что такое газоразрядная защита

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:

Источник

Газовые разрядники на защите от импульсных перенапряжений

Газоразрядники или разрядники для защиты от перенапряжений с газовым наполнением обозначаются термином GDT (Gas Discharge Tube). По количеству электродов они разделяются на две группы: двухэлектродные и трёхэлектродные.

рис. а). двухэлектродный и б). трёхэлектродный ионные разрядники с газовым наполнением (условное обозначение по международным стандартам)

При срабатывании элемента защиты происходит закорачивание входа устройства и стекание тока перегрузки на землю. Принцип работы газоразрядника можно сравнить с электронным ключом, срабатывающий при возникновении разности потенциалов между его электродами выше заданного значения. Широко используются разрядники для защиты от перенапряжений электронных цепей, когда некритичны такие показатели как скорость срабатывания и точность значений напряжения. Любой разрядник должен иметь собственное заземление, иначе использование их будет бесполезным.

При эксплуатации электронного спутникового оборудования (или любого другого радиотехнического) периодически могут возникать перегрузки по току и напряжению, изначальная природа которых обусловлена влияниями внешних электромагнитных импульсов. Они могут быть в виде электромагнитных сигналов, идущих от мощных радаров, электростатические разряды, мощного грозового разряда и др. (естественного и искусственного происхождения). Большие перегрузки могут исходить от неисправной цепи электропитания какого-либо оборудования.

Рис. Схема подключения двухэлектродного газоразрядника в цепь между спутниковой антенной и ВЧ оборудованием (ресивер)

После режима пробоя значение напряжения на электродах уменьшается до начального уровня и процесс идёт в обратном направлении. При длительном влиянии перегрузок (примерно 1-10 секунд) внутри разрядника начинается горение электрической дуги, из-за чего он может выгореть и дальнейшее его использование будет невозможным (разрядник требуется заменить). Этого можно избежать с помощью дополнительной механической термозащиты.

рис. Трёхэлектродные газоразрядники с термозащитой в виде металлической пластины (скобы)

Конструкция термозащиты представляет собой специальный металлический зажим (или скобу), который крепится к корпусу разрядника легкоплавким припоем. После нагрева и достижения определённой температуры происходит закорачивание между собой электродов металлическим зажимом. Далее срабатывают остальные защитные элементы схемы.

Широкое применение помимо двухэлектродных получили и разрядники, имеющие три электрода (трёхэлектродные), корпус которых состоит из двух объединённых между собой двухэлектродных разрядников с одним общим электродом. Такая конструкция способна обеспечить контроль симметричных цепей одновременно, при этом исключая перекос фаз и снижая перепад значений напряжений между линиями до безопасного уровня.

Газоразрядники (GDT): основные параметры и характеристики

Газоразрядники характеризуются статическим напряжением срабатывания (этот параметр обычно указывается в технической документации), номинальное DCBD, Vdcbd – возникает зажигание разрядника, вызванное напряжением постоянного тока.

Максимальное динамическое напряжение срабатывания (Vimpuls, Mis) – импульсное напряжение достигает максимального пикового значения и происходит пробой разрядника (в пределах значений 100В/мкс и 1кВ/мкс – крутизна фронта нарастающих линейных импульсов напряжения).

Минимальное гарантированное статическое напряжение срабатывания (MDCS, Vmdcs) – минимальное значение статического напряжения, при котором разрядник срабатывает на протяжении всего срока эксплуатации.

Напряжение горения дуги (AV, Varc) – напряжение, возникающее между электродами разрядника, в режиме прохождения через него тока пробоя.

Максимальное значение импульса тока разряда (MSR, limpulse) – кратковременное предельное значение импульсного тока. После воздействия этого тока газоразрядный элемент останется в исправном (рабочем) состоянии (указывается значение тока при тесте с отношением времени нарастания ко времени спада 8/20мкс, 10/350мкс).

Номинальный импульсный ток разряда (IDC) – ток, проходящий через разрядник в режиме пробоя (при этом воздействие этого тока газоразрядник может выдерживать многократно в соответствии с техническими характеристиками).

Максимальный переменный ток разряда (ADS, lac) – ток переменный, проходящий через разрядный элемент и воздействие которого разрядник может многократно выдерживать (в соответствии с техническими характеристиками).

Время пробоя разрядника (ARTT) – это промежуток времени, за который между электродами изменяется значение напряжения от максимального динамического до напряжения горения дуги.

Ток в режиме тлеющего разряда (GATC) –значение тока во временном промежутке зажигания и пробоя.

Время срабатывания газоразрядника (PVST) – временной интервал от точки начала зажигания до точки начала пробоя.

Эксплуатационный ресурс газоразрядника (SL) – это количество срабатываний газоразрядного элемента и значений импульсного тока, проходящего через него, после которых не гарантируется выдача рабочих характеристик (указываются в тех. документации).

Конструкция трёхэлектродного газового разрядника с термической защитой (термопредохранителем).

рис. Газовый трёхэлектродный разрядник с защитой (термопредохранителем)

Термопредохранитель является дополнением к газоразряднику и выполнен в виде металической пластинки (скобы), которая при перегреве деформируется и замыкает общий вывод и выводы L (L1, L2) между собой, при этом ток начинает проходить вне газового промежутка.

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) газоразрядника можно представить в виде нескольких уровней рабочих участков.

рис. ВАХ газоразрядника

Участок низких напряжений (1). Если возникнет хотя бы незначительное напряжение между общим выводом электрода и одним из выводов L(L1 или L2), то из-за сверхнизкой электропроводимости инертного газа ток через газоразрядник не потечёт. После того, как достигнется напряжение срабатывания значение тока начнёт расти.

Возникновение тлеющего разряда (2). Происходит ионизация молекул газа после достижения напряжения срабатывания (лавинообразно возрастает число носителей заряда). Незначительный ток начинает протекать через промежуток, заполненный газом (при этом напряжение падает до уровня значения напряжения тлеющего разряда).

Тлеющий разряд (3). Дальнейшее увеличение тока приводит к незначительному увеличению напряжения между электродами.

Возникновение электрической дуги (4). Если мощность, поступаемая от внешнего источника достаточно большая, то при возрастании тока сверх предела энергия поля станет достаточной для преодоления заряженными частицами пути от электродов L (L1 и L2) к общему электроду без потери энергии. Значение напряжения резко уменьшается и возникает электрическая дуга – устойчивый проводящий канал.

Дальнейшее возрастание тока (5) происходит без роста значения напряжения.

Источник

Газоразрядники Littelfuse: там, где полупроводники бессильны

Малые габариты и высокие токи (до 20 кА в импульсе) позволяют применять газовые разрядники (GDT) производства компании Littelfuse в различных областях электроники. В основном эти изделия применяются для защиты от высоковольтных импульсов и помех высокой мощности с минимальным влиянием на параметры электрических цепей в таких приложениях, как телекоммуникационные интерфейсы, ВЧ-тракты и мощные источники питания.

Газовые разрядники (Gas Discharge Tubes, GDT) являются незаменимым элементом защиты от электрических помех и разрядов. Они позволяют поглощать мощные и длительные импульсы, перед которыми оказываются бессильными другие ограничительные элементы (варисторы и TVS-диоды). GDT имеют номинальные токи от единиц ампер и импульсные токи до тысяч ампер, при этом их габариты сравнительно невелики.

Рис. 1. Категории и серии газоразрядников производства компании Littelfuse

Компания Littlefuse предлагает широкий выбор газоразрядников (рисунок 1):

Устройство и принцип работы газового разрядника

Принцип работы газового разрядника построен на использовании газового пробоя. Его возникновение показано на примере трехвыводного трубчатого газового разрядника (рисунок 2а). Такой разрядник представляет собой керамическую колбу с инертным газом. Колба герметично запечатана. Внутренняя часть электродов (L1, L2, общего) имеет особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip), его работа описана ниже.

Рис. 2. Принцип работы и устройство газового разрядника

Условную ВАХ газоразрядника можно разделить на несколько участков (рисунок 2б).

Если после возникновения дуги снять внешнее напряжение, то проводящее состояние газового промежутка сохраниться до тех пор, пока накопленная энергия не будет поглощена и число свободных носителей не придет в норму. Данный процесс достаточно сильно затянут во времени. Большая инерционность газоразрядника является одним из основных его недостатков.

Для защиты разрядника от перегрева и разрушения используется особое корпусное исполнение с дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip). Термопредохранитель представляет собой металлическую пластину, которая работает как термостат. Если в процессе работы происходит перегрев общего вывода, то перегретый термопредохранитель деформируется и замыкает общий вывод и выводы L между собой. Ток начинает протекать вне газового промежутка. Таким образом, разрядник оказывается защищенным от перегрева и разрушения.

Достаточно сложный механизм работы разрядника – причина большого числа приводимых производителем в документации специфических параметров.

Основные параметры газоразрядников

Основными параметрами газоразрядников являются статическое и динамическое напряжение срабатывания, номинальный и импульсный ток разряда, напряжение во включенном состоянии (напряжение дуги), сопротивление изоляции, собственная емкость в состоянии покоя, параметры эксплуатационного ресурса. Каждый из параметров нуждается в особом пояснении.

Как было показано выше, пробой представляет собой многоступенчатый растянутый во времени процесс. Возникновение лавины, время пролета ионов между электродами – все это требует времени. По этой причине, если входное напряжение нарастает достаточно быстро, то к моменту включения разрядника напряжение достигнет достаточно большого значения. Чем выше скорость нарастания, тем больше будет напряжение, при котором включится разрядник (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимость напряжения срабатывания от скорости нарастания входного импульса

Чтобы учесть эту особенность, в документации указывается несколько напряжений пробоя для различных скоростей нарастания входного напряжения.

Статическое напряжение срабатывания/включения (DC Breakdown), В, определяет напряжение срабатывания при медленной скорости нарастания импульса. Обычно используется скорость нарастания 100 В/с.

Динамическое напряжение срабатывания/включения (Impulse Breakdown), В, определяет напряжение срабатывания при высокой скорости нарастания импульса. Обычно используется скорость нарастания 100 В/мкс и 1 кВ/мкс.

Напряжение дуги (Arc Voltage или On State Voltage), В – напряжение горения дуги. Фактически, эта характеристика определяет, насколько сильно разрядник может ограничить входную помеху. Данный параметр приводится для конкретного минимального значения протекающего тока.

Напряжение тления (Glow Voltage), В – вспомогательная характеристика, указывающая значение напряжения тлеющего разряда. Этот параметр имеет большое значение при маломощных помехах, которые не способны сгенерировать дугу разрядника.

Ток возникновения дуги (Glow to arc transition current), А. Как было показано выше, переход от тлеющего разряда к электрической дуге требует протекания минимального тока. По сути, данный параметр оказывается вспомогательным.

Номинальный ток разряда (Nominal Discharge Current), А – номинальное значение тока разряда, который разрядник может выдерживать без разрушения.

Номинальный ток импульсного разряда (Nominal Impulse Discharge Current), А. Традиционно указывается для вполне конкретных типов импульсов (8/20 мкс, 10/350 мкс и так далее). Чем короче импульс – тем большее значение токов способен выдерживать разрядник.

Значения разрядных токов тесно связаны с параметрами эксплуатационного ресурса. К сожалению, разрядники не являются «вечными» приборами. С течением времени они выходят из строя – разрушаются электроды, ухудшаются параметры инертного газа. Чем мощнее уровень блокируемых ими помех, тем скорее GDT приходит в негодность.

Эксплуатационный ресурс (Surge Life), количество срабатываний, указывает число срабатываний при заданных параметрах импульсов и разрядных токов.

Собственная емкость в состоянии покоя (Capacitance), пФ – емкость разрядника в выключенном состоянии.

Сопротивление изоляции (Insulation Resistance), Ом, определяет токи утечки в выключенном состоянии. Значение сопротивления разрядников составляет десятки ГОм,

Емкость GDT достаточно мала (единицы пФ), а сопротивление изоляции составляет десятки ГОм. Таким образом, одно из основных достоинств газоразрядников заключается в том, что они не влияют на параметры защищаемых цепей.

Рассмотрение принципа работы и основных параметров газоразрядников позволяет сделать выводы об их плюсах и минусах.

Особенности характеристик GDT

Говоря о достоинствах и недостатках газовых разрядников, имеет смысл сравнивать их с другими ограничивающими элементами: MOV/MLV-варисторами и TVS-диодами.

Высокое значение напряжения срабатывания и напряжения дуги. Данные значения напряжений для GDT лежат в диапазоне от десятков до сотен вольт. Таким образом, использование только GDT для защиты низковольтных цепей затруднительно. Варисторы и TVS-диоды позволяют ограничивать помехи на уровне от единиц вольт.

Зависимость напряжения срабатывания от скорости нарастания импульса. Очевидно, что данная особенность может оказаться критической. Разрядник может еще не включиться, а защищаемое оборудование успеет выйти из строя. Для варисторов и супрессоров данная зависимость не является такой сильной.

Рис. 4. Вольт-секундная характеристика газоразрядника CG5145

Низкое быстродействие. Как было показано выше, на возникновение дуги требуется значительное время. По этой причине защищаемые цепи должны выдерживать воздействие помехи до тех пор, пока GDT не включиться. Для характеристики этой особенности в документации приводят вольт-секундную характеристику (рисунок 4). Она дает представление о быстродействии прибора и процессах развития разряда в целом. По быстродействию MOV/MLV и TVS значительно превосходят GDT.

Длительный период восстановления. После снятия воздействующего импульса восстановление газового разрядника происходит достаточно долго. Это связано с необходимостью рассеивания запасенной энергии, уменьшением числа ионизированных молекул и электронов. Восстановление TVS происходит гораздо более быстрыми темпами и связано с процессами рекомбинации носителей.

Ограниченный срок службы. Возникновение дуги в обязательном порядке приводит к разрушению электродов, ухудшению параметров используемого газа. Срок службы TVS-диодов при отсутствии катастрофических помех практически ни чем не ограничен.

Однако, несмотря на эти особенности, которые необходимо учитывать, GDT имеют существенные достоинства, которые делают их незаменимыми в целом ряде случаев.

Возможность защиты от высоковольтных импульсов. Разрядники имеют возможность выдерживать импульсы напряжений амплитудой до десятков кВ.

Возможность защиты от помех высокой мощности. GDT способны выдерживать мощные импульсы с токами до нескольких тысяч ампер даже при малых габаритах.

Низкая емкость и большое сопротивление изоляции. При подключении GDT не оказывает влияния на электрические характеристики защищаемой линии. Малая емкость не вносит задержку в распространение сигнала, а большое сопротивление не оказывает большого влияния на токи утечки.

Подводя итог, можно сделать вывод о том, что GDT, варисторы и TVS-диоды не могут полноценно взаимно заменять друг друга. Для защиты от мощных помех GDT оказываются незаменимыми. Однако для защиты низковольтных цепей одних лишь разрядников будет недостаточно.

Для комплексной защиты низковольтных линий применяют каскадное включение различных защитных приборов (рисунок 5).

Рис. 5. Каскадное включение защитных приборов

При таком включении основную мощную помеху подавляет GDT. Стоит помнить, что перечисленные ограничители имеют различное быстродействие. По этой причине недостаточно простого параллельного включения приборов. Необходимо создание резистивных или индуктивных линий задержек. В противном случае при возникновении мощной помехи первым выйдет из строя TVS, за ним варистор, а разрядник еще не успеет включиться.

Среди приложений GDT основными являются:

Компания Littelfuse выпускает газоразрядники для всех перечисленных областей применения. Все GDT Littelfuse можно разделить на четыре категории: малой и средней мощности, средней и большой мощности, повышенной мощности, с большим уровнем напряжения срабатывания. Рассмотрим их более подробно.

Разрядники малой и средней мощности

К разрядникам малой и средней мощности производства Littelfuse относятся следующие серии: CG5, SL0902A, SL1002A, SL1003A, SL1010A, SL1011A. Их объединяет относительно небольшое значение токов разряда и миниатюрное исполнение (рисунок 6, таблица 1).

Рис. 6. Разрядники малой и средней мощности

Таблица 1. Параметры разрядников малой и средней мощности

Серия SL0902A имеет статическое напряжение включения от 90 В и номинальный ток разряда 5 А. Доступно два типа корпусного исполнения – трубчатое (MiniTube) и для поверхностного монтажа (SMD). По сути, SMD-версия имеет аксиальные формованные выводы.

Серия CG5 имеет аналогичные параметры и отличается наличием дополнительного корпусного исполнения с неформованными аксиальными выводами.

SL1002A отличается более широким диапазоном статического напряжения ограничения, который начинается с 75 В. Кроме того, представители серии имеют самую низкую емкость – 1,2 пФ.

Серия SL1003A имеет наибольшее, в данной категории, значение номинального тока разряда – 10 А, при этом пиковый ток достигает 10 кА. Данные разрядники имеют трехвыводное исполнение и могут быть использованы для защиты двух линий одновременно.

SL1010A также является трехвыводным разрядником и может защищать две линии. Особенностью данной серии можно считать наименьшее значение напряжения дуги – всего 10 В.

Существует возможность заказа GDT серий SL1003A и SL1010A с термопредохранителем (FailSafe version).

SL1011A имеет стандартные для данной категории параметры тока разряда, напряжений и емкости. Для защиты от импульсов большей мощности следует обратить внимание на модификацию SL1011B.

Разрядники средней и большой мощности

Серии GDT производства Littelfuse средней и большой мощности отличаются увеличенными значениями токов разряда по сравнению с описанным выше типом газоразрядников (рисунок 7, таблица 2) Большинство из этих серий можно заказать с термопредохранителем.

Рис. 7. Разрядники средней и высокой мощности

Таблица 2. Параметры разрядников средней и высокой мощности

Серия SL1011B имеет параметры, схожие с SL1011A, и большие значения номинального тока разряда – 10 А.

SL1122A отличается наименьшим диапазоном значением напряжений срабатывания – до 260 В. При этом, напряжение дуги принимает наименьшее значение среди серий данной категории и составляет 10 В. Недостатком SL1122A можно считать большую собственную емкость от 100 пФ. Возможен заказ данных GDT с термопредохранителем.

Серии SL1021A, SL1024A и PMT8 имеют схожие параметры и одинаковые трехвыводные корпусные исполнения: с радиальными выводами и для поверхностного монтажа. Однако представители PMT8 имеют повышенное значение пиковых разрядных токов – до 20 кА (импульсы 8/20 мкс). Доступны версии с термопредохранителем.

PMT3 обладает номинальным током разряда 20 А и импульсным током до 20 кА. Это – рекордные значения для данной категории. Для PMT3 также доступна версия с термопредохранителем.

Серии CG/CG2 также имеют высокие значения разрядных токов. Кроме того, напряжение дуги для CG/CG2 нормировано и составляет 15 В.

Серия SL1411A имеет типовые показатели токов и нормированное напряжение дуги 20 В.

Газоразрядники повышенной мощности

Разрядники сверхвысокой мощности обладают повышенными значениями тока импульсного разряда (рисунок 8, таблица 3).

Рис. 8. Разрядники сверхвысокой мощности

Таблица 3. Параметры разрядников сверхвысокой мощности

Характеристики серий SL1021B и SL1024B аналогичны сериям SL1021A и SL1024A, но ток импульсного разряда для них составляет 20 кА.

Серия SL1026 отличается особым корпусным исполнением и предназначена для установки в специальный держатель (Type 1053 Holder). Благодаря ему, замена газоразрядника становится достаточно простой задачей. SL1026, в силу большой мощности и возможности простого технического обслуживания, могут применяться в особо ответственных приложениях.

Разрядники с высоким напряжением срабатывания

К категории газоразрядников с высоким напряжением срабатывания относятся серии AC и CG3, выпускаемые в корпусе с аксиальными выводами (рисунок 9, таблица 4).

Рис. 9. Разрядники высокой мощности

Таблица 4. Параметры разрядников высокой мощности

Серия AC оптимальна для работы в составе промышленных и бытовых двух- и трехфазных сетей переменного тока. Для данной серии статическое напряжение включения начинается с 285 В.

CG3 применяется в специфических приложениях, чье напряжение срабатывания должно быть более 1000 В. Максимальное значение данного параметра для представителей серии составляет 7500 В.

Номенклатура GDT производства компании Littelfuse достаточно обширна, что может привести к трудностям при выборе подходящего компонента. Однако для выбора наиболее оптимального газоразрядника можно воспользоваться достаточно простым алгоритмом, который описан ниже. Кроме того, многие серии имеют особенности, которые определяют их оптимальные области применения.

Области применения и алгоритм выбора газоразрядников Littelfuse

При необходимости выбора оптимального разрядника в первую очередь следует обратиться к рекомендациям самой компании Littelfuse по применению различных серий. В большинстве случаев каждая серия имеет вполне определенные области применения (таблица 5).

Таблица 5. Области применения газоразрядников Littelfuse

Если предполагается использование GDT в специфической области, то следует обратиться к формализованному алгоритму, состоящему из следующих шагов:

Очевидно, что в большинстве случаев выполнить данные требования достаточно сложно. В этом случае необходимо применять каскадирование защитных устройств (рисунок 4).

Заключение

Газовые разрядники имеют достоинства, которые делают их незаменимыми для защиты от мощных помех. При этом наиболее эффективную защиту удается получить при совместном применении различных ограничительных компонентов: GDT, MOV/MLV-варисторов и TVS-диодов.

Компания Littlefuse выпускает множество серий газоразрядников:

Многообразие серий и характеристик газоразрядников производства компании Littlefuse позволяет применять их в составе телекоммуникационного, промышленного, медицинского, коммерческого оборудования.

Источник