Варикон — симбиоз варистора и конденсатора: новое предложение от компании Bourns

Для некоторых приложений нужен определенный подход к подавлению электромагнитных помех (ЭМП), при котором требуется как собственно подавление ЭМП, так и защита от скачков напряжения, а точнее — поглощение их энергии. Обычно эту проблему решает использование двух компонентов — конденсатора для подавления излучаемой ЭМП и металлооксидного варистора для поглощения энергии броска напряжения. В настоящее время в портфеле предложений компании Bourns, широко известной на рынке дискретных компонентов для защиты цепей и решения проблем электромагнитной совместимости (ЭМС), появились уникальные компоненты — вариконы, в которых сочетаются преимущества варисторов (вари-) и конденсаторов (-кон). Эти компоненты типа «2 в 1» защищают приложения от скачков напряжения (варистор), решая вопросы ЭМС (конденсатор) и делая их отвечающими требованиям стандарта CISPR, при этом сокращаются габариты печатной платы. Статья знакомит читателей с двумя сериями вариконов: автомобильного (серия OV) и общего (серия MV) назначения.

Введение

Задача защиты — предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, при этом сама система защиты или защитный элемент должны срабатывать безопасным способом, а после снятия воздействия защищаемое оборудование, в свою очередь, должно вернуться в штатное рабочее состояние с минимальным перерывом по времени. К тому же при отсутствии возмущающих воздействий защита или используемые для ее реализации элемент (элементы) не должна мешать нормальному функционированию оборудования — другими словами, должно сохраняться то, что мы называем «целостность сигнала». Это может быть электропитание или линии передачи/приема данных.

Для целей защиты могут использоваться различные компоненты или их совокупности. До недавнего времени компания Bourns предлагала и предлагает [1]:

• Семейства газовых разрядников (Gas Discharge Tubes, GDT), которые создают квазикороткое замыкание, когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, потом они опять возвращаются к состоянию высокого импеданса.
• Семейство устройств защиты на основе тиристоров TISP, которые сначала ограничивают напряжение в линии, а затем переключаются в проводящее состояние при низком напряжении. После скачка напряжения, когда ток падает ниже тока удержания, устройство возвращается в исходное состояние высокого импеданса.
• Семейство диодов подавления переходных напряжений (Transient Voltage Suppressor, TVS), которые работают за счет быстрого перехода от высокого импеданса к нелинейной характеристике сопротивления, ограничивающей скачки напряжения.
• Семейство защитных устройств в виде многослойных варисторов (multilayer varistor, MLV). Эту серию отличают низкие токи утечки, которые делают устройства незаметными при нормальной работе.
• Объемные силовые металлооксидные (Metal Oxide Varistor MOV) варисторы.

Основные характеристики защитных устройств можно оценить по таблице 1.

Таблица 1. Сравнительный анализ защитных ограничителей напряжения

Параметр	Газовые разрядники	Защитные тиристоры	Варисторы объемные	Обычные TVS-диоды	Специальные TVS-диоды
Уровень пиковых токов	высокий	средний	высокий	средний	средний
Минимальное напряжение включения, В	75	8	6	6	~3
Точность напряжения включения	низкая	высокая	низкая	высокая	высокая
Эффективность ограничения выбросов напряжения	средняя	высокая	средняя	высокая	высокая
Типовая емкость, пФ	~1,5	~30	~1400	~100	0,2
Соотношение «пиковый ток/габариты»	низкое	среднее	высокое	среднее	высокое
Время срабатывания	большое	среднее	большое	малое	сверхмалое

Рис. 1. Типовой металлооксидный варистор и его вольтамперная характеристика

Как можно видеть из таблицы 1, наиболее простым и экономически эффективным решением, если дело не касается высокоскоростных линий передачи данных, требующих минимальной емкости, здесь являются варисторы.

Что такое варистор? Название «варистор» (от англ. Varistor) составлено из двух частей VARI-able и resi-STOR (буквально: резистор с изменяемым сопротивлением, или, что более правильно, нелинейный резистор). Варисторы могут быть выполнены на основе карбида кремния (красные) и металлооксидные (синие), которые более распространены, конструкция типового варистора в общем виде и его вольтамперная характеристика показаны на рис. 1.

Металлооксидные варисторы (Metal Oxide Varistor, MOV) выполнены на основе оксида цинка (ZnO) с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов, образующих микрогранулы. В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n-переход в диодах. В процессе протекания тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать больших величин.

Кроме единичных, скажем так — самодостаточных устройств защиты, компания Bourns имеет в своем портфеле и комбинированные устройства. Инженерам Bourns удалось соединить в одном устройстве положительные свойства газового разрядника и объемного варистора. Это проприетарное решение было представлено в апреле 2019 года в виде инновационной линейки гибридных двунаправленных компонентов защиты от перенапряжения под торговым названием GMOV. В данном продукте инженеры компании объединили инновационную и компактную газоразрядную трубку (GDT) Bourns с технологией FLAT с MOV [2]. Не так давно портфель компании Bourns пополнился еще одними интересными гибридными устройствами — вариконами.

Вариконы — симбиоз варистора и конденсатора

Вариконы — это наследие от приобретенной компанией Bourns компании KEKO-Varicon d.o.o. Zuzemberk (Словения). За счет данного приобретения Bourns существенно расширил свое портфолио в сегменте металлооксидных и многослойных варисторов (MOV, MLV) и укрепил позиции в качестве одного из крупнейших производителей защитных компонентов.

Компания KEKO-Varicon — один из ведущих мировых производителей компонентов защиты от перенапряжения и подавления электромагнитных помех. Продукция компании разработана для широкого спектра применений в низковольтных приложениях, телекоммуникации, автомобильной электронике, линиях переменного тока и промышленного оборудования. Сочетание обширных технических знаний и современного оборудования позволяет KEKO-Varicon производить продукцию с высочайшим уровнем и почти 100%-ным выходом готовой продукции. Примеры продукции компании KEKO-Varicon, которые теперь доступны в портфеле заказов компании Bourns можно увидеть на рис. 2.

Компания KEKO-Varicon выпускала как стандартные радиальные дисковые варисто-ры общего применения, так и их специализированные серии [3]: многослойные SMD-варисторы для низковольтных применений, варисторы для автомобильной промышленности и медицинской техники, силовые ва-ристоры с высоким уровнем рассеиваемой энергии, а также интересующие нас в рамках данной статьи вариконы.

В технике иногда недостаток может оказаться или использоваться как несомненное достоинство. Если посмотреть на сравнительные данные, приведенные в таблице 1, то можно видеть, что варисторы имеют самою большую поглощаемую мощность импульса напряжения, но и самую большую собственную емкость, которая ограничивает их применение. Инженеры тогда еще самостоятельной компании KEKO-Varicon посмотрели на это под другим углом — а что если эту емкость увеличить и нормировать? В таком случае мы получим новый двухфункциональный элемент, который будет решать проблемы защиты от импульсов напряжения и подавления ЭМП. Так получился варикон (Varicon, VARI (stor) — варистор + COND (enser) — конденсатор), давший наименование компании. Для этого им потребовалось ни много ни мало соединить в одном корпусе варистор и многослойный керамический конденсатор, на первый взгляд — это просто, однако по факту — сложно. Кроме того, здесь необходимо уточнение: варикон не надо путать с созвучным ему варикон-дом — сегнетоэлектрическим конденсатором, емкость которого изменяется нелинейно в зависимости от приложенного напряжения, это совершенно разные компоненты и для разных целей.

Рис. 2. Внешний вид отдельных серий варисторов KEKO-Varicon, доступных ныне от компании Bourns

Рис. 3. Примеры типового использования вариконов серии MV компании Bourns: а) недопущение дуги при замыкании и размыкании контактов реле; б) защита полупроводниковых компонентов схемы — транзисторов и диодов; в) устранение помех от электродвигателей; г) подавление переходных процессов при выключении тиристора; д) стабилизация напряжения и поглощение бросков напряжения; е) защита транзисторов от подачи недопустимо высокого напряжения; ж) предотвращение акустического удара и защита пьезоизлучателя; з) защита от накопления статического электричества

Комбинированные варисторы со встроенным конденсатором применяются не только для поглощения энергии всплесков напряжения, но и для подавления сопутствующих им высокочастотных шумов и помех, как следствие, переходных процессов. Кроме того, они в определенной мере решают и вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС), подавляя электромагнитные помехи (ЭМП) непосредственно самого приложения, например, коллекторного двигателя. Схемы включения вариконов, на примере использования вари-кона серии MV, общего назначения, показаны на рис. 3 [4] (кстати, обращаю ваше внимание, что в оригинале допущены ошибки!), а пример практического применения на рис. 4.

Рис. 4. Пример практического применения вариконов серии OV на щеточной плате двигателя постоянного тока и схема для управления привода сиденья автомобиля

Серии MV/OV

Вариконы серий MV и OV представляют собой защитные устройства двойного действия, которые защищают от бросков напряжения и от высокочастотного шума, заменяя два компонента — варистор низкого напряжения и конденсатор. Вариконы серии MV предназначены для широкого применения, работают в диапазоне постоянного напряжения 3-125 В (до 170 В по запросу) и как высокочастотные шунтирующие конденсаторы выполнены на основе диэлектрика X7R, имея диапазон емкостей 10 нФ - 1 мкФ. Также доступны более низкие значения емкости. Они предназначены для защиты самой различной радиоэлектронной аппаратуры электронных устройств, чувствительной к броскам напряжения и высокочастотным шумам, производимых электромеханическими устройствами, такими как зуммеры, реле, щеточные электродвигатели и т. п. (примеры на рис. 3).

Вариконы серии OV предназначены в первую очередь для применения в автомобильном оборудовании (пример на рис. 4).

Вариконы серии OV включают варистор, предназначенный для работы на автомобильных шинах напряжения постоянного тока 12, 24 и 42 В и имеют диапазон напряжений 16, 20, 26, 38 и 56 В. Встроенный в ва-риконды серии OV конденсатор фильтрации радиочастотных помех с емкостью на основе диэлектрика X7R имеет емкость в диапазоне 0,47-1,5 мкФ (более высокие значения емкости доступны по запросу), что делает их оптимальными для защиты и обеспечения требований в части ЭМС в целом ряде приложений автомобильной электроники.

Серии MV и OV представляет собой компоненты квадратной формы. Для серии MV доступны компоненты размером 6x8 мм с линейными выводами для монтажа в отверстия. Для серии OV доступны два стандартных размера 7,5x9 мм и 8x12 мм (меньшие размеры доступны по запросу). Они требуют очень небольшого пространства для установки, как правило, занимая площадь на 30% меньше, чем два отдельных компонента. По запросу вариконы этих серий также доступны в SMD-исполнении для поверхностного монтажа (рис. 5). Обе серии могут поставляться с классификацией согласно AEC-Q200 Grade 1 (-40___+ 125 °C) для использования в автомобильной индустрии, а серия OV способна выдерживать мощные импульсы при сбросе нагрузки в соответствии с требованиями SAE J1113. Основные технические характеристики вариконов серий MV и OV компании Bourns приведены в таблице 2. Полные технических характеристики вариконов серий MV и OV компании Bourns доступны в спецификациях [4, 5].

Полная номенклатура защитных компонентов, которой владела компания KEKO-Varicon и которая перешла к Bourns, приведена в каталоге [6]. К сожалению, каталог не обновлялся с 2015 года и в нем допущены ошибки, поэтому для уточнения следует обращаться либо напрямую к службе поддержки компании Bourns, либо к ее авторизованному дилеру. В любом случае отказываться от использования таких компонентов, как вариконы, не стоит, а объединение компаний KEKO-Varicon и Bourns несомненно даст новый толчок к развитию этого перспективного направления защитных элементов. Полная номенклатура защитных компонентов компании доступна по ссылке [7].

Рис. 5. Варианты исполнения вариконов серий MV и OV компании Bourns и их графический символ

Таблица 2. Основные технические характеристики коммерчески доступных вариконов серий MV и OV

Параметр		Серия MV	Серия OV
Непрерывный режим	Приложенное установившееся напряжение
	Диапазон напряжения постоянного тока (Vdc), В	3-170	16-56
	Диапазон переменного напряжения (Vrms), В	2-130*	14-40
Импульсный режим	Энергия сброса нагрузки (WLD), Дж	-	6-12
	Возможность запуска от внешнего источника — 5 мин (Vjump). В	-	24-65
	Непериодический импульсный ток, форма волны 8/20 мкс (Imax), А	150	800-1200
	Энергия неповторяющихся всплесков напряжения, форма волны 10/1000 мкс (Wmax), Дж	0,1-2,5	2,4-10,5
Номинальная емкость конденсатора, нФ		10-1000	470-4700
ТКЕ конденсатора		X7R
Рабочая температура окружающей среды, °С		-40…+125
Температур хранения, °С		-40…+150
Температурный коэффициент порогового напряжения, не более, %/°С		+0,5
Сопротивление изоляции, не менее, ГОм		1
Допустимое напряжение изоляции, кВ, не менее		1,25
Время отклика, не более нс		25
Климатическая категория		40/125/56

Примечание. * Вариконы с номинальным напряжением 2—8 В являются нестандартными и доступны только по запросу.

Литература

1. Рентюк В. Элементы BOURNS для защиты от статического электричества и переходных процессов. В сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2019.

2. Рентюк В. Комбинированный варистор компании BOURNS — эффективное решение проблемы защиты оборудования. В сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2019.

3. Верхулевский К. Варисторы и конденсаторы Keko Varicon для автомобильных и промышленных применений // Компоненты и технологии. 2015. № 7.

4. MV Series — Low Voltage Dual Function Varicons. REV. A 01/20. https://www.bourns.com/docs/product-datasheets/mv_series.pdf?sfvrsn=22ed46f6_6

5. OV Series — Automotive Grade Dual Function Varicons. REV. A 01/20. https://www.bourns.com/docs/product-datasheets/ov_series.pdf?sfvrsn=eed46f6_6

6. Catalogue PROTECTIVE DEVICES. Edition 2015. http://www.keko-varicon.si/application/keko/upload/files/KEKO_OV.pdf 

7. www.bourns.com/products/circuit-protection/varistor-products

Опубликовано в сборнике «Электромагнитная совместимость в электронике» 2020 г. http://emc-e.ru