С полгода назад наткнулся в ленте на гневную статью с, примерно, таким названием "Варисторы и супрессоры, еще одна ложь интернета". Там автор, совершенно не понимая сути вопроса, наворотил таких глупостей и обвинений... Основная его идея состояла в том, что "варисторы ни от чего не защищают, так как у него защита не спасла". Вступил с ним в переписку, но переубедить, или хотя бы объяснить, не получилось. Он, что называется "рогом уперся". Сейчас почему то вспомнилось и решил немного рассказать о компонентах предназначенных для защиты электроники, и не только ее. Конечно, обо всем не расскажешь в небольшой статье формата Zen, но основное постараюсь затронуть.
Предохранители плавкие
О предохранителях, пожалуй, знают все. Или слыхали, как минимум. Они есть в бытовой электронике, автомобилях, и многих других окружающих нас вещах. А в старых цветных телевизорах их было до десятка штук. Обычно их представляют как стеклянную, или керамическую, трубку с проволочкой внутри. Или как автомобильные предохранители. Кто в каком виде с ними сталкивался. Предохранители предназначены для защиты от токовых перегрузок - они "перегорают". Фактически же, предохранители спасают от серьезных неприятностей, а не от того, что устройство стало потреблять чуть больше, чем на предохранителе написано. Давайте разбираться.
Во первых, предохранитель включается последовательно с защищаемой цепью. Во вторых, проволочка в предохранителе калиброванная, то есть, специально подобранного диаметра, и из специального сплава. Поэтому ремонтировать предохранитель "дедовским методом", то есть заменять сгоревшую проволочку на похожую по диаметру медную, не стоит. Работает предохранитель следующим образом. Проволочка имеет определенное сопротивление, пусть и незначительное и под действием протекающего тока нагревается. Нагревается тем больше, чем выше протекающий ток и тоньше сама проволочка. В какой то момент времени, если ток слишком большой, температура превышает температуру плавления и проволочка плавится - "перегорает". При этом, пока ток не превышает заданного значения, предохранитель не должен сильно разогреваться. И, желательно, что бы он не влиял ощутимым образом на защищаемый прибор.
Время срабатывания предохранителя зависит от того, насколько протекающий через него ток превышаем номинальный (указанный на предохранителе). Проиллюстрирую сказанное на примере предохранителей немецкой фирмы Siba. При полуторакратном превышении номинального тока предохранитель должен сработать не позже, чем через один час. При двукратном не позже, чем через 30 минут. При приближении к трехкратному превышению тока малотоковые предохранители срабатывают за 0.5 секунды, а сильнотоковые за две. Десятикратное превышение тока дает предохранителю на срабатывание лишь 20 миллисекунд. То есть, от короткого замыкания предохранитель спасет, а вот от перегрузки вряд ли. Да и при замыкании нагрузки коммутируемой силовым транзистором, например, предохранитель не в состоянии спасти транзистор, слишком он медленный, по сравнению с транзистором.
Из самого принципа работы предохранителя следует, что на нем должно падать какое то напряжение. Документация Siba говорит, что на предохранителе на 50 мА будет падать до 3.5 Вольт! То есть, в низковольтной цепи его использовать не получится. А вот начиная со 125 мА падение напряжения резко уменьшается, сразу до 0.35 Вольта. Но даже у самых сильнотоковых оно не ниже 0.1 В.
Кроме того, предохранители надо выбирать с учетом напряжения в защищаемой цепи. Привычные стеклянные предохранители длиной 2 см рассчитаны на напряжение до 250 В. Для 400 В требуется длина 3 см. А для 1000 В - 5 см. Да, предохранители для мультиметров с допустимым пределом 1000 В могут быть длиной 3.5 см, но это особый случай, да и стоят такие несколько тысяч рублей.
Конечно, есть и быстродействующие предохранители, и засыпные (внутренняя полость трубки засыпана песком), но в быту они не встречаются.
Так нужны ли предохранители? Да, нужны. Но для надежной защиты они должны применяться не сами по себе, а в комплексе с другими методами. То есть, сначала срабатывает быстродействующая защита, которая исключает выход электроники из строя, а уж потом сгорает предохранитель надежно отключая защищаемое устройство.
Самовосстанавливающиеся предохранители
В современной технике не любят допускать владельцев внутрь, поэтому вместо обычных плавких предохранителей часто используют самовосстанавливающиеся (Resettable Fuses). Например, блок питания ноутбука при перегрузке отключается, срабатывает такой предохранитель. Но если его отключить, немного подождать и снова включить, то он снова заработает. На фото в начале статьи пример такого предохранителя показан внизу по середине (желто-оранжевый прямоугольный), хотя они могут быть самых разных форм, размеров и расцветок.
По сути своей, такой предохранитель является позистором (PTC термистором), то есть терморезистором увеличивающим свое сопротивление при повышении температуры. Только рост сопротивления происходит не плавно, а резко. Точно так же, как и обычный плавкий предохранитель, самовосстанавливающийся нагревается протекающим через него током, но при достижении определенной температуры он не разрушается а резко увеличивает сопротивление ограничивая таким образом ток. Обратите внимание, в отличии от плавкого предохранителя защищаемое устройство не отключается полностью! Ток лишь ограничивается на некотором уровне.
Самовосстанавливающийся предохранитель тоже срабатывает не мгновенно. Например, MF-R050 (на 0.5 А) срабатывает при токе 1 А (двукратное превышение) примерно за 45 секунд. Время срабатывая при токе 2.5 А, для данного предохранителя, нормируется в пределах 4 секунд. Это конечно быстрее, чем срабатывание плавкого предохранителя, но все равно довольно медленно.
Самовосстанавливающийся предохранитель, естественно, обладает каким то сопротивлением. Для MF-R050 оно составляет 0.4-0.7 Ом в исходном состоянии. То есть, на таком предохранителе при токе 0.5 А будет падать до 0.35 В. Однако, после срабатывания предохранитель восстанавливается не сразу! В течении часа после срабатывания сопротивление MF-R050 может достигать 1.2 Ом, что дает уже падения напряжения 0.6 В. Другими словами, в течении некоторого времени после первого срабатывания (несколько часов!) такой предохранитель будет срабатывать при токе ниже номинального!
Самовосстанавливающиеся предохранители тоже имеют ограничение на рабочее напряжение, которое указывается в документации. Вообще, на такие предохранители документацию читать обязательно, так как они имеют много важных влияющих на применение параметров.
NTC термисторы
Если PTC термисторы, в виде самовосстанавливающихся предохранителей, используются для защиты от токовых перегрузок в аварийных ситуациях, то NTC термисторы используются для защиты от кратковременных токовых перегрузок. Например, для ограничения тока заряда входной емкости импульсных блоков питания. Наверное многие сталкивались с тем, что при включении некоторых потребителей, например, блоков питания ноутбуков, или светодиодных ламп, слышен громкий щелчок или даже видна искра. Это бросок тока заряда входной емкости при включении устройства в момент максимума сетевого напряжения. Лампы накаливания часто перегорают из за броска тока при включении, так как сопротивление холодной нити накала примерно в 10 раз меньше, чем горячей. Вот для исключения такого броска и применяют NTC термисторы. Их включают, как и предохранители, последовательно с защищаемой цепью.
Следует заметить, что не каждый NTC термистор можно применять для ограничения пускового тока. Так же, как не каждый PTC термистор в качестве самовосстанавливающегося предохранителя. Существуют специальные термисторы для ограничения пусковых токов (они обычно окрашены в черный цвет, но не обязательно).
NTC термисторы работают с точностью до наоборот по сравнению с самовосстанавливающимися предохранителями. То есть, в холодном состоянии у них повышенное (но уже нормируемое) сопротивление. А нагреваясь протекающим током они свое сопротивление снижают, то же нормируемо. Например, термистор B57235S0259M0 рассчитан на ток 5 А и имеет при комнатной температуре сопротивление 2.5 Ом. При максимальном токе и температуре окружающего воздуха (не температуре термистора!) 25 градусов его сопротивление снижается примерно до 0.8 Ом. При этом, при температуре корпуса термистора 100 градусов его сопротивление составит примерно 0.45 Ом. Так же, нормируется относительная зависимость сопротивления от кратности протекающего тока (кривая зависимости сопротивление-ток).
Газовые разрядники
Про защиту от перегрузок по току поговорили уже достаточно. Пора переходить к защите от превышения напряжения. Начну с довольно экзотических, на первый взгляд, газовых разрядников. Да, в быту их, пожалуй, встретишь не часто. Но для защиты линий связи, питающих линий, антенн, то есть, для того, что может иметь большую длину и размещаться вне помещений, их применяют часто. Основное назначение - защита от молний и статического напряжения. Конечно, от прямого попадания молнии они не спасут, зато от близкого, вместе с молниеотводом, могут. Или при необходимости работы устройства вблизи высоковольтных источников. Разрядники, как и все компоненты защиты от перенапряжения, включают параллельно защищаемой цепи.
От других компонентов, например, варисторов или супрессоров, разрядники отличаются малой емкостью, что иногда бывает чрезвычайно важно. И чрезвычайно высоким сопротивлением.
Разрядники представляют собой наполненную газовой смесью камеру, чаще керамическую, с двумя или тремя электродами. При этом их размеры не велики. Например, 3-х электродный разрядник T33-A90X имеет диаметр 6 мм и длину 8 мм (без учета выводов).
При превышения приложенным напряжением напряжения пробоя между электродами разрядника возникает дуговой разряд, что шунтирует защищаемую цепь от действия высокого напряжения. Разрядники способны пропускать через себя огромные токи в несколько килоампер, и больше. Но в течении ограниченного времени, и ограниченное число раз. Так разрядник T33-A90X имеет напряжение пробоя 90 В и способен пропустить ток 10 кА при импульсе высокого напряжения порядка 10 микросекунд. Но один раз, потом нужно заменять. При промышленной частоте 50 Гц и времени действия импульса 1 секунду он может пропустить только 10 А, зато до 10 раз. Однако, при очень большой амплитуде импульса и, как следствие, очень большом протекающем токе, напряжение на разряднике будет выше напряжения пробоя. К тому же, разрядник срабатывает тоже не мгновенно. Так T33-A90X допускает кратковременный выброс напряжения до 500 В при скорости нарастания высоковольтного 1 киловольт в микросекунду. К стати, емкость это разрядника не более полутора пикофарад, а сопротивление в отсутствии разряда не менее 10 гигаом. Сравните потом с аналогичными параметрами, например, супрессоров.
Варисторы
Вот мы и добрались до того, о чем я говорил в начале статьи, и что послужило поводом к ее написанию. Варисторы, как и газовые разрядники, используют для защиты приборов от превышения напряжения. Они дешевле разрядников и компактнее. Точно так же, как разрядники, варисторы способны выдерживать лишь импульсные перенапряжения и помехи.
Варистор является нелинейным резистором, как и термисторы. Он резко уменьшает свое сопротивление при превышении порогового напряжения. Этим он несколько похож на стабилитроны и супрессоры. Он изготавливается спеканием порошков, обычно карбида кремния или окиси цинка, со связующим.
Варисторы имеют симметричную вольт-амперную характеристику. То есть, полярность приложенного напряжения не имеет значения. Варисторы включаются параллельно защищаемой цепи. Стоит заметить, что варисторы срабатывают очень быстро, но их снижение сопротивления происходит не скачком, а плавно. То есть, сопротивление падает тем сильнее, чем больше напряжение превышает пороговое значение.
Основным параметром варистора является классификационное напряжение. Это напряжение, при котором ток через варистор не превышает, обычно, 1 мА. Так же, задаются максимальное рабочее постоянное напряжение (ток через варистор не течет) и переменное среднеквадратичное. Для сработавшего варистора, ток через который течет, определяются максимальная мощность для различных длительностей импульсов и максимальное превышение напряжения.
Для примера, варистор B72214S0271K101 (он же S14K275) имеет классификационное напряжение 430 В (допустимое отклонение 10 В), максимальное постоянное напряжение 350 В, переменное 275 В (среднеквадратичное). Он может один раз пропустить через себя 4.5 кА при длительности импульса 8 мкс или до 15 раз 3 кА при той же длительности. максимальная мощность рассеивания 0.6 Вт, а поглощаемая мощность одиночного импульса 71 Джоуль при длительности импульса 2 миллисекунды. Перенапряжение при токе через варистор 50 А может достигать 710 В. Емкость, на частоте 1 кГц может достигать 440 пФ (сравните с 1.5 пФ у разрядника).
Теперь понятно, что так разочаровало автора упоминавшейся статьи. Во первых, он почему то решил, что варисторы предназначены для долговременной защиты. Во вторых, он почему то решил, что варистор сопротивление уменьшает резко при превышении максимального напряжения (в 1.28 раза для постоянного тока), или в корень из двух раз при превышении классификационного. То есть, он совершенно не разобрался в том, как варисторы работают, и что означают их параметры. В третьих, он почему то решил, что предохранитель должен сгореть мгновенно при превышении номинального тока (о предохранителях я уже рассказал выше).
Варистор включается параллельно защищаемой цепи (устройству) и после предохранителя. Он защитит устройство от кратковременных выбросов напряжения значительно превышающих классификационное напряжение. При длительном импульсе большой амплитуды успеет сгореть предохранитель и отключит устройство. Но при этом, с большой долей вероятности, погибнет и сам варистор. Варистор может поглотить импульс большой энергии, который способен навредить устройству, но отключение устройства при этом не обязательно. Применение варисторов не исключает применения других способов защиты, например, тиристорной защиты.
Надо отметить, что варисторы изнашиваются при срабатывании. Другими словами, их лучше заменять после срабатывания. Кроме того, срабатывание варисторов иногда сопровождается свето-звуковыми эффектами с выделением волшебного дыма и даже разлетом осколков. Это происходит если энергия пришедшего импульса значительно превышает ту, которую варистор способен поглотить. Ведь всегда хочется поставить варистор размером поменьше...
Супрессоры (защитные диоды, TVS диоды)
Последний элемент защиты о котором я расскажу. Они в чем то похожи на обычные стабилитроны и описанные выше варисторы. Как и стабилитроны, они работают при обратном напряжении резко увеличивая проводимость при превышении порогового напряжения (напряжения стабилизации). Как и варисторы, они предназначены для защиты от импульсных перенапряжений. Они бывают несимметричными и симметричными. Несимметричные при прямом смещении ведут себя как обычные диоды, а при обратном как стабилитроны. Симметричные ведут себя как стабилитроны при любой полярности приложенного напряжения (ВАХ похожа на ВАХ варистора). От стабилитронов они отличаются тем, что имеют большие значения дифференциального сопротивления и не имеют четко заданного напряжения срабатывания (стабилизации). Кроме того, при пробое они не уходят в обрыв, а превращаются в перемычку закорачивая защищаемую цепь.
В отличии от варисторов, супрессоры чаще применяют для защиты сигнальных цепей и цепей постоянного тока, для защиты от статического электричества. Основным параметром является максимальное рабочее напряжение при котором супрессор закрыт. Кроме того, задается напряжение начала открывания (классификационное напряжение у варистором) при заданном токе, обычно 1 мА, но бывает и другой. Так же, как и для варисторов, задается максимальное перенапряжение при максимальном токе. Ну и параметры мощности и энергии импульса.
Для примера, для супрессора SA13А (несимметричный) максимальное рабочее (классификационное) напряжение составляет 13 В. При этом напряжение начала открывания, при токе 1 мА, может лежать в диапазоне от 14.4 до 15.9 В. Максимальный ток составляет 23.7 А, при этом напряжение на супрессоре может доходить до 21.5 В. Обратный ток утечки может доходить до 1 мкА. Емкость, как у всех диодов, зависит от приложенного напряжения и составляет 100-150 пФ. Энергия поглощаемого импульса для этого супрессора не указана, но импульсная мощность рассеивания составляет 500 Вт при длительности импульса 10 мкс.
Как видно, параметры супрессоров похожи на параметры варисторов, хоть они и различаются по областям применения. Так же стало видно, почему автор упоминавшейся статьи зол и на супрессоры.
Заключение
Я очень кратко, обзорно, упомянул наиболее часто встречающиеся компоненты защиты от токовых перегрузок и импульсных перенапряжений. Отступив от своей традиции я не стал снабжать статью подробными иллюстрациями. Все таки это обзор, а не описание способов применения. Основная цель - немного помочь новичкам, и не только, разобраться в терминологии сути. При этом я даже не коснулся защиты он электромагнитного излучения и помех, это тема отдельного разговора. Я не коснулся схемотехнических способов защиты, лишь однажды упомянув тиристорную защиту. Я упомянул только специально предназначенные для защиты компоненты.
Сама защита устройств обычно бывает комплексной. Ограничиться предохранителем можно лишь в простейших случаях. Обычно применяют комбинацию компонентов и схемотехнических защит, причем многоуровневую, если речь идет о серьезных устройствах.
Например, защита устройства при питании от сети переменного тока может состоять их плавкого предохранителя для отключения при аварийных ситуациях и самовосстанавливающегося для защиты от перегрузок, может включать три варистора (между фазой и нулем, между фазой и защитной землей, между нулем и защитной землей), дроссель для подавления синфазных помех и NTC термистор для гашения импульса пускового тока. Сигнальные цепи и цепи питания для удаленно расположенных устройств могут защищаться супрессорами, в пределах здания, и , дополнительно, разрядниками для воздушных линий связи расположенных между зданиями.
