GMOV - комбинированные компоненты защиты

Проводные системы в индустриальной сфере останутся еще долгое время востребованными, причем не только передачи питания, а и данных. Для последних это связано с простотой их инсталляции, несложной инфраструктура и то что такие линии, в консервативной к по отношениям к новшествам индустриальной среде, уже зачастую проложены и менять их не нецелесообразно. Дополнительным аргументом в их пользу стало внедрение технологии передачи питания по сигнальному кабелю – PoL (Power of Ethernet). Однако с другой стороны при использовании проводных систем, особенно относительно протяженных и проходящих вне зданий разработчики сталкиваются с необходимостью организации для конечного оборудования должной защиты. При этом, кроме традиционной защиты от воздействия внешних электромагнитных помех (ЭМП), статического электричества, часто необходима еще и защита от ударов молний. В предлагаемой статье основное внимание будет сосредоточено на элементах компании BOURNS обеспечивающих защиту от высокоскоростных наведенных переходных процессов.

Подключенное оборудование, тем более индустриальное, работающее в жестких условиях окружающей среды, подвержено самым разнообразным негативным воздействиям. В их числе возможность повреждениям от скачков напряжения порожденных разрядами статического электричества, наводками от внешних источников или переходными процессами, например, при включении/выключении мощных индуктивных нагрузок или наведенной помехи от удара молнии.

Что касается молний, то здесь мы имеем ситуацию, показанную на Рисунке 1.

Причина повреждения:
S1 - удар в здание;
S2 - удар вблизи здания;
S3 - удар в коммуникации, связанные со зданием;
S4 - удар вблизи коммуникаций, связанных со зданием

Рисунок 1. Характерный пример различных причин повреждения здания и распределения тока молнии внутри системы по ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 (IEC 62305-4:2010).

При этом оборудование подвергается воздействиям на уровне кА/кВ. И хотя время воздействия молнии слишком коротко и составляет микросекунды, такое воздействие может привести к катастрофическим последствиям. Например, последствия отказа линии передачи, вызванного молнией, могут быть даже более угрожающими для телекоммуникационной системы или полевых датчиков, чем сама молния, ударившая в здание.
Задача защита предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, а сама система должна срабатывать безопасным способом, а после снятия воздействия защищаемое оборудование, в свою очередь, должно вернуться в штатное рабочее состояние с минимальным перерывом по времени. При этом при отсутствии возмущающих воздействий защита не должна мешать нормальному функционированию системы, то есть, прохождению сигналу здесь должно выполняться то, что мы называем целостностью сигнала.
Основным стандартом, на который необходимо ориентироваться при проектировании продукции и анализе рисков в рассматриваем контексте является ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 «Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри зданий и сооружений.» (стандарт идентичен международному стандарту IEC 62305-4:2010 «Protection against lightning - Part 4: Electrical and electronic systems within structures», IDT) и ГОСТ IEC 60950-21-2013 «Оборудование информационных технологий. Требования безопасности. Часть 21. Удаленное электропитание» (идентичен международному стандарту IEC 60950-21:2002 «Information technology equipment - Safety - Part 21: Remote power feeding»).
Если рассматривать основные доступные нам защитные элементы, то здесь мы можем выделить их два основных типа с типовыми характеристиками, которые представлены в Таблица 1.

Таблица 1. Сравнительный анализ защитных ограничителей напряжения

Если рассмотреть эти типы защитных элементов, то мы видим следующее:

—Газовые разрядники (Gas Discharge Tubes, GDT) создают квазикороткое замыкание по линии, когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, потом они снова возвращаются к состоянию высокого импеданса. Эти надежные устройства имеют самый высокий рейтинг по импульсному току в сочетании с малой собственной емкостью, что делает их весьма привлекательными для защиты линий любых типов, в том числе и современных высокоскоростных цифровых линий. Последнее благодаря минимально вносимой емкости.

—Объемные силовые металлоксидные (Metal Oxide Varistor MOV) варисторы, выполненные 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 или поглотиться в газовом разряднике. В процессе прохождения 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. Однако такие варисторы имеют очень высокую собственную емкость, которая не позволяет использоваться их для защиты современных высокоскоростных цифровых линий, и подвержены временной деградации.

—Деградация и связанный с ней катастрофический отказ могут произойти, если MOV подвергается переходным скачкам или условиям временного перенапряжения (temporary overvoltage, TOV), превышающим его максимально допустимые характеристики. Срок службы MOV определяет время разгона, необходимое для достижения условия теплового равновесия. Нарушение этой характеристики приводит к катастрофическому отказу - короткому замыканию, обрыву цепи или некоторому остаточному линейному сопротивлению, нагружающему защищаемую им линию. В некоторых случаях MOV может стать пожароопасным, что потребует дополнительных компонентов в виде плавких или самовосстанавливающих предохранителей. Такие события, как скачки напряжения вследствие близкого удара молнии или переходные процессы, превышающие номинальные значения тока MOV, могут начать снижать напряжение ограничения варистора. Это в свою очередь приводит к увеличению тока утечки в режиме ожидания / выключения, нагреву и росту потерь. Кроме того, повышенные скачки напряжения в системе (TOV), применяемые в течение периодов времени, превышающих микросекунды, могут привести к физическим и химическим изменениям в пределах границ зерен MOV. С уменьшенным напряжением варистора, повышенной утечкой и сниженной способностью рассеивать тепло, вызванное этими событиями, MOV с большой долей вероятности начнет перегреваться, тем самым заканчивая свой срок эксплуатации.

Компанией BOURNS было найдено оригинальное, инновационное решение проблем, связанных с использованием традиционных объемных варисторов. Ее инженерам удалось соединить в одном устройстве положительные свойства газового разрядника объемного варистора. Это проприетарное решение было представлено в апреле 2019 в виде инновационной линейки гибридных двунаправленных компонентов защиты от перенапряжения под торговым названием GMOV™. В этом продукте инженеры компании объединили инновационную и компактную газоразрядную трубку (GDT) Bourns® с технологией FLAT® с MOV. Результат мы видим на Рисунке 2.

Надписи:
CONSTRUCTION - Устройство
CIRCUIT DIAGRAM - Обозначение на электрических схемах
Coating: Epoxy R - Диск из оксида цинка
GDT Disc - Диск газового разрядника
Lead Material: Tin-plated Copper - Покрытие выводов: луженая медь

Рисунок 2. Гибридный компонент для защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS.

Эта инновационная линейка продуктов дает разработчикам компактную и улучшенную защиты от перенапряжения, а сам новый элемента является заменой для стандартных 14 и 20 мм объемных варисторов, но по сравнению с традиционными технологиями предлагает целый ряд преимуществ (Таблица 2).

Таблица 2. Сравнение доступных технологий защиты с комбинированной GMOV (GDT + MOV)

Новое семейство GMOV™ - это наилучшее в настоящее время решение для защиты, которое может поглощать высокую энергию, практически не вносит емкость и сопротивление в линию, а кроме того позволяет преодолеть проблемы деградации и катастрофических сбоев, которые могут возникнуть в дискретных MOV, в том случае, если они подвержены кратковременным скачкам напряжения, превышающему их максимальные номинальные значения, или более длительному по времени воздействию допустимого перенапряжения.

Газоразрядная трубка GDT используется для изоляции MOV от напряжения в линии, поэтому он срабатывает лишь по мере необходимости и защищается аппаратуру от переходных процессов и скачков временного перенапряжения, которые обычно со временем приводят к его повреждению. Еще одним значительным преимуществом объединения этих двух технологий является то, что устройство GMOV™ обеспечивает сверхнизкий ток утечки, не превышающий 0,1 мкА, тем самым уменьшая энергетические потери и не вносит в линию рассогласования. Что касается емкости, то в этой последовательной конфигурации компоненты MOV и GDT имеют емкостную связь, учитывая малую собственную емкость газоразрядной трубки, общая емкость такого гибридного варистора не превышает 4 пФ. Результатом является более надежное защитное решение с практически нулевым энергопотреблением в режиме ожидания и гарантией целостности высокоскоростных сигналов.

В условиях низких частот ограничение напряжения компонента GMOV будет равно сумме ограничения напряжения отдельных компонентов MOV и GDT. В условиях высокоскоростного линейного изменения напряжения ситуация иная. При воздействии высокоскоростного линейного изменения напряжения, подобного тому, что происходит во время удара молнии или переходного процесса, связанного с коммутацией индуктивной нагрузки, большая часть линейного изменения напряжения сначала появляется на GDT из-за его относительно низкой емкости по сравнению с MOV. Когда GDT ионизируется, он заряжает емкость MOV, который начинает ограничивать напряжение и входить в зону проводимости. Когда варистор полностью перейдет в проводимое состояние, то объединенное ограничение напряжения пары будет приблизительно равно напряжению ограничения MOV. Тем не менее, во время полной проводимости сопротивление MOV все еще достаточно, чтобы ограничить последующий ток для GDT, что позволяет отключать и сбрасывать GMOV. Процесс включения и удержание GMOV представлен на Рисунке 3.

Надписи:
Clamp Transition Time - Время включения ограничения
V_fp Front Protection Level - Защита переднего уровня V_fp
8/20 μs Surge Current - Импульс тока 8/20 мкс
V_C Clamping Voltage for GMOV - Напряжение ограничения GMOV V_C
V_C Clamping Voltage for Standard MOV - Напряжение ограничения обычного MOV V_C

Рисунок 3. Характеристика срабатывания GMOV

Характеристики защиты компонентов GMOV определяются защитой переднего уровня V_fp (Front Protection Level) и уровнем ограничения напряжения (V_C). Напряжение V_fp измеряется с 10% пикового тока в соответствии с IEC 61051-1. Следует отметить, что V_fp является событием очень короткой продолжительности, его длительность не превышает 0,3 мкс и представляет собой то короткое время, которое необходимое для включения GDT. В свою очередь напряжение V_c (Clamping Voltage) определяется как уровень напряжения ограничения GMOV, который является суммой напряжения ограничения MOV и напряжения GDT во включенном состоянии. Напряжение Vc возникает после перехода компонента GMOV в полностью включенное состояние.

Продукты GMOV в настоящее время предлагаются в 14 и 20-мм версиях со среднеквадратичным значением в диапазоне от 45 до 320 В. В настоящее время доступны две серии указанных приборов (Таблица 3).

Таблица 3. Коммерчески доступные гибридные устройства защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS

Области применения GMOV компании BOURNS: защита линии напряжения переменного тока, бытовая техника, линии связи, системы дымовой сигнализации, дорогостоящие потребительские товары, в качестве стандартных защитных устройств для выполнения требований UL1449, для защиты линии напряжения постоянного тока, в солнечных инверторах, источниках питания, в системах распределения питания.

Гибридные устройства защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS можно использовать во всех основных сегментах рынка, таких как промышленные, потребительские, медицинские (низкий / средний уровень риска)¹⁾ и связь. Примеры использования компонентов GMOV включают устройства защиты от импульсных перенапряжений, сетевые фильтры, бытовые приборы, зарядные устройства, оборудование для солнечной энергетики, устройства с питанием через линии передачи данных, например, технологии PoE. Можно с уверенностью сказать, что практически любое приложение, работающее от источников напряжения переменного или постоянного тока, может использовать компонент GMOV для защиты от перенапряжения.

Компания BOURNS широко известна своими инновационными продуктами и постоянно стремится развивать каждую линию в своем портфеле устройств, в том числе и предназначенных для защиты аппаратуры от повреждений, вызванных ударом молний или от скачков напряжения порожденных порожденным теми или иными причинами.

Своей целью компания считает удовлетворение потребностей своих клиентов на глобальном уровне при одновременном достижении значительного роста с помощью технологических продуктов инновационного дизайна и превосходного качества. Постоянное совершенствование самой компании, технологий, систем, продуктов и услуг, позволяет достигать ей лидерство в отрасли, в том числе и в сфере продуктов, обеспечивающих защиту оборудования посредством стандартных элементов защиты и такого нового, перспективного продукта как рассмотренное гибридное устройство защиты от перенапряжения GMOV.

¹⁾ Примите во внимание, что продукты компании BOURNS не разрабатывались и не предназначены для использования в критических для жизни человека медицинских приложениях, а также в любых других приложениях, где отказ или неисправность продукта компании может привести к травме или смерти.