Газовые разрядники компании Bourns

Защита электрических цепей от перенапряжения, как правило, состоит из нескольких каскадов. Нередко первым каскадом являются газовые разрядники, способные поглотить мощный электрический разряд. В импульсном режиме через них проходит ток в несколько кА. Одним из лидеров в этом сегменте рынка является компаний Bourns. О ее продукции и пойдет речь в предлагаемой статье.

Вряд ли среди разработчиков со стажем можно найти тех, кому никогда не приходилось решать задачу по защите схем от перенапряжений и кому не довелось в качестве решения использовать варисторы и TVs-диоды. Хотя эти компоненты применяются наиболее часто, только ими не ограничиваются средства защиты от перенапряжения. менее известны газовые разрядники (Gas Discharge Tubes, GDT), которые предназначены для защиты цепей от мощных электрических импульсов помех. обычно газовые разрядники применяются в системах с протяженными линиями связи, например в телекоммуникационных системах, когда часть или все оборудование находится на открытом воздухе в непосредственной близости от мощного силового электрооборудования, и в других подобных случаях. 

Принцип действия GDT-разрядников показан на рисунке 1. при превышении порогового уровня напряжения газ в разряднике ионизируется, возникает электрический пробой и дуговой разряд. при этом напряжение на разряднике резко уменьшается до безопасного уровня. несмотря на простой принцип действия, газовые разрядники технологически сложны в изготовлении, поэтому число производителей невелико. на российском рынке работают только две компании – Bourns и Epcos, которые выпускают высококачественные разрядники. 

Компания Bourns производит двух-электродные и трехэлектродные разрядники (см. рис. 2). для защиты одной линии используются двухэлектродные разрядники, которые включаются между линией и землей. Для защиты двух линий удобно использовать трехэлектродные разрядники. В этом случае линии подключаются к электродам 1 и 2, а земля – к электроду 3.

Поскольку минимальное напряжение ограничения газовых разрядников довольно высоко, при защите цепей нельзя ограничиться только ими –GDT-разрядники служат лишь первым защитным барьером. Далее необходимо использовать другие компоненты для ограничения перенапряжений. В качестве примера на рисунке 3 приведено решение Bourns для защиты промышленного интерфейса rs-485. В схеме используются следующие компоненты производства Bourns:

- газовые разрядники 2017–09-sMH-rPLF;

- защита от токов короткого замыкания TBu-CA085–300-WH;

- массив TVs-диодов CDsoT23-sM712.

Разрядники 2017–09-sMH-rPLF ограничивают всплеск перенапряжения до 90 В. Защита TBu-CA085–300-WH размыкает цепь при протекании тока 450 ма (тип.), а массив TVs-диодов CDsoT23-sM712 уменьшает перенапряжение до 7,5 В. Необходимость использования газового разрядника в предварительном каскаде обусловлена тем, что TVs-диоды не позволяют ограничить напряжение высоковольтного импульса большой мощности, и большую часть мощности импульса рассеивает газовый разрядник.

Рис. 1. Процесс формирования дугового разряда

Рис. 2. Двух- и трехэлектродные газовые разрядники

Рис. 3. Решения Bourns для защиты интерфейса RS-485

Рис. 4. Временная диаграмма работы защитного каскада

Рис. 5. Стандартный испытательный импульс

Таблица. Обобщенные параметры газовых разрядников

Наименование газового разрядника	Размер, мм	Напряжение срабатывания, В	Импульсный ток при импульсе 8/20 мкс (ном.), кА	Ток при импуль­се 8/20 мкс (макс.), кА	Ток при импуль­се 10/350 мкс (макс.), кА	Емкость, пФ	Диапазон рабочей температуры, °С
SMD с технологией FLAT, серия 2017-xx-SMH	8x2	90-500	10	12	2,5	< 2,5	-55...85
SMD с технологией FLAT, серия 2018-xx-SMH	8x3,5	90-500	20	24	5	< 2,5	-55...105
миниатюрные, серия 2051-xx-SM	3,2x4,5	90-600	2	не нормирован	не нормирован	< 1	-40...125
миниатюрные, серия 2055-xx-SM и	6,2x4,2	90-600	5	8	не нормирован	< 1	-30...85
для жестких условий эксплуатации, серия 2027-xx-SM/2027-xx-SM ХХ	8x6	75-600	10	25	5/2,5	< 1	-55...125
для жестких условий эксплуатации, серия 2029-xx-SM	8x6	90-420	20	25	5	< 1	-55...105
серия 2057-xx-XX	5,5x6	75-470	5	10	не нормирован	< 1	-40...90
серия 2037-xx-XX	5x5	90-600	5	10	1	< 1	-55...85
серия 2049-xx-XX	8x6	75-600	15	20	не нормирован	< 1,5	-30...85
высоковольтные, серия 2087-xxx-SM	4x4,2	800-2000	2	3	не применимо	< 0,5	-55...85
высоковольтные, серия 2039-xxx-XX	5x5,4	800-1100	2,5	5	не применимо	< 1	-55...85
высоковольтные SA2-xxxx-xxx-STD	8,5x8,9	2000-7200	5	10	не применимо	< 1	-40...125
высоковольтные, серия 2095-xxx-XX	8x8	800-6000	5/3	8/5	не применимо	< 1,5	-30...90
высоковольтные, для жестких условий эксплуатации, серия 2097-xxx-D	11,8x17,5	1000-2200	20	25	не применимо	< 1	-30...85
сильноточные, серия 2063-xx-A	11,8x17	230-800	60	100	не нормирован	< 10	-30...85
для жесткиx условий эксплуатации, серия 2026-xx-XX-SP	8x14	300-400	20	40	5	< 20	-55...85
быстродействующие, серия 2020-xxT-SM	8x13,5	60-360	10	не применимо	не применимо	< 1	-40...90

Временная диаграмма работы защитного каскада, показанного на рисунке 3, приведена на рисунке 4. напряжение на разряднике показано верхней кривой 1 синего цвета. расположенная под ней кривая 2 показывает ток разрядника. Кривая 4 зеленого цвета отображает ток в цепи через компонент TBu-CA085–300-WH; на самой нижней кривой 4 видно, как изменяется напряжение на TVs-диодах CDsoT23-sM712. 

Поскольку производственная линейка газовых разрядников Bourns довольно широка, нет возможности подробно описать характеристики всех газовых разрядников. Мы ограничимся лишь кратким перечислением основных параметров групп. Параметры разрядников определялись при стандартных испытательных импульсах 8/20 мкс и 10/350 мкс. Форма испытательного импульса показана на рисунке 5. В нашем случае длительность отрезка t1 составляет 8 мкс для импульса 8/20 мкс и 10 мкс – для импульса 10/350 мкс; длительность отрезка t2 = 20 и 350 мкс для импульсов 8/20 и 10/350 мкс соответственно. обобщенные параметры некоторых, на наш взгляд, наиболее интересных групп газовых разрядников сведены в таблицу. 

Заметим, что поскольку в таблице приведены обобщенные параметры, при выборе конкретного разрядника необходимо в справочной документации уточнить условия, при которых соблюдаются эти параметры. Следует также учитывать, что к концу срока службы напряжение срабатывания может измениться. кроме того, газовые разрядники, в отличие, например, от TVs-диодов, имеют ограниченный ресурс срабатываний. В качестве примера приведем данные по количеству срабатываний серии газовых разрядников 2017-xx-sMH при разных импульсах тока:

– 8/20 мкс, 12000 А – 1 срабатывание;

– 8/20 мкс, 10000 А – 10 срабатываний;

– 10/350 мкс, 2500 А – 1 срабатывание;

– 10/1000 мкс, 100 А – 300 срабатываний;

– 10/1000 мкс, 10 А – 1500 срабатываний;

– переменный ток длительностью 1 с, 10 А (СКЗ) – 10 срабатываний.

Газовый разрядник – относительно инерционный прибор, поэтому напряжение срабатывания в таблице указано для определенной скорости нарастания напряжения помехи. например, у 2017–09-sMH напряжение срабатывания при скорости нарастания помехи 100 В/с составляет 90 В, а при скорости 100 В/мкс этот параметр возрастает до 300–450 В. На всякий случай уточним, что напряжение срабатывания заметно больше напряжения дуги разряда (см. рис. 1). для семейства 2017-xx-sMH напряжение дуги при токе 1 А не превышает 10 В. 

Специально для приложений, в которых возникают мощные электромагнитные помехи с быстро нарастающим напряжением, компания Bourns производит серии быстродействующих разрядников 2020-ххТ-sM, 2030-ххТ-sM и 2031-ххТ-sM. например, у разрядников 2020-ххТ-sM задержка срабатывания при скорости нарастания импульса помехи 1000 В/мкс составляет всего 75 нс.

Авторы:

Михаил Кондрашов, инженер

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты", №9-2020.