Словенская узкоспециализированная компания Keko Varicon, являющаяся одним из лидеров в производстве варисторов и керамических конденсаторов, предлагает широкую линейку компонентов, отличающихся высоким качеством изготовления и обширной номенклатурой выпускаемых изделий. В статье, посвященной, прежде всего, варисторам как основной группе продукции, помимо обзора ключевых характеристик и конструктивных особенностей отдельных семейств продукции, приведены рекомендации по выбору устройств, нашедших применение в различных областях промышленности. Дополнительная информация о конденсаторах позволяет получить краткое представление о типах выпускаемых изделий.
ВВЕДЕНИЕ
Импульсные перенапряжения, вызванные электростатикой, грозовыми разрядами либо электромагнитными всплесками при коммутации в мощных индуктивных и емкостных элементах цепи, а также соответствующими им переходными процессами, являются частой причиной выхода из строя электронного оборудования. Защита схем от их воздействия традиционно осуществляется путем применения RC- и LC-фильтров, ограничительных диодов, стабилитронов или газонаполненных (искровых) разрядников, целесообразность того или иного способа зависит от множества влияющих факторов: уровня рабочих напряжений, быстродействия схем, стоимости и т.д. Одним из наиболее популярных в настоящее время методов является использование варисторов, обладающих рядом достоинств и подходящих для широкого спектра применений [1]. Рассмотрим кратко почему.
Газонаполненные разрядники характеризуются наиболее широким диапазоном напряжений срабатывания и высокими рабочими токами (десятки кА), но есть у них и недостатки. Во-первых, ярко выраженная зависимость напряжения срабатывания от скорости нарастания импульса. Данная особенность в ряде случаев может оказаться критической, т.к. защищаемое оборудование успевает выйти из строя еще до включения разрядника. Далее, связанное с предыдущим пунктом низкое быстродействие. На возникновение дуги в разряднике требуется значительное время, в течение которого защищаемые цепи должны выдерживать воздействие перенапряжений. Кроме того, длительный период восстановления, возникающий из-за необходимости рассеивания запасенной энергии и уменьшения числа ионизированных электронов после снятия воздействующего импульса. И наконец, ограниченный срок службы. Возникновение дуги в обязательном порядке приводит к разрушению электродов, ухудшению параметров используемого газа. Также в некоторых случаях, из-за малого напряжения горения газоразрядника в цепях постоянного тока, он не гасится. Поэтому возможен тепловой перегрев и разрушение разрядника за счет остаточного тока.
Допустимый импульсный ток кремниевых ограничительных диодов отличается небольшой величиной из-за малого объема p-n перехода. Кроме того, вследствие несимметричной вольт-амперной характеристики (ВАХ), диоды имеют свойство однополярности. Поэтому для устранения импульсных напряжений любой полярности приходится включать два диода, что в комбинации с резисторами для ограничения тока и конденсатором для фильтрации приводит к увеличению необходимой площади на печатной плате. Дополнительно в конструкции могут быть использованы разрядники для отвода той части энергии импульсного напряжения, которая не может быть рассеяна диодами.
Альтернативный вариант с одним многослойным варистором является более дешевым и конструктивно простым, при этом снижается общая вероятность сбоев в данном узле схемы. Применение варистора позволяет уменьшить количество компонентов (1 вместо 4) и затраты по монтажу, что приводит к экономии до 30 % стоимости и до 75 % площади на печатной плате (рис. 1).
КРАТКО О ВАРИСТОРАХ
Варисторы (Variable Resistors — изменяющиеся сопротивления) представляют собой нелинейные полупроводниковые резисторы, подключаемые параллельно защищаемому оборудованию и последовательно с внутренним сопротивлением источника помех (имеется в виду сопротивление линии передачи данных с учетом омического импеданса кабеля). Типовая ВАХ варистора имеет ярко выраженную нелинейную симметричную форму, за счет которой они позволяют просто и эффективно решать задачи защиты оборудования от воздействия помех (рис. 2).
При отсутствии импульсных напряжений они обладают высоким сопротивлением порядка 1000 МОм и пренебрежительно малым током, поэтому в этих условиях их можно считать диэлектриками. При броске входного напряжения варисторы, в силу нелинейности своей характеристики, резко уменьшают свое сопротивление до долей Ома, и шунтируют нагрузку, так что основной ток помехи протекает через них, а не через защищаемую аппаратуру, поглощенная энергия помехи при этом рассеивается в виде тепла. По сравнению с ограничительными диодами варисторы допускают значительно больший ток за счет рассеивания энергии в объеме кристалла, его величина может кратковременно достигать нескольких тысяч ампер.
Ещё одним достоинством варисторов является высокое быстродействие, позволяющее без задержек устранять перепады входного напряжения. Так же, как и газовые разрядники, варисторы являются элементами многократного действия, но вследствие своей безинерционности, значительно быстрее восстанавливают сопротивление после гашения импульса помехи. Таким образом, малое время срабатывания, высокая надежность, отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочих температур при малых габаритах (особенно в чип исполнении) помогают обеспечить длительный срок эксплуатации оборудования с исключением сбоев.
Некоторым недостатком варистора является его обычно высокая собственная емкость, ограничивающая возможность применения изделий на высоких частотах (из-за соответствующего шунтирования линии малым импедансом). В зависимости от конструкции, типа и номинального напряжения ее величина может составлять от 80 до 30000 пФ. Впрочем, для некоторых применений это может быть и достоинством, например в фильтрах, совмещающих в себе функцию ограничения напряжения (для таких применений существует отдельный класс варисторов с повышенной емкостью).
Вторым недостатком является меньшая максимальная допустимая рассеиваемая мощность по сравнению с разрядниками [2].
К основным характеристикам варисторов, позволяющим осуществить выбор подходящего компонента, относятся:
1. Номинальное напряжение (переменное Vrms или постоянное Vdc) – это рекомендованное производителем напряжение, при котором варистор срабатывает и начинает выполнять свои защитные функции;
2. Импульсный ток перегрузки Imax – максимальное значение амплитуды импульса тока с формой 8/20 мкс, при котором варистор не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
3. Wmax – максимально допустимая поглощаемая варистором энергия в джоулях (Дж) при протекании через него одиночного импульса тока максимальной амплитуды с параметрами нарастания/спада 10/1000 мкс;
4. Рассеиваемая мощность Pmax – максимально допустимое значение средней мощности пачки импульсов, которое может быть рассеяно компонентом на протяжении установленного периода времени без повреждения. Определяется размерами варистора и конструкцией выводов;
5. Максимальное напряжение ограничения Vc – напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения, оговаривается для конкретной величины протекающего тока Ic;
6. Классификационное напряжение Vn – статическое напряжение, при котором ток утечки варистора достигает значения 1 мА, представляет собой условный параметр, указываемый при маркировке элементов;
7. Время срабатывания tr – интервал времени между приложением импульса перенапряжения и переходом варистора в проводящее состояние, обычно не превышает 25 нс;
8. Емкость варистора С измеряется в закрытом состоянии, так как при работе ее значение в зависимости от приложенного напряжения и величины пропускаемого через себя тока падает по нелинейному закону практически до нуля и оказывает минимальное влияние на параметры электрических цепей.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВАРИСТОРОВ KEKO VARICON
Словенская компания Keko Varicon в нынешнем виде была основана в октябре 1995 года, но свою историю ведет еще с 60-х годов прошлого века, когда она входила в корпорацию Iskra Group в качестве подразделения, занимающегося разработкой и производством высококачественных варисторов. С учетом своего многолетнего опыта в данной области компания в настоящее время предлагает самый широкий ассортимент электронных компонентов, обеспечивающих защиту от перенапряжения [3]. Развитая техническая инфраструктура позволяет повысить гибкость разработки новых устройств и обеспечить технические характеристики в соответствии с требованиями заказчика. Диапазон напряжений от 2 до 680 В, высокий уровень поглощения энергии и защита от импульсных токов перегрузки (от 20 до 150000 А, 8/20 мс) позволяют использовать продукцию компании в самом широком спектре приложений, от низковольтных схем, телекоммуникационного оборудования и автомобильной электроники до сетевых фильтров, устройств подавления выбросов напряжения и высокоэнергетического промышленного оборудования (рис. 3).
Каждая серия состоит из множества компонентов с небольшим шагом рабочего напряжения, при отсутствии подходящего решения можно использовать ближайшие номиналы из ряда в сторону увеличения напряжения, также в случае необходимости можно заказать изготовление нестандартных изделий. Многие варисторы Keko Varicon являются полноценными аналогами продукции известных мировых производителей, таких как Epcos и Vishay. С основными техническими параметрами варисторов можно ознакомиться в таблице 1, а их внешний вид представлен на рис. 4.
Всю продукцию Keko Varicon можно условно разделить на следующие группы:
• Дисковые варисторы;
• Многослойные варисторы для поверхностного монтажа;
• Варисторы с двойной функцией (варисторы-конденсаторы);
• Высокоэнергетические варисторы;
• Защитные дисковые керамические конденсаторы.
Линейку высокоэнергетических варисторов составляют компоненты серий ZOV, ZOVR, ZOVS и ZOVH [4]. Серия ZOV, рассчитанная на максимальное напряжение 680 В переменного и 900 В постоянного тока, подразделяется на стандартные и заказные модели. Все характеристики в таблице 1 рассматриваются применительно к стандартным варисторам, выпускаемым в корпусах с эпоксидным покрытием (пять типоразмеров с сечением квадратной формы). При разработке под заказ в соответствии с техническими условиями задаются значимые параметры: нестандартные AC и DC рабочие напряжения, ток утечки, напряжение ограничения, величина поглощенной энергии, а также форма и размеры корпуса, тип выводов и т.д. Стандартные изделия предназначены для эксплуатации при температурах от -40 до +85С, в то время как заказные имеют повышенную до +125 °С верхнюю границу диапазона. Погрешность классификационного напряжения для большинства моделей гарантируется в пределах ±5 или ±10%. Компоненты серии ZOVR с аналогичными номинальными напряжениями Vrms и Vdc отличаются меньшими показателями максимального тока и уровня поглощенной энергии и доступны для потребителей в корпусах трех типоразмеров.
Каждый варистор семейств ZOVH и ZOVS представляет собой сборку из двух или четырех дисков, инкапсулированную в одном корпусе и предназначенную для улучшения энергетических показателей серий ZOV и ZOVR. Данные изделия обладают повышенным до 150 кА (8/20 мкс) импульсным током перегрузки и одновременно меньшими габаритами, при этом изготавливаются они исключительно под заказ. Среднеквадратичное значение рабочего напряжения лежит в пределах от 150 до 440 В, тип и варианты корпусного исполнения определяются на основе требований заказчика. Для тестирования серий ZOVS и ZOVH в качестве устройств защиты от перенапряжений используется международный стандарт IEC-61643-1 (1998-02): “Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний”, согласно которому все приборы в зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи относятся к I, II или III классу. ZOVS и ZOVH варисторы по своим характеристикам принадлежат к первому классу, позволяющему устанавливать их для защиты от прямых ударов молнии в здания, антенно-мачтовые сооружения и ЛЭП.
Каждая серия рассматриваемых далее устройств состоит как из однослойных дисковых варисторов, выпускаемых в выводных корпусах, так и из многослойных в SMD исполнении (безвыводная конструкция для поверхностного монтажа). Выпуск многослойных чип варисторов обусловлен необходимостью уменьшения времени срабатывания для надежной защиты электроники от статического электричества, при которой данный показатель не должен превышать 5 нс. Благодаря минимальной индуктивности контактов и применения многослойной структуры у SMD варисторов Keko Varicon удалось добиться времени срабатывания менее 2 нс, что значительно меньше, чем у однослойных дисковых (25 нс).
Из других преимуществ чип варисторов компании можно отметить расширенный температурный диапазон от -55 до +125 °С, малые габариты и возможность автоматического монтажа. Низковольтные выводные варисторы серии ZV с рабочими напряжениями от 3 до 56 В постоянного тока (от 2 до 40 В переменного) и низким напряжением ограничения разработаны для защиты чувствительных электронных устройств (транзисторов, микросхем) от переходных процессов, возникающих при работе с индуктивными нагрузками [5]. Компоненты этой же серии в чип корпусах характеризуются увеличенным верхним порогом номинальных напряжений Vrms и Vdc. Они отличаются малыми габаритами и способны во многих приложениях успешно заменить защитные TVS диоды. Относящаяся к группе варисторов автомобильного назначения серия AV адаптированна для работы со стандартными шинами питания 12, 24 и 42 В. Производителем рекомендуется применять SMD устройства этой серии при уровнях энергии Wmax менее 50 Дж, а дисковые – выше этого значения, все изделия сертифицированы на соответствие требованиям стандарта AEC-Q200.
Варисторы CV с дисковой конструкцией, предназначенные для длительной эксплуатации в цепях переменного и постоянного тока с низким и средним значением напряжения, благодаря своей форме требуют минимального места для установки и монтажа. Выпускаются в выводных корпусах пяти типоразмеров, отличающихся диаметром: 5, 7, 10, 14 и 20 мм. Серия CV+ является усовершенствованным вариантом варисторов CV с повышенными значениями рабочего тока и максимальной поглощенной энергии и соответственно увеличенными габаритами. Предлагаются в качестве устройств защиты телекоммуникационного оборудования и высоковольтных линий переменного тока, по своим характеристикам устройства данной серии близки к высокоэнергетическим варисторам. SV серия представляет собой малогабаритные варисторы с сечением промоугольной или квадратной формы, идеально подходящие для работы в цепях переменного тока с напряжениями от 60 до 550 В. Типовые изделия по характеристикам очень близки к ранее рассмотренному семейства CV+, также предлагается заказная разработка варисторов с максимальными размерами корпуса 23х23 мм, гарантированной плотностью тока более 5500 А/см2 и диапазоном температур эксплуатации от от -40 до +125 °С.
Изготавливаемая в корпусах для поверхностного монтажа линейка варисторов PV позиционируется для замены выводных компонентов типоразмеров 5 и 7 мм в низковольтных цепях [6]. В качестве материала корпуса применяется невоспламеняющийся пластик, тестированный по методам, изложенным в стандарте UL 94 V-0. Рассчитаные на максимальный импульсный ток перегрузки от 100 до 1200 А варисторы данной серии могут использоваться в схемах с рабочими напряжениями от 11 до 300 В переменного тока и от 14 до 385 В постоянного. Отличительной особенностью серии DV является низкопрофильный корпус, в остальном это практически полный аналог устройств семейства PV.
Маломощные варисторы серии ZVX с низким значением собственной емкости от 80 до 840 пФ используются в высокоскоростных линиях передачи данных для защиты от электростатических разрядов. Диапазон рабочих напряжений составляет от 3 до 38 В, миниатюрные габариты корпусов 0603, 0805 и 1206 позволяют применять их во многих портативных устройствах, например, в качестве замены ограничительных TVS диодов во входных цепях цифровых интерфейсов сотовых телефонов. Ключевой особенностью изделий данного семейства является малое время срабатывания менее 1 нс. Тестирование ESD защиты осуществляется на основе методов, описанных в стандартах IEC1000-4-2, MIL-STD 883C и AEC-Q200-002. ZVE серия имеет функциональное назначение, аналогичное устройствам ZVX, и схожие характеристики, но рассчитана она на еще более низкие номинальные напряжения (до 18 В постоянного тока). Малогабаритные чип корпуса предназначены для применений с низким уровнем энергии помехи.
Помимо обычных варисторов в модельном ряду Keko Varicon присутствуют также и изделия двойной функциональности – варисторы-конденсаторы [7]. Эти модели имеют характеристики варисторов и повышенную до 4,7 мкФ ёмкость, что позволяет им устранять не только импульсные перенапряжения, но и высокочастотные шумы. Применяемые в фильтрах они выступают в качестве замены конденсаторам и осуществляют функцию преобразования частоты сигнала, одновременно защищая цепи от импульсных воздействий. Данный способ помимо всего прочего позволяет сократить общее количество необходимых элементов схемы.
Варисторы серии OV представляют собой миниатюрные защитные устройства, предлагаемые для автомобильной промышленности и адаптированные под напряжения 12, 24 и 42 В. Конструктивно изготавливаются в двух стандартных корпусах как для поверхностного монтажа, так и для сквозного, номинальная емкость лежит в пределах от 0,47 до 4,7 мкФ (большие значения возможны по запросу). Температурная зависимость соответствуют параметрам диэлектрика X7R, эксплуатация допускается в пределах диапазона от -40 до +125°С.
Низковольтные малогабаритные устройства серии MV отличаются широким диапазоном рабочих напряжений (от 3 до 125 В постоянного тока) и номинальной емкостью от 10 нФ до 1 мкФ. Доступны для заказа в корпусах: для монтажа в отверстия в окукленном с радиальными выводами размером 6х9 мм, а для поверхностного – стандартные чип с типоразмером 1210.
НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ВАРИСТОРОВ KEKO VARICON
При необходимости выбора оптимального варистора в первую очередь следует обратиться к рекомендациям самой компании по применению различных серий. В большинстве случаев каждая серия имеет вполне определенные области применения (таблица 2).
Если предполагается использование варистора в специфической области, то для выбора конкретного варистора можно обратиться к формализованному алгоритму, состоящему из следующих шагов:
1. По рабочему напряжению защищаемой цепи определить Urms (или Udc). Выбирать максимальное длительное напряжение необходимо с некоторым запасом (обычно добавляют от 10 до 15% к номинальному значению). В противном случае существует вероятность, что при высоком рабочем напряжении варистор откроется и выйдет из строя от перегрева. Кроме того, следует учитывать, что варисторы имеют тенденцию к “старению”, т.е. со временем, при многих срабатываниях, его классификационное напряжение начинает снижаться;
2. Уточнить необходимую энергию поглощения Wmax;
3. Выбрать максимальное напряжение ограничения варистора (величину перенапряжения). Нужно учитывать, что выбор завышенного значения перенапряжения влечет за собой увеличение тока утечки варистора.
Также стоит отметить еще один момент. Для увеличения суммарной рассеиваемой мощности зачастую используют параллельное соединение варисторов. Но, поскольку 100% одинаковых варисторов не существует (даже из одной партии они разные), всегда один из них окажется самым слабым звеном и выйдет из строя при импульсе перенапряжения. При последующих же импульсах выйдут из строя цепочной остальные варисторы, поскольку они уже не будет обеспечивать требуемую мощность рассеяния. Поэтому лучше отказаться от применения такого способа.
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Помимо широкого спектра варисторов Keko Varicon занимается выпуском керамических конденсаторов, предназначенных для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока (таблица 3).
Дисковые конденсаторы серии KM применяются для подавления радиопомех в цепях переменного тока с напряжением до 300 В и частотой 50 Гц, а также в радиопередающих устройствах. Они имеют малые размеры, низкую рассеиваемую мощность и высокую стойкость независимо от изменения температуры вплоть до +125°С. В зависимости от номинальной емкости от 1 до 10 нФ, конденсаторы выпускаются в корпусах девяти различных размеров с диаметром от 7 до 18 мм [8]. Они разработаны и сертифицированы на основе требований международных стандартов EN 132400 и IEC 60384-14. Защитные керамические дисковые конденсаторы серии KZ подключаются непосредственно к линиям, в которых возникают перенапряжения и переходные процессы, способные повредить эти конденсаторы, например, могут использоваться для гальванической развязки входов антенн в радио- и телевизионных приемниках. К ним предъявляются особые требования, которые отражены в соответствующих стандартах безопасности, в частности EN 132400.
Существует два типа конденсаторов данного назначения: X и Y. Первые из них применяются в приложениях, где неисправность конденсатора не приведет к опасному удару электрическим током, они разделены на три подкласса в зависимости от пикового импульсного напряжения тестирования. Эти пиковые напряжения могут быть вызваны молнией или коммутационными процессами в соседнем оборудовании и в самом устройстве, где используется помехоподавляющий конденсатор. Y компоненты имеют ограниченную емкость, чтобы исключить КЗ в конденсаторе, а также повышенную электрическую и механическую надежность, т.к. используются местах непосредственной угрозы поражения электрическим током.
Серия KZ подразделяется на две группы: KZL, состоящую из компонентов класса Y2 и X1 с тестовым напряжением 2,5 кВ, и KZH – Y1 и X1 с тестовым напряжением 4 кВ. Все конденсаторы рассчитаны на максимальные напряжения переменного тока: 300 В для класса Y2, 500 В для классов Y1 и X1, в зависимости от класса изделий номинальная емкость составляет от 330 пФ до 4700 пФ. Высоковольтные дисковые керамические конденсаторы образуют серию KV, предназначенную для применения в высоковольтных источниках питания, умножителях, фильтрах и т.д. Для производства данных компонентов используют ферроэлектрические материалы на основе титанита бария с высокой диэлектрической постоянной (K>8000).
Главными особенностями этого класса конденсаторов являются нелинейные температурные характеристики, значительно зависящие от напряжения и частоты, и предсказуемое изменение емкости со временем. Они имеют диапазон рабочего напряжения от 1 до 6 кВ постоянного тока, собственную емкость 330 пФ до 10 нФ и изготавливаются в корпусах размером от 7 до 18 мм с радиальными выводами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение варисторов компании Keko Varicon позволяет эффективно и просто реализовать функции ограничения перенапряжений и импульсных помех, сократить габаритные размеры устройств в целом и обеспечить длительный срок безаварийной эксплуатации оборудования. Широкий спектр типов выпускаемых варисторов поможет сделать обоснованный выбор с учетом как энергетических показателей, так и необходимого типа корпусного исполнения. Большинство выпускаемых керамических дисковых конденсаторов компании также ориентировано на решение защитных задач.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Трегубов С.В., Пантелеев В.А., Фрезе О.Г. Общие принципы выбора варисторов для защиты от импульсных напряжений
2) Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 2, 1998 г.
3) Keko Varicon. Protective devices. Catalogue 2015, http://www.keko-varicon.si/solutions/catalogue/
4) High energy varistors. Catalogue 2015, http://www.keko-varicon.si
5) Leaded varistors. Catalogue 2015, http://www.keko-varicon.si
6) SMD varistors. Catalogue 2015, http://www.keko-varicon.si
7) Dual function varistors. Catalogue 2015, http://www.keko-varicon.si
8) Ceramic disc capasitors. Catalogue 2015, http://www.keko-varicon.si
