4.3.2. Защитные элементы

Для ограничения перенапряжений используются защитные разрядные промежутки, варисторы и лавинные диоды. Соответ­ственно физические принципы действия этих устройств раз­личны. Поэтому такие характеристики защитных элементов, как напряжение и время срабатывания, уровень ограничения, степень точности ограничения напряжения, допустимая токо­вая нагрузка, остаточное сопротивление, гасящие свойства и другие, сильно различаются.

Разрядники конструктивно изготовля­ются в виде воздушных, газонаполненных устройств или эле­ментов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенными в герметичный керамический или стеклянный корпус, заполненный инертным газом. Защищае­мую систему такой разрядник нагружает слабо, так как сопротивление изоляции между электродами составляет более 10¹⁰ Ом, а емкость - менее 10 пФ. Если воздействующее напряжение превышает напряжение пробоя , то происходит разряд между электродами, при этом сопротивление разрядника понижается приблизительно на 10 порядков. Напряжение на разряднике понижается до значения, обусловленного тлеющим разрядом, или же, если это допускает соотношение сопротивлений цепи, до значения дугового напряженияU_B (рис. 4.17).

Напряжение пробоя U_Z газонаполненного разрядника зависит от изменения воздействующего напряжения du/dt (рис. 4.18). При du/dt = 100 В/с определяется статическое U_Zs, а при du/dt = 1 кВ/мкс - динамическое напряжение U_Zd пробоя разрядника (600-700 В). Типичное изменение напряжения на разряднике во времени приведено на рис. 4.17. При очень коротких импульсаax напряжения (менее 30 нс) газонаполненный разрядник нe срабатывает.

Газонаполненные разрядники надежно пропускают стандартные токи (8/20 мкс) амплитудой до нескольких десятков килоампер, однако они способны самостоятельно гасить токи, не превышающие 1 А. Поэтому их применение в цепях электро­снабжения требует последовательного включения защитного устройства, способного отключить возможный сопровождающий ток.

Рис. 4.17. Вольт-амперная характеристика газонаполненного разрядника с ориен­тировочными значениями напряжений тлеющего (u_G) и дугового (U_В) разрядов: U_Z - напряжение зажигания (см. рис. 4.18);1 - область начальных и тлеющих разрядов; 2 - область дуговых разрядов

Воздушные защитные промежутки образуются электродами, находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и рабо­чие характеристики близки к характеристикам газонаполнен­ных разрядников. Так как они не способны обрывать сопровож­дающие токи, то их применение в качестве ограничительных элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в ком­бинации с предохранителями или варисторами, выполняющими функции дугогашения.

Находят также применение и закрытые воздушные (так назы­ваемые разделительные) промежутки в местах сближения грозозащитных устройств с другими заземленными частями устройства или металлическими конструкциями, которые по условиям коррозионной стойкости не должны быть гальвани­чески долго соединены друг с другом. При грозовых воздейст­виях защитные промежутки устанавливаются там, где должны происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в тече­ние грозового разряда частей устройства, отделенных друг от друга в нормальном режиме.

Разрядники со скользящим разрядом содержат между элект­родами изоляционный материал. Вольт-секундные характерис­тики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных (рис. 4.18). Поэтому независимо от крутизны импульс перенапря­жения ограничивается до значения 2-3 кВ. Такие разрядники способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи, и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях элект­ропитания.

Рис. 4.20. Типичные вольт-амперные характеристики варисторов в линейных (а) и логарифмических (б) координатах:

I - область токов утечек; II - область импульсных токов; III - диапазон ра­бочих напряжений; IV - область перенапряжений

Варисторы (Variable Resistors) представляют собой элементы с симметричной вольт-амперной характеристикой (рис. 4.20). При I > 0 она выражается в виде

, (4.23)

где K - постоянная, зависящая от размеров резистора; - показатель, зависящий от материала.

Для применяемых в настоящее время металлооксидных варисторов на базе оксида цинка значение находится в пределах от 25 до 40.

Эффект ограничения напряжения основан на том, что при превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (4.23), со­противление

(4.24)

уменьшается на много порядков (рис. 4.20, б).

Защитный уровень варисторов в зависимости от их исполне­ния может лежать как в диапазоне низких, так и высоких на­пряжений, причем они способны поглотить значительную энергию. Их время срабатывания сравнительно мало и составляет десятки наносекунд. Оно определяется индуктивностью токопроводов. Собственная емкость варисторов велика (0,4-40 нФ), и поэтому их применение для ограничения перенапряжений в высокочастотных системах исключено. Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков, также втулок для разъемных соединений. На практике варисторы используют преимущественно для грубой защиты.

При часто повторяющихся перенапряжениях варистор нагревается и сопровождающий ток возрастает. Этот эффект можно использовать для контроля функциональных способностей варистора.

Кремниевые лавинные диоды обладают свойством не повреждаться при воздействии напряжения, превышающего граничные, при котором они находятся в закрытом состоянии. Их разновидность - так называемые Z-диоды (стабилитроны) ( напряжением U_Z - 3 ÷ 200 В (рис. 4.21) давно используются в электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений. Разработаны и специальные лавинные диоды, предназначенные для ограничения переходных перенапряжений, отличающиеся от обычных Z-диодов более высокой пропускной способностью по току, малым временем запаздывания (пикосекунды), большой поглощаемой энергией. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов) трансвильдиодов или ТА Z-диодов (ТА Z - от Transient Absorbing Zener).

На рис. 4.22 приведена характеристика ограничительной стабилитрона. Она аналогична характеристике Z-диода. Напряжение U_R - максимальное напряжение, при котором диод еще закрыт; U_B - напряжение начала ограничения, при котором ток I = 1 мА; U_С - напряжение ограничения для импульса тока I_рр (8/20 мкс).

Достигаемые уровни ограничения напряжения лежат в диапазоне 6-440 В.