"Основная ошибка, error fundamentalis, – ложное основное положение, на котором строится какое-либо доказательство и из которого могут делаться различные выводы. Те ошибки, которые совершаются непреднамеренно, называются паралогизмами, а те, которые совершаются преднамеренно, для того чтобы ввести кого-либо в заблуждение, называются софизмами." Учебник логики (Для гимназий и самообразования) Проф. Г. Челпанов. - 9-е изд. Т-во «В.В. Думнов - Насл. бр. Салаевых» - Москва, 1917 :
Статическое напряжение пробоя разрядника и его измерение
Достаточно распространенное заблуждение состоит в том, что напряжение, указанное в названии, и обычно маркированное на корпусе, это «напряжение срабатывания разрядника». На рисунке ниже показаны примеры маркировки. На разрядниках отечественного производства традиционно указывается тип (номер) разрядника..
На разряднике указывается статическое напряжение пробоя, которое определяется при воздействии на разрядный промежуток испытательного напряжения, линейно возрастающего со скоростью 100 В/с. Напряжение, при котором проходит пробой, фиксируется, это и будет статическое напряжение пробоя.
В приборах для измерения параметров устройств и элементов защиты статическое напряжения пробоя определяют двумя способами (см. рис. ниже). Рассмотрим, как они реализованы в тестере устройств защиты ISKRA, выпускаемом нашей фирмой.
Генератор испытательного напряжения (ГИН) реализован на принципе заряда конденсатора RC-цепочки от выпрямленного переменного напряжения, поступающего с вторичной обмотки трансформатора.
Микропроцессор управляет частотой поступающего на первичную обмотку переменного напряжения, обеспечивая таким образом линейность и скорость возрастания напряжения на конденсаторе. ГИН имеет малую мощность и высокое внутреннее сопротивление, испытательный ток ограничен значением 1 mА (значение классификационного тока, используемого для измерения классификационного напряжения варисторов для работы в цепях напряжением ниже 1 кВ).
Встроенный в процессор АЦП измеряет напряжение на конденсаторе и падение напряжения на прецизионном резисторе в цепи, в которую включается тестируемый элемент.
В режиме измерения «разрядник» измеряется напряжение на нем – как только произойдет пробой, конденсатор начнет разряжаться через разрядник, напряжение на нем упадет, микропроцессор зафиксирует значение напряжения, отключит генератор и прекратит процесс измерения. Параллельно конденсатору подключится резистор, через который произойдет разряд.
В режиме «варистор» отслеживается падение напряжения на прецизионном резисторе (т.е. измеряется ток разряда). Когда ток достигнет значения 1 мА, фиксируется напряжение, процесс измерение завершается так же, как в режиме разрядник.
С точки зрения физики разряда правильно использовать метод измерения напряжения, но из-за низкой скорости роста испытательного напряжения разница между результатами, полученных обеими методами, находится в пределах погрешности измерений
В тех случаях, когда надо убыстрить процесс тестирования, допустимо увеличить скорость роста испытательного напряжения. Например, в тестере модулей защиты «Гроза» имеется возможность задать ее равной 1000 В/с.
Динамическое напряжение пробоя разрядника и его связь со статическим (добрались до логической ошибки)
Этот параметр характеризует работу разрядника при быстро растущем напряжении. Нормативными документами, в т.ч. ITU-T (международный союз электросвязи) и IEC приняты две скорости нарастания – 100 В/мкс и 1кВ/мкс, их же используют в документации производители разрядников.
Для измерения динамического напряжения срабатывания можно использовать генератор линейно возрастающего напряжения (или генератор импульсов с соответствующей крутизной фронта) и цифровой запоминающий осциллограф, подключаемый через делитель.
На графике и в таблице ниже показаны статические и динамические напряжения разрядников одного производителя и одинаковой конструкции, которые отличаются номиналами статического напряжения пробоя. Названия параметров приведены на английском, т.к. вряд ли (как это ни прискорбно) читателю придется иметь дело с отечественными разрядниками.
Надо добавить, что обычно разброс статического напряжения пробоя значительно меньше, чем 20% (значение порядка 1% в одной партии - для хорошего производителя скорее норма, чем исключение)
Вот мы и добрались до того, места, ради которого, собственно статья и написана логической ошибки, которую можно разделить на два уровня:
Логическая ошибка, уровень 1. Для тех, кто думает, что на разряднике написано «напряжение срабатывания» нет никаких сомнений, что «разрядник на 90 Вольт» сработает быстрее, чем на «230 Вольт»
Логическая ошибка, уровень 2. Те, кто знает, что статическое напряжение разрядника это одно, а срабатывание от импульса – это другое, тоже делают совершенно логичный вывод – чем выше статическое напряжение пробоя, тем выше динамическое и наоборот – чем ниже статическое, тем ниже динамическое напряжение пробоя.
Как мы видим на графике и в таблице, эта логика не действует для разрядника №1 (статическое напряжение пробоя 90 V). В зависимости от конструкции и других свойств разрядника (форма электродов, расстояние между ними, состав газа и проч.) граница, ниже которой логика нарушается может доходить даже до 200-250 В.
Почему так происходит ? (физическое объяснение логической ошибки)
Объяснение, почему разрядник со статическим напряжением пробоя 90 В при воздействии импульса с быстро нарастающим фронтом сработает медленнее, чем разрядник «на 350 В», надо искать в процессах, происходящих при пробое газового промежутка.
В промежутке между электродами под воздействием естественного радиоактивного поля земли и космической радиации постоянно появляются заряженные частицы (прежде всего электроны), их появление сопровождается рекомбинацией положительно и отрицательно заряженных частиц.
Под воздействием электрического поля между электродами электроны начинают двигаться к аноду, по пути ударяясь в молекулы газа. Если энергии электрона будет достаточно для ионизации атома газа, то к аноду под воздействием поля будут двигаться уже два электрона, а к катоду – положительный ион. В результате возникает лавина, или, другими словами, электрический пробой промежутка.
Уменьшение расстояния между электродами (чем меньше расстояние, тем меньше статическое напряжение пробоя) приводит к тому, что электрон встретит и ионизирует на своем пути меньше атомов газа, количество которых будет недостаточно для пробоя.
Кроме количества свободных носителей, пробой зависит от напряженности электрического поля между электродами. При одинаковом приложенном напряжении у разрядника с меньшим расстоянием между электродами ( на 90 В) напряженность будет в несколько раз выше, чем у разрядника на 350 В. При быстром росте напряжения в газовом промежутке малой ширины не успеет образоваться достаточное количество свободных носителей. Если уменьшать скорость роста напряжения, то при каком-то значении крутизны нарастания разрядники пробьются при одинаковом напряжении, при дальнейшем снижении скорости возрастания, напряжения пробоя разрядников будут приближаться к статическим, т.е. к тем, которые на них нанесены.
Последний вопрос, и ответ на него (немного о схемотехнике устройств защиты)
Внимательный читатель спросит – ну раз разрядники с низким статическим напряжением пробоя (до 150-200 Вольт срабатывают медленнее, то зачем они нужны? Будем применять от напряжения 230 Вольт и выше, зачем плодить сущности …
Субъективный фактор никто не отменял (мне несколько раз не удавалось убедить заказчиков, что в заказанных ими устройствах защиты для повышения эффективности надо использовать разрядники с более высоким напряжением пробоя) – т.к. они были относительно продвинутые, то обычно делали логическую ошибку уровня 2 (см. выше)
Примеров, когда использование разрядника с низким напряжением пробоя необходимо, можно привести несколько, но ограничусь одним. Вот схема серии устройств Commeng DIP , которые мы выпускаем без изменений уже более 20 лет (корпус новый уже разработали, будем менять – а схема работает отлично).
Рассмотрим работу схемы при воздействии синфазных (продольных) импульсных помех (т.е. помех типа провод-земля). Схема двухкаскадная, в первом каскаде – разрядник, во втором – супрессоры, для разделения каскадов в каждый провод включен дроссель.
В полупроводниковых элементах защиты присутствуют свободные носители заряда – электроны, а также квазиносители «дырки» - незанятые электронами места, которые могут менять свое расположение в кристаллической структуре полупроводника. Поэтому у супрессора (защитного диода), в отличие от разрядника, нет понятия «статическое» или «динамическое», а есть просто напряжение пробоя, который наступает практически мгновенно.
Напряжение пробоя супрессора VD1 должно быть выше, чем статическое напряжение пробоя разрядника FV1.1, чтобы напряжение на супрессоре после его срабатывания было достаточным для пробоя разрядника.
В противном случае импульс помехи будет проходить через супрессор (разрядник вообще не пробьется), что может привести к выходу супрессора из строя. Поэтому параметры элементов такие: статическое напряжение пробоя разрядника – 90 В, напряжение пробоя супрессора – 100 В, при протекании импульсного тока через супрессор на дросселе 2,2 мкГн падает дополнительное напряжение, приложенное к разряднику (можно рассчитать по формуле u=L di/dt), что увеличивает скорость его срабатывания.
При использовании разрядника со статическим напряжением пробоя 230 В напряжение пробоя супрессора в такой схеме должно быть не менее чем 250-260 В, без использования дросселя еще выше.
В данном случае это не подходит - устройства серии Commeng DIP часто используют с оборудованием, в котором к линии передачи данных подключена микросхема без использования гальванической или оптоэлектронной развязки, поэтому задача стоит максимально снизить амплитуду перенапряжения, поступающего на вход микросхемы. В цепи провод-земля на выходе устройства защиты будет порядка 100 В, длительностью от нескольких до 20-30 мкс. В цепи провод-провод уровень помеха будет ограничен близко к рабочему напряжению (например в схеме DIP-6V на уровне порядка 12 Вольт).
Всё чудесатее и чудесатее
Если и дальше уменьшать разрядный промежуток, то увеличится не только динамическое, но и статическое напряжение пробоя – об этом нам говорит закон Пашена. Про связанный с этим курьезный случай я написал в одной из первых статей в моем блоге Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.