Гибридная технология GMOV: улучшенная защита от перенапряжений

Металлооксидные варисторы (MOV-варисторы) используются для защиты устройств от мощных помех. Они обладают целым рядом достоинств. Вместе с тем MOV-варисторы также имеют и некоторые недостатки. В статье рассказывается о новейшей технологии GMOV от Bourns, позволяющей устранить эти недостатки и повысить надежность и безопасность устройств, работающих в жестких условиях
927
В избранное

Для защиты устройств, работающих в цепях постоянного и переменного тока, очень часто приходится использовать различные защитные цепи. К сожалению, универсального решения для обеспечения гарантированной защиты от мощных помех не существует. Дело в том, что энергия и другие параметры помех зависят от их природы и могут различаться в десятки раз. Вполне очевидно, что при организации защиты от разрядов молний, от импульсных помех, возникающих при коммутации мощной индуктивной нагрузки, и от статических разрядов используются различные методы и различные защитные компоненты. Кроме того, в некоторых приложениях требуется обеспечить одновременную защиту сразу от нескольких типов помех. Стандарт UL 1449 определяет требования к сертификации устройств защиты от перенапряжений, но не дает готового решения по организации системы защиты.

В данной статье оценивается эффективность использования металлооксидных варисторов (MOV-варисторов) для защиты от перенапряжений, а также анализируются возможные причины их деградации с последующими аварийными отказами. В статье также представлена новая защитная технология, позволяющая предотвратить деградацию и разрушение MOV-варисторов.

Традиционный метод защиты от перенапряжения с помощью MOV-варисторов

Разработчики источников питания, сетевых устройств, телекоммуникационного оборудования и бытовой техники используют MOV-варисторы для защиты от перенапряжений, вызванных, например, молниями или коммутациями мощной индуктивной нагрузки. Традиционные MOV-варисторы с радиальными выводами обеспечивают защиту от помех обеих полярностей и обладают целым рядом преимуществ. В частности, MOV-варисторы устойчивы к высоким импульсным токам, способны рассеивать значительную энергию и отличаются высоким быстродействием.

К сожалению, у MOV-варисторов есть и недостатки, среди которых стоит в первую очередь отметить их склонность к деградации. Ухудшение характеристик варисторов с течением времени может приводить и к катастрофическим отказам. По мере старения MOV-варистора его допустимое рабочее напряжение снижается. Кроме того, MOV-варистор, работающий в течение долгого времени в условиях постоянных перенапряжений и высоких температур, может начать самопроизвольно разрушаться даже под действием собственных токов утечки. Токи утечки вызывают неконтролируемый перегрев, который в конечном итоге приводит к разрушению MOV-варистора.

По этой причине стандарт UL требует, чтобы защитные устройства в обязательном порядке проходили тестирование на устойчивость к таким отказам. Существует множество приложений, в которых требуется более высокий уровень безопасности и надежности, чем способны обеспечить MOV-варисторы.

Решение проблемы перегрева MOV-варисторов

Для решения проблемы перегрева разработчики обычно используют специальные MOV-варисторы с дополнительной тепловой защитой. В качестве примера такого решения можно привести серию варисторов TMOV (название TMOV является зарегистрированным товарным знаком компании Littelfuse Inc.). Варисторы TMOV имеют встроенный терморазмыкатель, который отключает варистор от цепи при возникновении перегрева. При этом варистор остается в диапазоне безопасных температур.

К сожалению, такое решение не позволяет избавиться от токов утечки, которые по-прежнему приводят к дополнительным потерям мощности, даже когда варистор находится в выключенном состоянии. Терморазмыкатель защищает варистор только от опасного перегрева. Кроме того, большинство MOV-варисторов с тепловой защитой способны обеспечивать защиту UL 1449 только с рабочими токами до 10 А. То есть, они не смогут разорвать цепь при нагрузке 100 А.

Еще одним недостатком MOV-варисторов с тепловой защитой является тот факт, что после срабатывания терморазмыкателя нагрузка остается незащищенной. Конечно, существуют способы обнаружить факт срабатывания тепловой защиты, в частности, у варисторов серии TMOV для этих целей предназначен специальный вывод, к которому можно подключить светодиод, сигнализирующий об отключении варистора от цепи. Однако такое решение увеличивает стоимость системы защиты и по факту не решает проблему защиты нагрузки при отключении варистора.

Чтобы снизить вероятность теплового разрушения, некоторые разработчики выбирают варисторы с номинальным напряжением, намного превышающим нормальное рабочее напряжение нагрузки. Такой подход замедляет процесс старения, однако стоит помнить, что напряжение ограничения варистора также увеличивается. В результате нагрузка должна выдерживать более высокие амплитуды напряжений. Все это приводит к повышению требований к компонентам, а значит, к удорожанию схемы.

Повышение уровня защиты

Поскольку стандартные MOV-варисторы, TMOV и варисторы с более высоким рабочим напряжением не всегда отвечают предъявляемым требованиям, то в ряде случаев необходим другой подход к организации защиты нагрузки от мощных помех. Один из таких подходов предполагает объединение в одном компоненте MOV-варистора и газового разрядника (gas discharge tube, GDT). Существующие технологии позволяют упаковать эти защитные элементы в традиционном компактном корпусе с радиальными выводами. При этом новые гибридные компоненты способны напрямую заменять MOV-варисторы (рис. 1).

Технология FLAT от компании Bourns

Рис. 1. Технология FLAT от компании Bourns 

Компания Bourns использует фирменную технологию FLAT, которая позволяет разместить в одном компактном корпусе газовый разрядник и MOV-варистор. Новый защитный компонент способен напрямую заменять стандартные MOV-варисторы с диаметром диска 14 и 20 мм.

Совместное использование MOV и GDT практически полностью решает проблему токов утечки, что предотвращает нагрев варистора и существенно снижает вероятность аварийного отказа. При нормальной работе (при отсутствии перенапряжений) газовый разрядник находится в выключенном состоянии, которое характеризуется сверхнизкими токами утечки, а варистор оказывается отключен от защищаемой линии. Небольшие перенапряжения не влияют на варистор и его свойства практически не ухудшаются с течением времени.

При возникновении перенапряжения разрядник быстро переходит в проводящее состояние (менее чем за микросекунду) и, тем самым, подключает варистор к защищаемой цепи. Далее варистор ограничивает уровень выброса напряжения, шунтируя избыточный ток на себя. После прохождения помехи ток через варистор падает и GDT-разрядник отключается. После выключения разрядника варистор снова оказывается отключенным от защищаемой цепи. Совместная работа GDT и MOV обеспечивает более длительный срок службы и более высокий уровень надежности. На рис. 2 представлена результирующая вольт-амперная характеристика гибридного GMOV-компонента.

Результирующая вольт-амперная характеристика гибридного GMOV-компонента

Рис. 2. Результирующая вольт-амперная характеристика гибридного GMOV-компонента

Защитные характеристики GMOV определяются напряжением включения (Vfp) и уровнем напряжения ограничения (Vc). Vfp измеряется на уровне 10% пикового тока в соответствии с МЭК 61051-1. Обратите внимание, что выброс Vfp имеет длительность менее 0,3 мкс и представляет собой время, необходимое для включения GDT. Vc – напряжение ограничения, которое определяется как сумма напряжения ограничения MOV и напряжения дуги GDT во включенном состоянии.

GMOV практически не влияет на работу схемы. Низкая емкость GDT гарантирует, что гибридная защита не будет мешать высокоскоростной передаче данных. Кроме того, отпадает необходимость в дополнительных индикаторах (как в случае с TMOV), что позволяет снизить стоимость реализации системы защиты.

Сертификация UL 1449

Тест UL 1449 с обрывом нулевого провода демонстрирует преимущества гибридного подхода. Правильно подобранный GDT-разрядник обеспечивает выполнение требований UL 1449.  Использование защитных компонентов, прошедших сертификацию UL 1449, экономит время и деньги как на этапе проектирования, так и на этапе сертификации продукта. Поскольку компоненты GMOV от Bourns имеют точно такой же уровень защиты, как и MOV (Type 5 в соответствии UL), то они могут без особых проблем напрямую заменять варисторы.

Преимущества от снижения тока утечки

Деградация параметров варисторов из-за многочисленных срабатываний с течением времени может привести к снижению уровня защиты. Кроме того, в ряде приложений высокий ток утечки системы защиты и ее паразитная емкость мешают нормальной работе устройства. Использование новых гибридных компонентов GMOV от Bourns для защиты от перенапряжений обеспечивает минимальный ток утечки и очень низкую емкость, что решает перечисленные проблемы.

Энергоэффективные приложения Energy Star также выигрывают от уменьшения токов утечки, особенно в условиях высокого уровня помех. Низкий ток утечки и минимальная емкость позволяют GMOV надежно работать в таких приложениях, как высокоскоростная передача данных по линиям электроснабжения.

Защита устройств следующего поколения

Поскольку системы питания все чаще вынуждены работы в условиях высокого уровня помех, то традиционная варисторная защита все чаще сталкивается с проблемой преждевременных аварийных отказов, что негативно сказывается на уровне надежности и безопасности  оборудования. К счастью появляются новые технологии для защиты от мощных помех. Объединение в одном корпусе MOV-варистора и GDT-разрядника позволяет взять все лучшее от обеих технологий: минимальное потребление в выключенном состоянии и отсутствие существенной деградации из-за перегрева. Такое решение обеспечивает длительный срок службы MOV-варистора, делая работу устройства более надежной и безопасной.

Источник: www.powerelectronics.com

Производитель: Bourns GmbH.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GMOV-14D271K
GMOV-14D271K
Bourns GmbH.
Арт.: 3420930 ИНФО PDF
Доступно: 508 шт. от 1 шт. от 127,33
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 14mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 275V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-14D271K от 1 шт. от 127,33
3 шт.
(на складе)
505 шт.
(под заказ)
GMOV-14D950K
GMOV-14D950K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421126 ИНФО PDF
Доступно: 537 шт. от 1 шт. от 121,40
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 14mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 95V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-14D950K от 1 шт. от 121,40
537 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D950K
GMOV-20D950K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421137 ИНФО PDF
Доступно: 449 шт. от 1 шт. от 145,27
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 95V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D950K от 1 шт. от 145,27
449 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D111K
GMOV-20D111K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421138 ИНФО PDF
Доступно: 449 шт. от 1 шт. от 145,27
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 115V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D111K от 1 шт. от 145,27
449 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D131K
GMOV-20D131K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421139 ИНФО PDF
Доступно: 449 шт. от 1 шт. от 145,27
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 130V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D131K от 1 шт. от 145,27
449 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D141K
GMOV-20D141K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421140 ИНФО PDF
Доступно: 438 шт. от 1 шт. от 148,69
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 140V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D141K от 1 шт. от 148,69
438 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D151K
GMOV-20D151K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421141 ИНФО PDF
Доступно: 438 шт. от 1 шт. от 148,69
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 150V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D151K от 1 шт. от 148,69
438 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D271K
GMOV-20D271K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421145 ИНФО PDF
Доступно: 403 шт. от 1 шт. от 161,50
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 275V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D271K от 1 шт. от 161,50
403 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GMOV-20D301K
GMOV-20D301K
Bourns GmbH.
Арт.: 3421146 ИНФО PDF
Доступно: 403 шт. от 1 шт. от 161,50
Выбрать
условия
поставки
HYBRID OVERVOLTAGE PROTECTION DISC DIAMETER 20mm CAPACITANCE MAX 4pF RMS VOLTAGE 300V VOLTAGE TOLERANCE 10%
GMOV-20D301K от 1 шт. от 161,50
403 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()