Газоразрядники принцип действия

Разрядник- принцип работы, устройство и его виды

Сейчас в наше время разрядники распространены повсеместно. Поэтому вопросы о разрядниках стали актуальными. Но на большинстве сайтов информация очень  сложная и непонятная. Эта статья очень проста в понимании. Из неё вы узнаете: что такое разрядник, принцип работы, устройство и виды разрядников.

В современной электронике довольно часто возникают сильные всплески напряжения. Перенапряжения могут сильно повлиять на электрические устройства, работающие при нормальных условиях, даже если они кратковременны. Причиной этого может  стать плохая коммутация электрических цепей, слабая изоляция, резонансные помехи. Причины бывают, как и внутренние, так и внешние. Атмосферные разряды гроз могут стать внешней причиной перенапряжения.

Для предохранения от перенапряжения  раньше применялись только громоотводы. Сейчас с высоким развитием современной электроники стали применяться такие замечательные устройства, как разрядники.

Что такое разрядник?

Разрядник- это устройство, которое защищает современную электронику от высоких скачков напряжения.

С высоким развитием промышленности удалось сделать разрядники экономичными и эффективными для использования в своих целях. Сейчас в наше время использование надежной изоляции весьма дорого и неэффективно, удобнее всего,  конечно же, использовать разрядники.

В узком смысле разрядники являются защитными элементами электрических цепей, без которых  часто бы портились электрические приборы, изоляция ЛЭП кабелей или проводов.

Устройство разрядника

Разрядник состоит из двух основных частей: электродов и дугогасительного устройства.

Устройство разрядника  в зависимости от его вида бывает разным.

Разрядник имеет прочный герметичный корпус, который предохраняет его от внешних   механических повреждений. Промежуток между электродами называется искровым промежутком. Один из электродов присоединяется к защищаемому элементу электрической цепи, а другой обязательно заземляется. Без заземления разрядник бесполезен.

Важно то, что дугогасительное устройство несёт большее значение в работе разрядника, в ином случае разрядник  не сможет предотвратить от фазного пробоя. Фазный пробой повлечет за собой короткое замыкание (КЗ).

Рис 2. Устройство трубчатого разрядника

Пробивное напряжение – это одна из главных характеристик разрядника, которая показывает напряжение, при котором в разряднике, между его электродами возникает искры, то есть разрядник пробивается. Полярность подключение к электродам  2 и 3 не имеет существенной разницы, если это разрядник переменной сети.

Дугогасительное устройство в данном случае представляет из себя корпус, который выделяет газ. Современные методы производства позволяют создавать разрядники  различных характеристик.

Принцип работы разрядника

Принцип работы разрядника довольно прост, как и его устройство. При возникновение перенапряжения на электродах разрядника значительно возрастает напряжение. Если это напряжение станет больше напряжение пробоя, которое прописано в характеристике устройства, то возникнет пробой.

Между электродами проскочит искра. При этом снизится напряжение на его электродах, а в искровом промежутке ионизируется воздух. Разрядник станет пробиваться фазным напряжением и возникнет короткое замыкание.

Чтобы этого не произошло, в разряднике присутствует дугогасительное устройство. В зависимости от вида разрядника имеются различные виды дугогасительных устройств. Все разрядники подразделяются на несколько  видов.

Ниже представлены основные виды разрядников.

Трубчатый разрядник

Трубчатый разрядник представляет собой трубку из прочного материала. Сам материал – это различные полимеры. Самый распространённый из них – это полихлорвинил. Полихлорвинил способен вынести  температуру, пригодную для данного типа разрядников.

В трубку помещены два электрода (рис 1.). Один присоединяется к защищаемому элементу, а другой заземляется. Принцип работы трубчатого разрядника довольно прост.

https://www.youtube.com/watch?v=2ZZwQRD6q4I

При напряжении пробоя образуется искра, которая ионизирует воздух. Воздух сильно нагревается, при этом идет массовое выделение газов.

Интенсивная газовая генерация гасит дугу фазного напряжения. Такое дугогасительное устройство называется продольным дутьём. Для выхода газов наружу, в  разряднике имеется отверстие.

Газовый разрядник отличается от воздушного только тем, что его корпус наполняют инертным газом (аргоном или неоном). В отличие от воздушного разрядника, в газовом разряднике дугу, образованную фазным напряжением, гасят инертные газы.

В современной электронике трубчатые разрядники распространены повсеместно. Они просты по устройству и надежны.  Пробивное напряжение воздушных разрядников невысокое, поэтому такие разрядники не применяются в более высоковольтной аппаратуре.

Более высокое пробивное напряжение  у газовых разрядников. Они гораздо эффективнее, так как газы не вступают в реакции, тем самым продлевают жизнь электродам.

Рис 3. Трубчатый разрядник

Вентильные разрядники

Вентильный разрядник состоит из набора многократно повторяющихся искровых промежутков и нелинейных сопротивлений.

Принцип работы вентильного разрядника немного другой, чем у трубчатых разрядников. Во время работы электроды искрового промежутка снимают перенапряжения, а нелинейные сопротивления(резисторы) гасят дугу фазного напряжения.

Резисторы состоят из набора вилитовых дисков. Вилит – это запеченная смесь карбида кальция с жидким стеклом. По сравнению с трубчатыми и газовыми разрядниками, вентильные разрядники  имеют более высокое напряжение пробоя.

Рис 4. Вентильный разрядник.

Магнитовентильный разрядник (РВМГ)

В отличие от устройства вентильного разрядника, в устройство магнитовентильного разрядника входит набор кольцевых магнитов.

Принцип работы магнитовентильного разрядника немного другой. При пробое фазным напряжением образуются дуга. Под воздействием магнитного поля магнитов   дуга начинает вращаться, тем самым дуга гасится.

Рис 5. Магнитовентильный разрядник (РВМГ).

Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН)

ActionTeaser.ru — тизерная реклама Ограничители перенапряжения нелинейные не имеют электродов. Они состоят из набора нелинейных полупроводниковых сопротивлений – варисторов.

Варистор – это полупроводниковый резистор, который меняет сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. При возрастании напряжения, сопротивление варистора падает, поэтому он пропускает через себя электрический ток, тем самым снимая напряжение с защищаемого участка электрической цепи.

Варисторы в процессе работы очень сильно нагреваются, поэтому корпуса нелинейных ограничителей перенапряжения делают теплопроводными. Это позволяет отводить тепло.

Сама конструкция ОПН очень проста,  поэтому это упрощает методы производства. Также у ОПН неплохие технические характеристики. Количество варисторов можно варьировать в зависимости от нужного пробивного напряжения нелинейного ограничителя перенапряжения.

Рис 6.Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН).

Это позволяет радиолюбителем широко использовать такие замечательные устройства.

Источник: https://samosoverhenstvovanie.ru/chto-takoe-razryadnik/

Выбор разрядников для защиты от перенапряжения

instrument.guru > Электричество > Выбор разрядников для защиты от перенапряжения

Во время переключений или под воздействием грозовых разрядов в электротехническом оборудовании и линиях электропередачи могут возникать импульсы высокого напряжения, в несколько раз превышающие номинальное значение. Поскольку изоляция не рассчитана на такое напряжение, может произойти её пробой, сопровождающийся аварией. Чтобы предотвратить её, применяются электрические устройства (разрядники), защищающие от импульсов перенапряжения.

• Устройство разрядника и принцип действия
• Виды разрядников
• Выбор разрядников
• Выбор по параметрам

Устройство разрядника и принцип действия

В любом разряднике есть электроды, расстояние между которыми называется искровым промежутком и устройство гашения дуги. Один электрод подключается к защищаемому оборудованию, а другой заземляется. При увеличении напряжения выше величины, определяемой размером промежутка между электродами, он пробивается, и импульс перенапряжения отводится через заземление.

Основным параметром ограничителей является гарантированная электрическая прочность при номинальном напряжении. Сие означает, что устройство, ни при каких условиях не сработает в штатной ситуации. В момент прохождения импульса включается устройство гашения электрической дуги. Оно должно быстро (в течение полупериода) устранить короткое замыкание, образованное дугой, чтобы не успели сработать устройства защиты от перегрузки.

Виды разрядников

Каталог производимых устройств позволяет сделать выбор разрядников наиболее полно отвечающим предъявляемым требованиям и предпочтительных по цене.

Воздушные (трубчатые) разрядники изготовляются в виде трубок из полимера, который при нагреве может выделять большое количество газа. На концах трубки закреплены электроды, расстояние между которыми определяет величину напряжения срабатывания. Во время пробоя материал трубки начинает выделять газ, который выходя через отверстие в корпусе, создаёт дутьё, гасящее электрическую дугу. Напряжение срабатывания превышает 1 кВ.

Газовые разновидности конструктивно аналогичны предыдущим моделям. Пробой осуществляется в герметичной трубке из керамики, содержащей инертный газ. Ионизация газа обеспечивает более быстрое срабатывание, а его давление надёжное гашение дуги. Порог срабатывания может быть от 60 вольт до 5 кВ. Для индикации превышения напряжения часто используется неоновая лампочка.

Вентильные устройства состоят из нескольких искровых промежутков, соединяемых последовательно, и сопротивления, составленного из вилитовых дисков (рабочий резистор). Между собой они соединяются последовательно. Поскольку характеристики вилита зависят от влажности, его помещают в герметичную оболочку.

Во время пробоя задачей резистора является понижение тока короткого замыкания до величины, успешно гасимой искровыми промежутками. Так как величина сопротивления вилита нелинейная ― она тем меньше, чем больше ток, то это даёт возможность пропускать значительный ток при малом падении напряжения. К преимуществам данных приборов нужно отнести срабатывание без шумовых и световых эффектов. Эти разрядники википедия характеризует устаревшими и уже не производящимися.

Магнитовентильные модификации собираются из ряда блоков, снабжённых магнитными искровыми промежутками, и равным им количеством дисков из вилита. Единичный блок состоит из ряда последовательно соединённых искровых промежутков и постоянного магнита, помещённых в корпус из фарфора. В момент пробоя возникшая дуга под воздействием магнитного поля образуемого кольцевым магнитом приобретает вращение, поэтому гасится быстрее, чем в вентильных устройствах.

В длинно-искровых устройствах используется явление скользящего разряда, обеспечивающего значительную протяжённость пути импульса по наружной стороне разрядного элемента. По длине разрядный элемент значительно превышает изолятор электролинии, но электрическая прочность его меньше, поэтому возможность возникновение дуги равна нулю. Этот вид используется на 3-ёхфазных линиях электропередачи. Они могут работать при температуре от — 60° C до + 50° C 30 лет.

В ограничителях перенапряжения нелинейных искровые промежутки отсутствуют. Вместо них используются последовательно соединённые окисно-цинковые варисторы. Их сопротивление тем меньше, чем больше сила тока, поэтому отведение импульса перенапряжения происходит очень быстро с моментальным возвратом в исходное положение. Для пропуска больших токов допускается параллельная установка нескольких ограничителей одной марки. Ограничитель устанавливается на весь срок службы защищаемого объекта.

Выбор разрядников

Прежде всего, нужно определиться с классом прибора:

1. Класс A ― это устройства для защиты от прямого удара молнии в электросеть или в объект, расположенный рядом с ЛЭП. Устанавливаются снаружи, обычно в местах подключения кабеля к воздушной линии. Если есть молниеотвод, то устанавливаются в обязательном порядке. Надёжно справляются с импульсами 6 кВ.
2. Класс B ― эти приборы устанавливаются на вводах в здания при условии, что наружная защита уже имеется. Наиболее часто применяются в качестве первой линии защиты частных домов. Порог срабатывания составляет 4 кВ.
3. Класс C ― защита от остаточного перенапряжения величиной до 2,5 кВ. Как правило, устройства этого класса размещаются в распределительных щитах, но предпочтительней установка рядом с защищаемым электроприбором на расстоянии не более 5 м. Поскольку ток в заземляющем проводе молниеотвода создаёт импульс перенапряжения в проводах электропроводки, то при его наличии ограничитель следует располагать на минимально возможном расстоянии.
4. Класс D ― ограничители для оборудования чувствительного к импульсному перенапряжению. Их подключение желательно, если расстояние от устройства C до оборудования более 15 м. Их монтаж допустим, если уже имеется защита более высокого уровня, иначе они выйдут из строя при первом же импульсе выше 1,5 кВ.

В соответствии с указанным ранжиром создаются схемы селективной защиты. Самой популярной является схема B ― C , которая надёжно защищает от перенапряжения 1,5 ― 2,5 кВ. Для защиты дорогостоящей электронной аппаратуры сооружается защита от A до D включительно.

Выбор по параметрам

Выбирать конкретное защитное устройство, работающее на разрядниках или варисторах, нужно по следующим параметрам:

• максимально допустимое рабочее напряжение, при котором устройство остаётся в исходном состоянии;
• значение номинального напряжения указывает при каком перенапряжении в момент запуска оборудования ограничитель будет заблокирован на 10 секунд;
• номинальный ток разряда, по величине которого определяется класс устройства;
• величина пропускаемого тока показывает, какое перенапряжение может быть сброшено без выхода прибора из строя;
• устойчивость к медленному увеличению напряжения показывает возможность пропускания прибором аномальных токов без критических последствий;
• максимально допустимый ток, пропускаемый устройством;
• устойчивость к коротким замыканиям, способных вывести ограничитель из строя, но не приводящих к взрыву корпуса.

Остальные значения, указанные в техническом паспорте нужны для проведения испытаний и наладки систем защиты на промышленных предприятиях. Поскольку создание системы защиты от перенапряжения дело ответственное, то если нет опыта лучше монтаж разрядников и заземления поручить специалистам.

Источник: https://instrument.guru/elektrichestvo/vybor-razryadnikov-dlya-zashhity-ot-perenapryazheniya.html

Гибридное устройство фирмы EPCOS для защиты электрооборудования от перенапряжения

Заказать этот номер

2003№3

Сочетание металлооксидного варистора и газоразрядника (гибридное защитное устройство) может выдерживать импульсные токи более 10 кА. Гибридное защитное устройство фирмы EPCOS значительно лучше по своим свойствам, чем обычные полупроводниковые защитыне устройства.

В течение длительного времени для защиты телекоммуникационного оборудования от перенапряжения в основном использовались металлооксидные варисторы. Однако технологические усовершенствования интегральных схем в интерфейсных цепях абонентских линий и их большая чувствительность к перенапряжению привели к замене варисторов на диодные тиристоры.

Газонаполненные разрядники, традиционно используемые для защиты электронного оборудования в США, обычно применяются совместно с воздушным зазором. Единственной функцией воздушного зазора является обеспечение резервного пути для импульсного тока в случае утечки газа из разрядника или другой неисправности газоразрядника.

Стандартное расстояние между электродами, равное от 1 до 2 мм, обеспечивает напряжение пробоя воздушного зазора от 2000 до 3000 В, что связано с риском для обслуживающего персонала. Воздушный зазор с напряжением пробоя менее 1200 В применяется для понижения избыточного напряжения в случае неисправности газоразрядника.

Испытания показали, что варистор не только удовлетворяет требованиям, предъявляемым к воздушному зазору, но и при правильном выборе даже улучшает работу газоразрядника путем понижения его предельного (ограничительного) напряжения и, соответственно, напряжения на защищаемом электронном оборудовании. Хотя разрядник может использоваться для ограничения возникающих от удара молнии бросков напряжения до 600 В и меньше, при импульсном напряжении от 1000 В/мкс рабочее напряжение разрядника также возрастает, что может привести к выходу из строя защищаемого электронного оборудования.

Новое гибридное защитное устройство (см. рис. 1) использовать выгоднее, потому что оно сочетает высокую устойчивость к импульсному току, свойственную разряднику, с низким напряжением и при этом выпускается в монолитном твердом корпусе.

При правильном взаимодействии между конкурирующими компонентами (разрядником и варисторами) гибридное защитное устройство способно отлично выдерживать удары молнии и скачки напряжения в сети и может использоваться в различных частях света. Гибридные защитные устройства, разработанные фирмой EPCOS, в настоящее время поставляются как на европейский, так и на азиатский рынок и соответствуют всем стандартам качества.

Газоразрядник

Газонаполненный разрядник герметичен и устойчив к внешним электрическим воздействиям.

В качестве газа в нем обычно используется смесь аргона и неона. Напряжение пробоя разрядника зависит от состава газа и его давления. Газоразрядники идеально подходят для разряда сверхвысоких импульсных токов (например, 10 кА, 8/20 мкс) и надежно защищают телекоммуникационное оборудование от перенапряжения. Благодаря их высокому сопротивлению изоляции и очень низкой собственной паразитной емкости (менее 2 пФ) газоразрядники не создают помех для работы защищаемого оборудования.

Ключевым параметром разрядников является постоянное напряжение пробоя, определяющееся из номинального напряжения пробоя газа и обычно измеряющееся при 100 В/с.

Однако если на разрядник действуют волны напряжения с большой скоростью нарастания, его импульсное напряжение пробоя превышает постоянное напряжение пробоя к концу времени ионизации газа. Импульсное напряжение пробоя разрядника является в этом динамическом ряду напряжением воспламенения. Например, стандартный разрядник с номинальным постоянным напряжением пробоя 230 В при 100 В/с может иметь напряжение воспламенения около 500 В при 1000 В/мкс и 600 В при 10000 В/мкс (рис. 2).

Металлооксидный варистор

Металлооксидный варистор (рис. 3) состоит из множества зерен оксида металла (например, цинка), помещенных в не проводящий ток материал. Сопротивление варистора сильно зависит от приложенного к нему напряжения: при увеличении напряжения ток через варистор начинает резко возрастать. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора показана на рис. 3 и 4.

У зерен оксида цинка электрическая проводимость высокая. Под действием приложенного к варистору напряжения зерна начинают выстраиваться в «цепочки», при этом соприкасаясь между собой, вследствие чего сопротивление варистора резко снижается.

При низком сопротивлении через варистор может течь ток в несколько ампер, а в течение короткого времени — и килоампер.

Максимальное напряжение варистора для заданного тока на участке ВАХ выше напряжения срабатывания варистора может быть определено непосредственно по ВАХ варистора (рис. 4). При очень высоких токах работа варистора зависит только от протекающего через него тока, так как сопротивлением границ зерен оксида цинка можно пренебречь.

Таким образом, при увеличении тока максимальное (предельное) напряжение варистора также возрастает.

Металлооксидные варисторы могут выдерживать значительно большие импульсные токи, чем полупроводниковые диоды. У дискового варистора с диаметром 3 мм номинальный ток примерно равен 100 А при длительности фронта волны тока 8/20 мкс.

Гибридное защитное устройство EPCOS

Гибридное защитное устройство фирмы EPCOS сочетает высокую устойчивость к току, свойственную газоразряднику, с отличным быстродействием, характерным для варистора. Это обеспечивает надежную защиту современного чувствительного электронного оборудования от перенапряжения.

Гибридное защитное устройство имеет следующие преимущества:

• Обеспечивает защиту от больших бросков тока, возникающих вследствие ударов молнии.
• Быстродействие (мгновенная реакция на быстрые переходные процессы в электросети).
• Практически не создает помех для работы защищаемого электронного оборудования.
• Может использоваться для защиты сетей, предназначенных для высокоскоростной передачи информации.
• Имеет компактные размеры, занимает мало места.
• Есть встроенный защитный механизм от чрезмерной перегрузки по току.

Взаимодействие газоразрядника с номинальным напряжением 230 В и варистора с номинальным напряжением 140 В при броске напряжения в сети показано на рис. 5. В течение первых нескольких микросекунд после появления импульса все напряжение прикладывается к варистору, но по мере того, как ток через варистор начинает расти, в соответствии с ВАХ напряжение на нем также увеличивается. Разрядник срабатывает после того, как газ в нем ионизируется (обычно примерно через 4 мкс).

В отличие от тиристорного диода напряжение пробоя у гибридного защитного устройства медленно изменяется в зависимости от времени нарастания импульса напряжения.

Гибридное защитное устройство может выдерживать переменные нагрузки значительно дольше, чем другие полупроводниковые защитные устройства. И полупроводниковые, и гибридные защитные устройства имеютсхожие электрические свойства, но устойчивость к импульсному току у гибридного защитного устройства в 40 раз выше, а также оно имеет более высокую надежность.

Гибридное защитное устройство фирмы EPCOS, имеющее собственную емкость примерно 80 пФ на частоте 1 МГц, использовать предпочтительнее, чем большинство полупроводниковых защитных устройств. Способные выдерживать импульсные токи более 10000 А со временем нарастания импульса 8/20 мкс, гибридные защитные устройства являются надежным и недорогим оборудованием для защиты различного телекоммуникационного оборудования.

Заключение

• Гибридное защитное устройство, сочетающее свойства газоразрядника и металлооксидного варистора, улучшает защиту телекоммуникационного оборудования от перенапряжения.
• Гибридное защитное устройство эффективно защищает электронное оборудование от разряда молнии и имеет высокое быстродействие.
• Гибридное защитное устройство имеет компактные размеры и улучшенные по сравнению со стандартным газоразрядником свойства.
• Гибридное защитное устройство может выдерживать импульсный ток в 40 раз больший, чем тиристорный диод.

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2003_03_18.php

Высоковольтные разрядники: виды и назначение

В электрических сетях довольно часто наблюдается появление импульсных всплесков напряжения, вызванных различными причинами: коммутацией аппаратуры, атмосферными разрядами и прочими факторами. Несмотря на то, что такие перенапряжения носят кратковременный характер, они способны вызвать пробой изоляции с последующим коротким замыканием и разрушительными последствиями.

https://www.youtube.com/watch?v=hCVfbxS1ZJw

Одним из вариантов предотвращения негативных последствий могло бы стать использование более надежной изоляции, однако этот способ значительно увеличивает стоимость всего оборудования. Поэтому наиболее оптимальным вариантом стали разрядники, назначение которых зависит от области их применения. Основной функцией этих устройств является ограничение перенапряжений в электрических сетях и установках.

Общее устройство и принцип работы

Высокочастотное оборудование защищается не только молниеотводами, но и с помощью высоковольтных разрядников. Каждый из них состоит из двух основных частей – электродов и устройства для гашения дуги.

Один из электродов устанавливается на защищаемую цепь, а к другому подводится заземление. Между ними образуется пространство, известное как искровой промежуток. Когда напряжение достигает определенного значения, наступает пробой искрового промежутка между двумя электродами.

За счет этого с защищаемого участка цепи снимается перенапряжение. Основным техническим требованием, предъявляемым к разряднику, является определенный уровень гарантированной электрической прочности в условиях промышленной частоты.

То есть, при нормальном режиме работы сети разрядник не должен пробиваться.

Широкое распространение получили конструкции газовых разрядников. В их состав входит коаксиальный элемент с незначительным разрядным промежутком, и патрон с выводом на землю. В промежутке между ними выполняется установка газоразрядного элемента в форме таблетки, заключенного в стеклянную или керамическую оболочку и оборудованного электродами с каждой стороны. Внутреннее пространство оболочки заполнено газом – аргоном или неоном.

В случае перенапряжения происходит срабатывание защиты: под действием высокой температуры в разряднике наступает резкое падение сопротивления. После этого образуется дуговой разряд с напряжением около 10 вольт. Каждый такой разрядник оборудуется собственным заземлением, в противном случае он будет бесполезен.

Как правило, газоразрядная трубка считается одноразовой деталью разрядника, требующая замены после каждого срабатывания.

Технические характеристики газовых разрядников

Каждый газовый разрядник обладает специфическими электрическими свойствами и техническими характеристиками.

• Номинальный импульсный ток разряда. Технические требования, предъявляемые к разряднику, определяют его способность выдерживать определенное значение импульсного тока. Отклонение от нормы имеет допустимые пределы, определяемые требованиями. Номинальное значение тока всегда указано в технической спецификации конкретного устройства.
• Емкость и сопротивление изоляции. Данные параметры достигают, соответственно, свыше 10 гОм и менее 1 пФ, что делает такие устройства буквально незаменимыми при использовании в той или иной сети.
• Статическое напряжение срабатывания. Данным параметром определяется тип разрядника, установленного в защитном устройстве. Его значение равно напряжению, достаточному для зажигания разрядника, при условии медленного возрастания величины напряжения.
• Динамическое напряжение срабатывания. Эта величина является своеобразным пределом, когда наступает быстрый рост напряжения, при котором происходит срабатывание газового разрядника.

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].

Срабатывание элементов первичной защиты, как правило, вызывает закорачивание входа устройства и стекание тока перегрузки в землю. Данная статья посвящена одному из таких устройств – GDT (Gas Discharge Tube), разрядникам с газовым наполнением или, попросту, газоразрядникам производства компании Bourns.

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

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

Принцип действия и типовые схемы включения газоразрядников

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

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

В простейшем варианте газоразрядник конструктивно представляет собой герметичную керамическую трубку, заполненную инертным газом, с обоих концов которой выведены металлические электроды. Функционирует как электронный ключ, который срабатывает, когда разность потенциалов между его электродами превысит некоторое заданное значение.

При этом его электроды замыкаются накоротко, и ток перегрузки стекает на земляную шину. В обычных условиях разрядник практически невидим в цепи защищаемого устройства. С увеличением разности потенциалов между электродами возрастает кинетическая энергия свободных электронов, образуются новые электроны и ионы, и возрастает ток между электродами.

На этом этапе процесс переходит в стадию «тлеющего разряда». При дальнейшем увеличении напряжения процесс может мгновенно перейти в фазу лавинного размножения электронов, вызывая самостоятельный газовый разряд. При стандартном срабатывании газоразрядника время существования тлеющего разряда от начала интенсивной ионизации до газового пробоя составляет несколько микросекунд.

Длительность самого пробоя зависит от конструкции и, как правило, продолжается десятки наносекунд. При этом скачкообразно возрастает ток, и падает разность потенциалов между электродами. В течение разряда напряжение на элементе практически перестает зависеть от тока и находится в промежутке 10…80 В для разных типов разрядников.

Следует обратить внимание на тот факт, что в процессе разряда в некоторых случаях на землю может закорачиваться не только импульс перенапряжения, но также и цепи электропитания.

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

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

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

Рис. 3. Термическая защита газоразрядника

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

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

Пример подключения трехэлектродного газоразрядника показан на рисунке 4.

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

При возникновении перегрузок в одной из ветвей срабатывают сразу обе части разрядника.

GDT характеризуется следующими параметрами*:

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

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

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

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

Базовые серии газоразрядников производства Bourns

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

В настоящее время выпускаются шесть базовых семейств:

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

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

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

Таблица 1. Технические характеристики серии Long Life

Наименование

Размеры, ДхВ, мм

Максимальный импульсный ток разряда Iimpulse (8/20 мкс, 1 срабатывание), кА

Макс. переменный ток разряда Iac (RMS, 10 операций), А

Эксплуатацион-ный ресурс (для 10/1000 мкс), А

Номинальное статическое напряжение срабатывания Vdcbd

Емкость, пФ

Количество электродов

Форм-фактор

2026-xx-XX

8×11

40

20

1000, >400 срабатываний

75…600

400 срабатываний

400 срабатываний

Цилиндр, поверхностный монтаж

2028-xx-SM

8×10

30

20

200, >300 срабатываний

230…420

300 срабатываний

90…600

300 срабатываний

75…600

300 срабатываний

90…600

300 срабатываний

150…1100

Источник: https://www.compel.ru/lib/ne/2015/1/6-razryad-izbavlyayushhiy-ot-peregruzki-ionnyie-razryadniki-bourns-s-gazovyim-napolneniem