3.8 Газоразрядные трубки

Основным применением компонента GDT является защита электрического и электронного оборудования от грозовых разрядов — молний (lightning). Такие события в мире происходят очень часто — около 100 раз в секунду, т. е. более 8 млн ударов молнии в течение одного дня.

Грозовые разряды вызывают токи до 200 кА. При ударе молнии в атмосфере создается канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. Длительность импульса может достигать 500 мкс, а напряжение — 100 кВ.

Обычно 90 % энергии отводится внешними громоотводами, а 10 % попадает в электрические цепи здания, что может повлиять на электрические и электронные устройства как прямым воздействием тока, так и через наведенные потенциалы. Как правило, кратковременные всплески повышенного напряжения в электронном оборудовании, вызванные молнией, не всегда являются результатом ее прямых ударов. Разряд молнии создает магнитное поле, которое может индуцировать импульсы большой величины в близлежащих электрических кабелях, причем как в воздушных линиях напряжения, так и в кабелях, проложенных в каналах под землей. При этом результаты не всегда могут быть предсказуемы, и величина импульсов напряжения находится в пределах от десятков вольт до десятков киловольт, в зависимости от расстояния объекта до места разряда молнии.

Газоразрядное устройство GDT содержит герметичную трубку, заполненную инертными газами (как правило, аргоном или неоном), и имеющую электроды, сделанные из специального сплава, и расположенные с определенным промежутком. Это устройство помещено в стеклянный или керамический корпус, и при появлении высокого импульсного напряжения в трубке возникает разряд. Для стабилизации параметров при разряде в газ иногда добавляется небольшое количество радиоактивного материала. Напряжение разряда (Sparkover Voltage) определяется расстоянием между электродами, применяемым газом, давлением (ниже атмосферного) и степенью роста импульса напряжения. Так, чем меньше скорость нарастания фронта импульса, тем выше должно быть напряжение, создающее разряд.

Сравнительная простота устройства и соблюдение точности в размерах GDT обеспечивают их высокую надежность и устойчивые характеристики.

Рассмотрим основные параметры GDT и применяемую к ним терминологию.

• DC Sparkover (Breakdown) Voltage — напряжение, при котором происходит разряд в компоненте GDT, когда он находится под воздействием медленно возрастающего напряжения на уровне dv/dt = 100 В/с. Этот параметр является основной характеристикой газоразрядной трубки и может быть установлен с нижним и верхним ограничением или с номинальным напряжением и допуском, как правило, ±20 %.
  
  Данный параметр обычно применим к условиям продолжающихся перенапряжений с более медленным возрастанием по сравнению с кратковременными всплесками напряжения. GDT очень чувствительны к скорости роста импульса напряжения (dv/dt), увеличивающей напряжение разряда Sparkover Voltage при более быстрых импульсах.
  
  Возможные диапазоны данного параметра напряжения:

• • Минимальное — 75 В.
  • Среднее — 230 В.
  • Высокое — 500 В.
  • Очень высокое — от 1000 до 4000 В.
    
    
• Impulse Sparkover Voltage — напряжение, при котором происходит разряд в компоненте GDT, когда он находится под воздействием быстро возрастающего импульса на уровне dv/dt = 1 кВ/мкс. При одинаковом напряжении DC Breakdown, чем ниже напряжение Impulse Sparkover, тем быстрее реакция и, соответственно, обеспечивается лучшая защита.
• Impulse Discharge Current — максимальное значение тока, которое GDT может выдержать без повреждений в пределах, установленных спецификацией. Этот ток может быть определен со значением 5 кА или 10 кА, в зависимости от типа компонента. Данный параметр определяется для импульса тока разряда с формой 8/20 мкс.
• AC Discharge Current — максимальное значение переменного тока, которое GDT может выдержать без повреждений. Этот тест, как правило, используется для симуляции ситуации, когда AC линии питания оказываются соединенными с телефонной линией (Power Cross), т. е. длительное событие, отличное от воздействия удара молнии, но требующее надежной защиты.
• Holdover Voltage — максимальное напряжение постоянного тока на электродах газоразрядной трубки в состоянии низкого импеданса режима искрения после срабатывания от выброса напряжения. При напряжении Holdover Voltage можно ожидать выключения GDT и его возвращения к первоначальному высокому сопротивлению.
• Insulation Resistance — значение сопротивления между электродами GDT в режиме off state (при нормальном функционировании защищаемого изделия). Оно обычно находится в диапазоне ГОм.

Рис. 3.36. Символ GDT в электрических схемах

• Capacitance — значение емкости GDT, измеряемое на частоте 1 МГц.
• Transition time — время, требуемое напряжению на электродах GDT в проводящем состоянии снизиться до значения области искрения с момента начальной стадии проводимости GDT.

Символы для обозначения газоразрядных трубок в электрических схемах, а также в технических описаниях их конкретного применения приведены на рис. 3.36.

Газоразрядные трубки выпускаются с двумя электродами, обеспечивающими защиту одиночных линий относительно другой линии или заземления, а также с тремя электродами, обеспечивающими защиту парных линий, т. е. той или другой линии к заземлению или между линиями (рис. 3.37). GDT с тремя электродами чаще всего применяются в системах телекоммуникации для защиты телефонных линий.

Рис. 3.37

Когда импульс повышенного напряжения достигает значения, при котором происходит разряд (DC Sparkover Voltage), GDT фактически переходит к короткому замыканию, известному как режим искрения (Arc Mode). В этом режиме GDT практически обеспечивает закорачивание защищаемой линии, отводя всплеск тока к заземлению и тем самым удаляя волну перенапряжения.

Процесс функционирования GDT при защите от наиболее сильных выбросов напряжения и изменения характеристик наглядно представлен диаграммой на рис. 3.38. При нормальных рабочих напряжениях, ниже номинального напряжения разряда, GDT остается в состоянии высокого импеданса с сопротивлением порядка 1 ГОм и более (off-state). С увеличением напряжения на электродах GDT переходит к режиму тлеющего разряда (Glow Voltage), когда газ в трубке начинает ионизироваться из-за развивающегося заряда. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, и в трубке поддерживается сильная ионизация. Увеличение проходящего тока при тлеющем разряде создаст эффект пробоя в ионизации газа и, соответственно, переход GDT к режиму короткого замыкания. При этом ток, зависящий от импеданса источника напряжения, будет протекать между двумя проводниками. Напряжение, возникшее на электродах GDT в режиме короткого замыкания, называется напряжением искрения или электрической дуги (Arc Voltage V_ARC ).

Рис. 3.38

Время перехода от тлеющего разряда к области электрической дуги зависит от возможного тока импульса, формы электродов и расстояния между ними, состава газа и его давления. Параметр V_ARC (Arc Voltage) определяет рассеиваемую мощность GDT в процессе защиты линий переменного тока, и желательно его более низкое значение, чтобы поддержать минимум требуемой мощности рассеивания и продлить срок жизни (lifetime) компонента GDT.

С другой стороны, V_ARC при защите цепей постоянного тока должно быть выше, чем пик рабочего напряжения защищаемого изделия, чтобы гарантировать возврат GDT к нормальному состоянию (turn off) после прекращения импульса.

При разработке газоразрядных компонентов предусматривается их способность выдерживать многократные импульсы без повреждений или ухудшения параметров, установленных спецификацией. Правильный выбор GDT для конкретного применения должен принимать во внимание следующие характеристики, упомянутые ранее:

• DC Sparkover Voltage, В;
• Impulse Sparkover Voltage, В;
• Discharge Current, кА;
• Insulation Resistance, ГОм;
• Capacitance, пФ.

Характеристики сопротивления изоляции (до >10 ГОм) и емкости (менее 1 пФ) способствуют тому, что GDT оказывается «невидимым» (transparent) для защищаемого изделия, т. е. не влияющим на функционирование изделия в нормальных условиях. Необходимо учесть и требования к технологии и монтажу (GDT с выводами, для поверхностного монтажа или в держателе).

Практическую пользу могут оказать следующие рекомендации при выборе GDT:

1. Минимальное напряжение DC Breakdown должно быть выше максимального рабочего напряжения защищаемой схемы.
2. Напряжение Impulse Sparkover должно быть ниже, чем наибольшее напряжение, которое может выдержать защищаемое электронное изделие.
3. При защите схем постоянного тока напряжение Arc Voltage должно быть выше, чем пиковое значение DC напряжения.
4. Номинальное значение Surge Current должно быть выше допустимого значения аналогичного параметра защищаемой схемы.

Через газоразрядное устройство может проходить ток до 100 кА, но, несмотря на способность выдержать мощные импульсы напряжения и тока, GDT обладает проблемой, связанной с замедленной реакцией от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с MOV-варисторами и в сотни и более раз медленнее по сравнению с TVS-диодами. Поэтому в схемах защиты от перенапряжений обычно используют комбинации различных компонентов.

Не существует идеального компонента от импульсных помех, способного обеспечить наилучшие свойства и параметры для каждого конкретного применения. Во многих случаях GDT- и MOV-варисторы, дополняющие по характеристикам друг друга, могут быть совмещены в схеме, обеспечивая наиболее эффективную защиту. Так, варистор быстро заблокирует растущий выброс напряжения, тогда как GDT благополучно обеспечит рассеивание значительного пика тока к заземлению.

Как было указано выше, газоразрядные трубки существуют с двумя электродами и с тремя электродами. При этом конструкция GDT отличается разнообразием не только в размерах, но и в механическом исполнении. Они выпускаются как с выводами (радиальными и осевыми), так и без выводов для технологии поверхностного монтажа на печатной плате.

Международным стандартом для тестирования систем переменного тока и проверки их устойчивости к броскам напряжения от ударов молний является стандарт IEC 61000-4-5, упомянутый ранее. Тесты проводятся при комбинации импульсов напряжения с формой 1.2/50 мкс и тока с формой 8/20 мкс (рис. 3.18), при этом пик импульса напряжения достигает 6 кВ, а пик тока — 3 кА.

Для тестирования систем коммуникации и линий передачи данных могут использоваться импульсы с иной длительностью нарастания и спада.

Ниже приведены примеры фирмы TDK-EPCOS по защите широко распространенных устройств телекоммуникации и линий питания.

На рис. 3.39 показана схема защиты телефона, факса или модема с помощью компонентов GDT, предохраняющих оборудование от мощных импульсов напряжения при синфазном сигнале «провод — земля» (Common Mode), когда импульсы появляются на обеих (Tip и Ring) телефонных линиях. При возникновении перенапряжений разрядник защищает обе линии, отводя импульс тока к заземлению.

Рис. 3.39. Защита телефона, факса, модема

При защите двухпроводной линии (2-wire line), например телефонной пары посредством двух газоразрядных трубок с двумя электродами, подключенных между линиями и землей (рис. 3.39 сверху), могут возникнуть следующие проблемы:

• Каждая линия подвержена воздействию всплесков напряжения в режиме Common Mode.
• Из-за разброса (±20 %) параметра напряжения разряда (Sparkover Voltage) одна из трубок «сработает» раньше другой на очень короткое время (несколько микросекунд).
• Данная линия окажется заземленной, не принимая в расчет напряжение искрения (Arc Voltage) и переводя перенапряжение из режима Common Mode в режим Differential Mode, очень опасный для защищаемого оборудования.

Риск исчезает лишь тогда, когда вторая газоразрядная трубка также срабатывает.

Газоразрядные трубки с трехэлектродной геометрией исключают указанный недостаток. Срабатывание одного полюса трубки приводит к общему разряду компонента почти немедленно (в течение нескольких наносекунд), так как в такой трубке имеется один общий источник газового разряда (рис. 3.39 снизу).

Сигнальные линии часто не имеют заземляющего проводника и двухэлектродный GDT, расположенный между двумя сигнальными линиями, препятствует образованию большой разницы потенциалов на входе защищаемого изделия, что может привести к его повреждению (рис. 3.40).

Рис. 3.40. Защита сигнальных линий

Эта схема предлагает защиту в дифференциальном режиме, т. е. «провод — провод» (Differential Mode).

Помехи в режиме «провод — провод» являются самыми опасными для электронной аппаратуры, поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал.

Газоразрядные трубки успешно применяются и для защиты коаксиальных кабелей, прокладываемых в сетях кабельного телевидения (рис. 3.41а), так как они не создают помех защищаемой системе благодаря их низкой собственной емкости в пределах от 0.5 до 1 пФ. Они подключаются между центральным проводником и экранировкой, которую рекомендуется заземлять.

Телекоммуникационные устройства, компьютеры, усилители кабельного телевидения и аналогичное оборудование могут быть подвергнуты всплескам напряжения через силовые линии. Комбинация разрядника с варистором создает надежную защиту в подобных случаях (рис. 3.41б). При этом проводники фазы и нейтральной линии соединяются с потенциалом земли обоих компонентов защиты.

Все рассмотренные компоненты защиты от перенапряжений относятся к средствам, предотвращающим повреждения электронного оборудования от опасных всплесков напряжения и отводящим их от чувствительной схемы. Эти компоненты защиты относятся к двум основным группам — блокирующие и переключающие.

• Блокирующие (Clamping Type) — ограничивают величину импульса до безопасного уровня, изменяя свой импеданс, зависящий от величины протекающих через них тока или приложенного к ним напряжения (рис. 3.42). Компонент блокирует напряжение при значении выше, чем стандартное рабочее напряжение, но ниже уровня, способного причинить повреждения защищаемому устройству. Наиболее распространенные компоненты, относящиеся к данной группе, это TVS-диоды, MOV-варисторы, а также многослойные и полимерные варисторы. Блокирующие компоненты должны обладать низким динамическим сопротивлением, чтобы при больших токах напряжение не превысило уровня, допустимого для наиболее чувствительных элементов схемы.
• Переключающие (Crowbar Type) — при возникновении импульса повышенного напряжения такие компоненты защиты резко меняют свое состояние с высоким импедансом на состояние с низким импедансом, который обеспечивает линию заземления, эффективно шунтирующую значительные по величине броски тока, отводя их от особо чувствительных схем, подключенных параллельно (рис. 3.43).

Рис. 3.42

Рис. 3.43

Основным преимуществом переключающих компонентов защиты является их способность справиться с большими токами без аварий и перегрева, что создает для защищаемого оборудования условия со стрессами более низкого уровня по сравнению с компонентами, функционирующими в режиме блокировки.

Газоразрядные трубки являются наиболее распространенным примером для данной группы.

В таблице 3.15 приведено детальное сравнение (с преимуществами и недостатками) компонентов защиты (TVS-диоды, MOV-варисторы и GDT), помогающее разработчикам электронной аппаратуры в правильном выборе оптимального компонента для конкретного применения.

Табл. 3.15. Сравнительная таблица компонентов защиты от повышенных напряжений

СТАНДАРТ UL 1449

Стандарт UL 1949 Standard for Surge Protective Devices (SPD) является основным международным стандартом с требованиями к компонентам, предназначенным для защиты электрических/электронных цепей от всплесков повышенного напряжения. Этот стандарт разработан американской независимой стандартизирующей организацией Underwriters Laboratories (UL) и он устанавливает требования к электрическим изделиям с рабочим напряжением до 1000 В AC в применениях, содержащих риск пожара, ударов электрического тока или иных травм персонала.

Стандарт UL 1449 является одновременно и американским стандартом ANSI (American International Standard Institute). При его соблюдении подтверждается безопасное функционирование компонентов SPD в результате их тщательной проверки, включая ряд обязательных (разрушающих и неразрушающих) тестов, гарантирующих безопасную работу компонентов как в нормальных условиях, так и до окончания их жизненного цикла (неисправности). Их характеристики при неисправности особенно важны, так как эти компоненты, предназначенные для защиты от вредоносных факторов, могут затрагивать функционирование самих электронных изделий (систем). Особая важность придается тестам токов при неисправности, температурным воздействиям и т. д.

Компоненты SPD маркируются с номинальным напряжением защиты — Voltage, Protection Rating (V_PR), полученным в результате тестирования номинального тока разряда с использованием импульсов тока короткого замыкания от генератора импульсов 6 кВ, 3 кА. Параметры роста и затихания импульсов базируются на стандартных формах импульса: 1.2/50 мкс для напряжения открытой цепи и 8/20 мкс для тока короткого замыкания.

Важным аспектом компонентов, нередко вызывающим неправильное понимание, являются их две возможные характеристики (Listed и Component Recognized) и различие между ними:

• Listed SPD — компонент защиты, который соответствует всем требованиям стандарта UL 1949.
• Component Recognized SPD — компонент, который возможно не представлен к соответствию всем требованиям стандарта.

Использование компонентов защиты, соответствующих требованиям UL 1949, поможет обеспечить надежное и безопасное функционирование разрабатываемых электронных изделий.