическом выборе пропускная способность выбранного варистора также должна быть соответствующим образом увеличена.Из-за большого варистора с высокой токовой нагрузкой должно быть относительно небольшое падение остаточного напряжения при поглощении такой же величины импульсного тока. При этом у выбранного варистора есть большой запас защиты.

3) Собственная паразитная емкость

Варисторам присуща проблема емкости, которая колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч пФ в зависимости от форм-фактора и номинального напряжения. Собственная емкость варистора определяет, что он не подходит для использования в высокочастотных приложениях, иначе это повлияет на нормальную работу системы; он подходит для использования в системах промышленной частоты, например, для защиты линий электропитания, защиты тиристорных выпрямителей и т. д.

Мгновенная мощность варистора относительно велика, но средняя длительная мощность мала, поэтому он не может работать в течение длительного времени.

Роль варистора из оксида цинка (углеродного резистора): также известный как «поглотитель перенапряжения, представляет собой резистор с характеристиками напряжения с характеристиками симметрии напряжения и тока, его основная конструкция предназначена для защиты всех электронных продуктов. Или компонент защищен от выброс, вызванный переключением или ударами молнии, и характеристики нелинейного индекса.

Особенности: быстрое время реакции; низкий ток утечки; превосходное соотношение напряжений; широкое соотношение напряжения к энергии; низкая мощность в режиме ожидания и отсутствие последующего тока; возможность высокопроизводительной обработки импульсных токов; стабильная работа характеристик подавления напряжения.

7. Выбор варистора

При выборе варистора необходимо учитывать особые условия цепи. Как правило, необходимо соблюдать следующие принципы:

(1) Выбор напряжения варистора V1mA

В зависимости от напряжения источника питания, напряжение источника питания, непрерывно подаваемое на варистор, не может превышать «максимальное продолжительное рабочее напряжение». значение указано в спецификации.То есть максимальное рабочее напряжение постоянного тока варистора должно быть больше рабочего напряжения постоянного тока VIN линии питания (сигнальной линии), то есть VDC ≥ VIN; при выборе источника питания 220 В переменного тока с учетом давления следует полностью учитывать диапазон колебаний рабочего напряжения электросети. При достаточном значении напряжения варистора варистора оставьте достаточный запас. Диапазон колебаний внутренней электросети обычно составляет 25%. Следует выбрать варистор с напряжением варистора от 470 В до 620 В.Выбор варистора с более высоким напряжением варистора может снизить частоту отказов и продлить срок службы, но остаточное напряжение немного увеличивается.

(2) Выбор скорости потока

Номинальный ток разряда варистора должен быть больше, чем импульсный ток, необходимый для выдерживания, или максимальный импульсный ток, который может возникнуть во время работы оборудования. Номинальный ток разряда должен быть рассчитан на основе значения жизненного цикла сопротивления удару чувствительного к давлению резистора 10 раз или более, что составляет около 30% от максимальной скорости потока при ударе (т. Е. 0.3 IP).

(3) Выбор напряжения фиксации

Напряжение фиксации варистора должно быть меньше максимального напряжения (т. Е. Безопасного напряжения), которое может выдержать защищаемый компонент или устройство.

(4) выбор конденсатора Cp

Для высокочастотных сигналов передачи емкость Cp должна быть меньше, и наоборот. 5. Согласование внутреннего сопротивления (ResistanceMatch)

Внутреннее сопротивление R (R ≥ 2 Ω) защищаемого компонента (линии) и переходное внутреннее сопротивление Rv варистора: R ≥ 5Rv; для защищаемого компонента с малым внутренним сопротивлением, не влияющим на скорость передачи сигнала. Попробуйте использовать большой варистор конденсатора.

8. M ain application s варистора

(1) молниезащита

Удары молнии могут вызвать атмосферные перенапряжения. Большинство из них — это индуктивные перенапряжения. Перенапряжение, возникающее в результате удара молнии в линии передачи, называется прямым перенапряжением молнии, и его значение напряжения особенно велико, что чрезвычайно опасно из-за 102 ~ 104 В.Поэтому для наружных систем электроснабжения и электрооборудования необходимо принимать меры по предотвращению перенапряжения.

Использование варисторных разрядников из ZnO очень эффективно для устранения атмосферных перенапряжений. Обычно он подключается параллельно к электрическому оборудованию. Если электрическое оборудование требует низкого остаточного напряжения, можно использовать многоуровневую защиту. На следующем рисунке показана общая схема защиты от атмосферных перенапряжений с использованием разрядников из ZnO.На рисунке (a) показан способ подключения разрядника из ZnO для трехфазного электрического оборудования, на рисунке (b) показан способ подключения разрядника из ZnO для системы управления электромагнитным клапаном, а на рисунке (c) показан метод подключения ZnO. разрядник между источником питания и нагрузкой.

Варистор для молниезащиты электрооборудования

(2) защита цепей

На практике различные электронные схемы и электрооборудование часто подвергаются воздействию рабочих перенапряжений.Так называемое рабочее перенапряжение — это подавление перенапряжения, возникающего при быстром преобразовании электромагнитной энергии и быстрой передаче электрической энергии при внезапном изменении рабочего состояния цепи. Чтобы предотвратить такое перенапряжение, высокоэнергетический варистор из ZnO может использоваться для защиты различного крупногабаритного оборудования электропитания, больших электромагнитов и больших двигателей. Для автомобильных цепей, линий связи и многих гражданских электрических цепей можно использовать низковольтные варисторы ZnO или другие типы.Низковольтный варистор защищен.

На следующем рисунке показано несколько примеров использования варистора для предотвращения срабатывания схемы защиты от перенапряжения. На рисунке (а) показан режим защиты схемы трехфазного выпрямителя; На рисунке (b) показана защита однофазной мостовой выпрямительной схемы; На рисунке (c) варистор используется для взаимодействия с вакуумным переключателем для подавления рабочего перенапряжения высоковольтного двигателя. Защита; и Рисунок (d) и Рисунок (e) — схемы защиты варистора для микродвигателей и двигателей постоянного тока, соответственно.

Варистор для защиты цепей

(а) трехфазное выпрямление; (б) однофазное выпрямление; (c) с вакуумным выключателем; (г) трехфазный двигатель; (e) Двигатель постоянного тока

(3) защита переключателя

(3) Варистор для защиты переключателя

Когда цепь с индуктивной нагрузкой внезапно отключается, ее перенапряжение может в несколько раз превышать напряжение питания. Перенапряжение может вызвать дугу и искровой разряд между контактами, что может повредить контакты, такие как контакторы, реле и электромагнитные муфты, и сократить срок службы устройства.Варистор имеет шунт при высоких напряжениях и поэтому может использоваться для защиты контактов путем предотвращения искровых разрядов в момент размыкания контактов. Способ подключения варисторного защитного выключателя или контакта показан на рисунке ниже. Когда варистор подключен параллельно катушке индуктивности, сухое напряжение переключателя и сухое напряжение варистора являются суммой остаточного напряжения варистора. Энергия, поглощаемая варистором, — это энергия, запасенная катушкой индуктивности.Когда варистор подключен параллельно переключателю, перенапряжение на переключателе равно остаточному напряжению варистора, а энергия, поглощаемая варистором, немного больше, чем энергия, запасенная в катушке индуктивности.

(а) параллельно индуктору; (b) параллельно с переключателем

(4) защита устройства

Чтобы предотвратить возгорание полупроводникового прибора из-за перенапряжения, по какой-либо причине, его часто защищают варистором.На рисунке ниже показана схема применения транзистора защиты варистора. Повреждение транзистора из-за перенапряжения может быть эффективно подавлено между коллектором и эмиттером транзистора или варистором первичного шунта трансформатора. При нормальном напряжении варистор находится в состоянии высокого импеданса с минимальным током утечки. Под действием перенапряжения варистор быстро переходит в состояние с низким сопротивлением, и энергия перенапряжения поглощается варистором в виде тока разряда.После прохождения импульсного напряжения, когда схема или компонент подвергается действию нормального напряжения, варистор возвращается в состояние с высоким сопротивлением.

Схема защиты транзистора от перенапряжения

(а) параллельно с триодом; (б) параллельно индуктору

Выбор защитных устройств: TVS-диоды и металлооксидные варисторы

Идеальное защитное устройство должно ограничивать энергию, поступающую на защищаемую нагрузку, до достаточного минимального уровня, чтобы нагрузка не была повреждена.Защитное устройство должно пережить этот всплеск энергии, чтобы снова защитить себя в другой день. Энергию нагрузки можно измерить как напряжение × ток × время (В × I × t). Наилучший выбор сочетает в себе фиксацию при низком напряжении, низкий ток, низкое динамическое сопротивление и быстрое время отклика. Также важны другие факторы, такие как долговечность, повторяемость, место на плате, стоимость, надежность и безопасный механизм отказа. Лабораторные испытания и тщательно согласованные модели SPICE были использованы для демонстрации и расчета эффекта переходных процессов 15 кВ.Во всех случаях в качестве «нагрузки» использовалось стандартное сопротивление 50 Ом. Высокочастотный (RF) отклик не определялся.

Разработчики должны знать о различиях между стандартами ESD на уровне устройства и на уровне системы. Стандарты уровня устройства, такие как модель человеческого тела (HBM), модель машины (MM) и модель заряженного устройства (CDM), используются для определения условий обращения, которым может выдержать компонент. Стандарты системного уровня, такие как IEC61000-4-2 (рисунок 1), касаются условий, которым должна выдержать завершенная сборка.Выходной ток для этих тестов сильно различается даже при одинаковом напряжении.

Например, при 10 кВ пиковый ток сигнала HBM составляет 6,67 А, а пик сигнала IEC61000-4-2 — 37,5 А. Точно так же пик HBM происходит через 10 нс по сравнению с 1 нс для IEC61000-4-2. Для этой дельты di / dt динамика очень разная. Понимание характеристик устройства ESD имеет решающее значение при выборе лучшего устройства. Номинальная спецификация от производителя указывает уровень электростатического разряда, который может выдержать устройство, без какой-либо связи с производительностью системы.Технические характеристики, указанные для стандартной формы сигнала 8 мкс / 20 мкс, не коррелируют с характеристиками 1 нс / 100 нс. Кроме того, номинальный ток в 1 А не является показателем работы при 56,25 А, что является пиковым уровнем тока для защиты от электростатического разряда 15 кВ. Лучший выбор для каждой схемы применения обеспечит наилучшую защиту рассматриваемой нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ

Устройства защиты работают в «Нормальном» или «Защитном» режиме. В «нормальном» режиме (рис. 2) в системе не происходит необычных скачков напряжения или тока.На сигнализацию не влияет «идеальное защитное устройство». В ответвлении, содержащем защитное устройство, ток не протекает. Весь ток течет к нагрузке и не влияет на целостность сигнала. Любой ток, протекающий через практическое устройство защиты в «нормальном» режиме, считается «током утечки». Этот термин ошибки влияет на срок службы батареи портативных устройств и целостность сигнала (при защите линий связи, портов USB, линий HDMI, аудиолинии и т. Д.). Хотя токи утечки могут быть довольно небольшими, они накапливаются в оборудовании с батарейным питанием и потребляют энергию.На целостность сигнала в первую очередь влияет емкость защитного устройства. Тщательно сравните эти характеристики, поскольку не все производители предоставляют гарантированные максимальные номинальные значения.

Скачки напряжения или тока переводят устройство в режим «Защита» (Рисунок 3). Таким образом, идеальное защитное устройство становится идеальным путем короткого замыкания на землю. В идеале вся энергия проходит через защитное устройство, защищающее груз от любых повреждений. После прохождения скачка идеальное устройство быстро возвращается в «нормальный» режим без каких-либо внутренних повреждений или изменений в его характеристиках.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ РАЗЛИЧИЯ

TVS — это монолитные устройства, изготовленные с использованием стандартных полупроводниковых технологий. Они могут быть легко реализованы в виде массивов или включены в более крупные компоненты, такие как комбинированные устройства защиты фильтров. Они отличаются очень быстрым временем отклика, низким напряжением фиксации и высокой надежностью. При использовании в рамках предложенных проектных параметров их характеристики не будут ухудшаться со временем или количеством защитных событий.Носители заряда объединяются назад и вперед через соединение P-N во время различных режимов работы. Обычно они используются для защиты компонентов с низким напряжением.

MOV представляют собой керамические массы, состоящие из зерен оксида металла. Их структура похожа на кубик сахара. Граница между зернами образует область с нелинейными характеристиками тока и напряжения, которая ведет себя как диод. Эти «диоды» образуют случайное множество параллельных и последовательных комбинаций.Эта случайная структура приводит к большим допускам для заданных параметров. На производительность MOV влияет объем устройства (высота × длина × ширина). Большие устройства могут работать с очень высокими уровнями напряжения. По этой причине MOV-устройства обычно используются для защиты цепей с питанием от сети.

Перейти на следующую страницу

MOV жертвуют собой. Некоторые границы между зерном и землей выходят из строя после каждого события перенапряжения, в основном из-за локального нагрева. Лабораторные измерения подтверждают рост тока утечки (после каждого стрессового события) в «нормальном» режиме.Когда эти границы между зернами выходят из строя, устройство становится больше похоже на резистор, чем на варистор. Постоянное перенапряжение в конечном итоге приведет к короткому замыканию защитного устройства. Скорость разложения обратно пропорциональна объему устройства. Многослойные варисторы (MLV) и другие методы MOV ограничивают ток через себя, чтобы уменьшить его медленнее. Некоторые варисторы специально разработаны с более высоким внутренним сопротивлением, чтобы ограничить ток, проходящий через себя. Хотя эти устройства прослужат дольше в цепи, они также не защищают нагрузку.Этот компромисс между производительностью и надежностью должен быть тщательно взвешен разработчиком. Большинство производителей MOV считают, что устройство вышло из строя, если некоторые параметры сместились на 10%. Подробные сведения см. В технических паспортах производителей.

И TVS-диоды, и MOV могут выйти из строя из-за обрыва цепи. Когда защитное устройство не работает «открыто», оно не обеспечивает абсолютно никакой защиты. Следующее событие ESD приведет к повреждению нагрузки. TVS-диоды имеют тенденцию выходить из строя в результате немедленного короткого замыкания, номинально около 1 Ом.

MOV страдают от теплового разгона. По мере того, как они становятся более резистивными, постоянный ток вызывает дальнейшее внутреннее повреждение и, наконец, термический выход. Их керамическая структура способна выдерживать гораздо более высокие температуры, чем полупроводниковые диоды. Устройства MOV со сквозным отверстием могут нагреваться до температуры более 400 ° C. MOV-устройства для поверхностного монтажа обычно расплавляют свои паяные соединения перед сгоранием. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы ограничить ток с помощью устройств защиты в любом высоковольтном приложении.Возможно, потребуется использовать резисторы с проволочной обмоткой, предназначенные для отказа в «размыкании». Для некоторых разрешений агентств требуются серийные предохранители. Производители MOV обычно предоставляют некоторые предупреждения или рекомендации, предлагающие необходимое пространство на плате вокруг устройства для решения этой тепловой проблемы.

ТОК УТЕЧКИ

Каждое защитное устройство подключается между сигналом и землей. Некоторые системы могут содержать большое количество компонентов защиты, и их общий дополнительный требуемый ток становится проблемой.Методы передачи сигналов с низким энергопотреблением и низким напряжением также очень чувствительны к любому дополнительному току.

Лабораторные измерения были выполнены Вернером Симбургером в нашем Центре испытаний на электростатические разряды в Мюнхене, Германия. Для защиты сигнальных линий с сопротивлением 50 Ом ниже 5 В в наших тестах измерялось напряжение смещения от -20 В до +20 В постоянного тока, а также измерялся ток через тестируемое устройство. Основная область интереса (для сигнализации 5 В) будет 5 В постоянного тока. Ток утечки TVS-диода составлял 10E-11A, в то время как два протестированных устройства MOV были 10E-09A.Для приложений с низким напряжением утечка в 100 раз лучше для TVS-диода. Ток на некоторых устройствах будет повышаться при повышенных температурах. Испытания проводились при 25 ° C. На рисунке 4 показана зависимость тока утечки от приложенного напряжения для MOV и TVS.

ПУТЬ С НИЗКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ НА ЗЕМЛЮ

В режиме «Защита» наилучшим выбором будет путь к земле с наименьшим сопротивлением. Идеальная кривая ВАХ — это вертикальная линия на Vbr (напряжение пробоя). На рисунке 5 показан путь сопротивления для TVS и двух MOS-устройств (Δresistance = ΔTLP напряжение / ΔTLP ток).Большинство производителей указывают напряжение пробоя на уровне +/- 0,001 А и напряжение фиксации на уровне +/- 1 А. Сопротивление в линейной области ВАХ рассчитывается по обратному наклону ВАХ (дельта V / дельта I). По иронии судьбы, этот наклон называется «динамическим сопротивлением» (Rdyn), но на самом деле он используется для статических измерений или расчетов IEC61000-4-2 после начальных 10 нс. Во время событий ESD комплексный импеданс устройств защиты динамически изменяется, и название этой спецификации Rdyn часто сбивает с толку инженеров-проектировщиков.В течение первых 10 нс необходимы другие методы для прогнозирования напряжений. TVS-диоды имеют более низкое динамическое сопротивление (Rdyn), чем MOV-диоды.

Результаты испытаний показали, что динамическое сопротивление TVS-диодов в 10 раз ниже, чем у некоторых MOV-устройств. Согласно IEC61000-4-2 Условия испытаний ESD, разряд 15 кВ имеет вторичный пиковый импульсный ток 30 А. Это значение часто используется как для контактных испытаний, так и для испытаний на воздушном разряде, поскольку полностью устранены эффекты начального переходного процесса. Во время скачка напряжения 30 А сопротивление соответствующего защитного устройства можно определить по результатам лабораторных исследований.

После первых 10 нс сигнала IEC61000-4-2 расчет напряжения упрощается, поскольку время нарастания и спада увеличивается. Период от 25 до 35 нс в сигнале IEC61000-4-2 часто аппроксимируется прямоугольником с амплитудой 2 А / кВ. Для 15кВ это просто 30А. Анализ цепи постоянного тока (рис. 6) быстро определяет напряжение и ток, присутствующие на нагрузке в течение временного интервала 30 А, заменяя устройства защиты их резистивным значением 30 А.

Перейти на следующую страницу

Ток через нагрузку определяется по формуле:

Iload = (30 × Rpr) / (Rpr + 50)

ITVS = 21/50.7 = 0,414 А

IMOV = 210/57 = 3.68A

Показанное здесь сопротивление нагрузки составляет 50 Ом. Во время скачка тока от 25 нс до 35 нс нагрузка, защищаемая диодом TVS, получает в 10 раз меньше тока. Мощность (I2R) во время перенапряжения определяется соотношением Iload × Iload × 50 Ом. Поскольку мощность связана с квадратом тока (умноженного на сопротивление нагрузки), легко понять, почему ток должен быть минимизирован.

ЗАЖИМНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Пики напряжения ограничиваются устройством защиты.Лабораторные испытания проводились путем подачи импульсов 300 В и шириной 30 нс через различные устройства. Каждое устройство реагировало довольно быстро, однако в таблице ниже указаны относительные уровни напряжения. Гранулированная структура варистора не допускает низкого напряжения зажима. Области массива заставят диоды включаться последовательно, где их пороговые напряжения будут суммироваться. Как видно на рисунке 7, TVS-диоды фиксируются при значительно более низких напряжениях, чем их аналоги MOV, что еще больше снижает энергию в низковольтных приложениях.Как указывалось ранее, эти динамические результаты отличаются от значения Vclamp, которое указано в таблице данных. Если известен текущий уровень входного сигнала, Vclamp можно приблизительно представить как Vbreakdown + (Rdyn * Iknown) + L di / dt. Для тестирования IEC61000-4-2 через 10 нс член L di / dt приближается к нулю.

Требования к надежной, воспроизводимой работе устройства защиты будут зависеть от области применения. На ток утечки сильно влияет деградация устройства, как показано на рисунке 8.Этот параметр можно измерить, повторяя стрессовые события и измеряя ток в «нормальном» режиме. Как и ожидалось, варистор становится более резистивным после каждого события перенапряжения. Внимательно интерпретируйте график ниже, так как ось x логарифмическая. Диоды TVS не выходят из строя после каждого события. 10E-11A приближается к пределу большинства лабораторного оборудования. При сравнении двух устройств TVS руководствуйтесь гарантированными производителями. Ищите наименьшие характеристики тока утечки.

На рисунке 9 показано ухудшение характеристик устройства, которое также вызывает сдвиг напряжения пробоя (VBR).TVS-диоды не показывают заметного сдвига VBR с течением времени. Некоторые устройства MOV демонстрируют явное снижение VBR после каждого стрессового события. Неисправности массива MOV1 (красный) создают более проводящий путь через варистор, что видно по направлению VBR к нулю. Эта структура (MOV1) в конечном итоге станет коротким замыканием. Неисправности массива MOV2 (черный) создают менее проводящий путь через варистор, что видно по направлению VBR к бесконечности. Поскольку MOV2 изначально имеет меньшую проводимость (см. Кривые I-V), способность защищать нагрузку еще больше снижается с каждым стрессовым событием.В конце концов, эта структура (MOV2) выйдет из строя как разомкнутая цепь, не обеспечивая никакой защиты.

ОГРАНИЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ВОЗМОЖНОСТИ

Лучшие защитные устройства должны быстро ограничивать напряжение и ток. 15 кВ использовалось как наихудший сценарий. Для генерации входного сигнала использовалась обычная упрощенная схема 150 пФ и 330 Ом, 15 кВ. Пиковый ток возникает раньше, но во входном сигнале содержится такая же общая мощность.

На рис. 10 показаны кривые мощности, смоделированные на нагрузке.TVS-диод сочетает в себе низкое напряжение ограничения с низким сопротивлением и малым временем отклика. Энергия нагрузки рассчитывается путем определения площади под соответствующими кривыми.

Для этого низковольтного приложения TVS-диод допускает 4,5 мкДж, а (красный) MOV допускает 18,0 мкДж на нагрузке. Четыре разницы во времени между этими защитными устройствами. В этом легко может заключаться разница между защитой или отказом, в зависимости от безопасной рабочей области (SOA) нагрузки. Выберите устройство защиты, которое предлагает самый широкий запас прочности в пределах SOA нагрузки.

Для некоторых приложений с высоким током и высоким напряжением потребуются либо большие MOV, либо массив TVS-диодов. Разработчик должен обеспечить защиту системного уровня от катастрофического отказа. Напряжение, превышающее характеристики большинства TVS-диодов, приведет к внезапному отказу в виде короткого замыкания. Это приведет к тому, что нагрузка не будет работать должным образом, однако система выйдет из строя «безопасным» образом. Диод быстро выходит из строя и поэтому не успевает выработать тепло. Металлооксидные варисторы выходят из строя по-другому.Их рабочие параметры меняются в зависимости от количества стрессовых событий, даже если они используются в пределах спецификации. По мере использования они становятся более электропроводными, и возникает тепловой разгон. Их керамическая конструкция может выдерживать более высокие температуры, чем их кремниевые аналоги.

Некоторые устройства MOV могут треснуть или взорваться при резком повышении температуры, что может привести к выходу устройства из строя из-за разрыва цепи. Устройства MOV, которые сохраняют свою форму и форму, могут достигать температуры выше температуры горения бумаги, что создает возможность возгорания.Правильно спроектируйте схемы защиты для работы в условиях перенапряжения и перегрузки по току.

Многие системы могут иметь низковольтные контрольные микроконтроллерные схемы или интерфейсные схемы, которые лучше всего защищены TVS-диодами, тогда как сеть переменного тока или высоковольтные ступени постоянного тока лучше всего могут быть защищены устройствами MOV. Тракты сигналов низкого напряжения обеспечивают лучшую защиту от TVS-диодов; однако некоторые нагрузки могут работать в рамках своей SOA с любым устройством.

Варисторы ВОЗМОЖНЫ для защиты от перенапряжения

Патрика Калберматтена, KEMET

Защита чувствительного электронного оборудования от переходных напряжений в виде скачков напряжения, которые могут возникать либо в цепи, исходящей от реле или двигателей, либо в значительных событиях электростатического разряда, таких как удары молнии, является важной частью конструкции оборудования.

Существует несколько технологий для защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения, включая газоразрядные трубки, диоды для подавления переходных напряжений и металлооксидные варисторы. Хотя каждое из них является эффективным решением, некоторые из них, естественно, больше подходят для современных приложений, где пространство имеет большое значение, а стоимость является ключевым соображением.

Что такое ESD-события и почему они представляют собой проблему?

Электростатический разряд (ESD) — это внезапный поток электрической энергии между двумя заряженными объектами.Это может быть вызвано физическим контактом, коротким замыканием или пробоем диэлектрика. Самый зрелищный тип электростатического разряда — это молния во время грозы, которая классифицируется как крупномасштабное явление электростатического разряда. Однако искры могут возникать в результате более мелких событий, которые представляют серьезную угрозу в зонах, содержащих газ или пары топлива. Электростатический разряд также может быть очень вредным для электронных компонентов, что может привести к необратимым повреждениям или даже выходу из строя.

ESD почти всегда возникают в результате накопления статического электричества, и чаще всего это вызвано явлением, известным как трибоэлектрический заряд, когда два разнородных материала вступают в фрикционный контакт.Современные материалы, такие как хлопок, шерсть, полиэстер и другие материалы для одежды, особенно восприимчивы к трибоэлектрическому заряду, что делает людей ключевым источником электростатических разрядов и представляет собой серьезную проблему для электронной промышленности, поскольку защита от электростатических разрядов требуется во всех продуктах.

Сравнение диодов и варисторов TVS

Хотя существует несколько методов подавления быстро движущихся всплесков, вызываемых разрядом электростатического разряда, включая газоразрядные трубки (GDT), два из наиболее часто используемых — это диоды подавления переходных напряжений (TVS) и металлооксидные варисторы (MOV).Хотя они оба защищают цепь, между ними есть некоторые существенные различия.

TVS-диод — это полупроводниковое устройство, предназначенное для отвода или шунтирования скачков напряжения в цепи для обеспечения защиты. Их основные преимущества заключаются в том, что они обычно имеют быстрое время отклика (часто менее 1 нс), а также низкое напряжение ограничения. Однако их плотность энергии не может сравниться с плотностью энергии варисторов эквивалентного размера, и если бы они попытались рассеять такое же количество энергии, какое возможно с помощью варистора, они бы вышли из строя.В целом, их мощность относительно ограничена, и, когда они выходят из строя, обычно возникает короткое замыкание, вызывающее проблемы для цепи, которую они призваны защищать.

— это резисторы, зависящие от напряжения, что означает, что их сопротивление изменяется в зависимости от приложенного к ним напряжения. Хотя их время отклика обычно составляет микросекунды, они предлагают более высокие характеристики импульсных помех и более широкий диапазон пробивных напряжений, чем TVS. Одним из наиболее ярких различий между двумя типами устройств является относительный размер для данного поглощения энергии — разница значительна, как показано на рисунке 1, где варистор аналогичного размера рассчитан на ток в десять раз больше, или устройство аналогичного номинала рассчитано на как минимум в десять раз меньше, чем сопоставимый TVS.

Рисунок 1: Сравнение размеров и плотности поглощения энергии типичных TVS и варисторов

Поскольку современные портативные устройства, такие как смартфоны и планшеты, особенно подвержены риску электростатического разряда, эта разница в размерах (часто называемая гораздо более высокой плотностью энергии) является значительной, поскольку позволяет включить эффективную защиту от электростатического разряда в ограниченную доступную площадь. Тот факт, что варисторы, как правило, дешевле, чем устройства TVS, является еще одним фактором, который делает их особенно подходящими и интересными для разработчиков для таких приложений.

Конструкция и изготовление варистора / МОВ

Как уже упоминалось, варисторы — это резисторы, зависящие от напряжения. Однако их конструкция очень похожа на конденсатор, а их функция аналогична диоду. Проще говоря, они состоят из двух металлических пластин с зажатым между ними прочным материалом. Материал сопротивления — это в основном (около 90%) оксид цинка (ZnO) с некоторыми другими материалами-наполнителями для образования стыков между зернами ZnO, которые были спрессованы в керамический материал.

Использование ZnO означает, что поглощение энергии в варисторе происходит почти во всем объеме устройства, тогда как для TVS только небольшая площадь PN-перехода доступна для подавления. Это одна из основных причин, по которой MOV обычно имеет гораздо более высокую плотность энергии по сравнению с TVS.

Рисунок 2: MOV используют кристаллы ZnO для формирования резистивного материала, зависящего от напряжения

Этот оксид металла (ZnO) делает MOV очень эффективными при поглощении переходных процессов напряжения и дает устройствам возможность обрабатывать высокие уровни энергии при небольших размерах.MOV начинают проводить при определенном напряжении и прекращают проводить, когда приложенное напряжение падает ниже порогового уровня.

Хотя варисторы доступны в свинцовых корпусах с эпоксидным покрытием, которые очень похожи на дисковые керамические конденсаторы, они также доступны в корпусах для поверхностного монтажа, что позволяет использовать их в современных производственных процессах.

Рекомендации по выбору

Чтобы выбрать правильный варистор для конкретного применения и, следовательно, обеспечить надлежащую защиту цепи, разработчики должны учитывать ряд факторов.Проблема часто усложняется тем, что для полностью точного выбора необходимо знать полное сопротивление источника и импульсную мощность любых возможных переходных процессов, а, поскольку это происходит в природе, это часто невозможно.

С электрической точки зрения проектировщик обычно принимает во внимание рабочее напряжение системы, требующей защиты, а также максимальное переходное напряжение, которое может выдержать система.

Насколько может разработчик, определение возможных перенапряжений и их характеристик с точки зрения формы, амплитуды и продолжительности также является полезной информацией, которую необходимо иметь, как и знание того, могут ли перенапряжения повторяться.

Наряду с этим проектировщик должен учитывать номинальное напряжение переменного и постоянного тока компонента, диапазон рабочих температур, значение емкости и физический размер. Многие варисторы также имеют соответствующие разрешения для конкретных приложений, в том числе AEC-Q200 для современных автомобильных приложений.

Сводка

Очевидно, что варисторы являются привлекательным предложением для современных электронных устройств из-за их способности выдерживать относительно большие разряды энергии в небольшом размере корпуса с приемлемой стоимостью.

KEMET имеют номинальное напряжение до 385 В и способны выдерживать импульсные токи до 1200 А. Устройства доступны в корпусах до 0603, но могут работать в суровых условиях с температурами до + 150 ° C. Многие из устройств имеют квалификацию AEC-Q200 для растущего числа и разнообразия автомобильных приложений.

Еще одной особенностью варисторов KEMET является то, что некоторые из них доступны в виде устройств двойного назначения с конденсаторами X7R, встроенными в один корпус, что обеспечивает подавление и демпфирование в одном корпусе для уменьшения количества компонентов и повышения надежности схемы.