Быстродействующая защита от помех в радиоаппаратуре

В качестве причины выхода радиоаппаратуры из строя в 80...90% случаев являются импульсные скачки напряжения в сети. А так как устранить причину появления таких выбросов невозможно, приходится принимать меры по индивидуальной защите каждого радиотехнического устройства. Целью данного раздела является не только познакомить читателей с теорией и основными методами выполнения активной быстродействующей защиты от высоковольтных импульсных помех (перенапряжений), но и научить, как можно, используя современную элементную базу, самому сделать такое устройство для разных применений.

Виды помех и принцип работы защиты

Высоковольтные выбросы напряжения нередкое явление в любой проводной линии. Причем речь идет не только о бытовой питающей сети. Это бывает и в телефонных проводах, кабельной или компьютерной информационной линии. По данным зарубежных исследований, проводимых производителями радиоаппаратуры, в питающей сети бывают импульсные выбросы напряжения амплитудой до 6000 В не менее 12 раз в месяц, в то же время при самых неблагоприятных условиях это напряжение может достигать 20 кВ и более (в США ежегодный ущерб от выхода из строя оборудования при импульсных перегрузках составляет около 10 миллиардов долларов). В наших сетях, согласно приводимым данным исследований [21], ситуация обстоит не лучше. Причиной таких перегрузок могут быть природные явления (удар молнии), технические неисправности промышленного оборудования, переходные процессы, возникающие при переключении мощной нагрузки, имеющей емкостный или индуктивный характер, и многие другие. Более редкой причиной появления повышенного напряжения является короткое замыкание низковольтной цепи на высоковольтную, например в результате обрыва проводов.

Молния является наиболее мощным и опасным источником перенапряжений со следующими параметрами:

-  амплитуда импульса тока 2...200 кА;

-  скорость нарастания фронта 2...200 кА/мкс.

И несмотря на то что обычно сила тока разряда молнии не превышает 80 кА — это все равно очень много. Поэтому при прокладке сетей за пределами зданий (сами здания имеют грозозащиту) обязательно используют защитные устройства (в соответствии с требованиями нормативной документации, например [Л9]), но эффективность их работы во многом зависит от того насколько близко расположены узлы защиты от источника помехи, например места удара молнии. Грозовые разряды содержат миллионы вольт и где это напряжение попадет в провода, заранее предсказать невозможно, так как обычно линии имеют большую протяженность, к тому же их количество постоянно увеличивается. Установить везде элементы защиты (или громоотводы) просто невозможно. Это приводит к ежегодному увеличению потерь от перенапряжений, вызывающих повреждение оборудования или сбои в его работе.

Не меньшую опасность могут представлять коммутационные помехи, которые возникают при коротких замыканиях, обрывах или резком изменении сопротивления нагрузки, вызванном другими Причинами (переключением). Например, при подаче напряжения на вход трансформатора мощностью 800 кВт в проводах возникает коммутационный импульс длительностью порядка 0,5 мкс и амплитудой до 4 кВ, который далее распространяется к потребителям. К этой же группе можно отнести и помехи от электрифицированного транспорта. Коммутационные помехи возникают при включении любой нагрузки, например люминесцентной лампы или кондиционера.

Как правило, обычное электротехническое оборудование уже рассчитано на воздействие небольших кратковременных перегрузок по напряжению (длительностью до 10^-5...10^-9 с) и, благодаря своей инерционности (ток не успевает возрасти), их вполне выдерживает. В случае более длительных перенапряжений — срабатывают токовые автоматические выключатели или плавкие предохранители.

Источником большого напряжения (несколько киловольт), поступающего на вход прибора, может стать и сам человек из-за статических зарядов, накопленных на теле от электризующейся одежды. Думаю, что каждый сталкивался в жизни с такими разрядами (в виде легких уколов) при касании рукой токопроводящей поверхности.

Для повреждения перехода база-эмиттер у биполярного транзистора обычно бывает достаточно небольшого напряжения (10 В), а для полевых более 20 В. Всего же накопленный заряд у человека, при самых неблагоприятных условиях, может достигать значений более 10... 15 кВ. Если не принять специальных мер защиты, большинство микроэлектронных изделий выходят из строя при воздействии кратковременного высоковольтного импульса. Минимальная энергия, которой достаточно, чтобы вызвать повреждение полупроводниковых элёментов, составляет 10^-2... 10^-7 Дж. Энергию накопленного на теле человека статического заряда (точнее, на электризующейся одежде, а тело является просто проводником) можно рассчитать по формуле:

где С — емкость человека, обычно она составляет около 150 пФ;

U — накопленное на емкости напряжение.

Во время грозы импульс напряжения (тока) имеет форму, показанную на рис. 1.1 (с такими же параметрами используют импульсы для проведения испытаний элементов защиты и описания их характеристик).

Энергия (в джоулях), которую несет импульс помехи, определяется через его площадь на графике напряжения, т. е. ее точно можно рассчитать через интеграл на интервале от начала (t0) до окончания действия импульса (t1):

При использовании одежды, содержащей синтетические волокна, во время движения происходит ее электризация и накопление зарядов. Экспериментальные данные, приведенные в [Л20] показывают, что, воспользовавшись расческой, мы заряжаемся до потенциала 1000 В, а просто сняв свитер с ворсом - до 3...5 кВ.

Именно эту энергию в виде тепла должен рассеять элемент защиты без всяких повреждений для себя. Для указания энергетических возможностей защиты довольно часто используют джоули (Дж), что более удобно, чем мощность. Такое значение более точно характеризует возможность работы с импульсными сигналами произвольной формы, и нам важно, чтобы максимальная энергия помехи не превышала допустимую для элемента защиты.

Рис. 1.1. Вид стандартной формы импульса (уменьшение тока происходит по экспоненте), используемого при испытаниях для отношения длительности фронта к его ширине на уровне 0,5:

tф/tи = 8/20 мкс

Если же изучать проблему борьбы с помехами более подробно, то следует знать, что, конечно же, существуют и другие формы помех, но здесь мы их рассматривать не будем, так как они несут меньшую энергию и менее опасны для радиоаппаратуры с точки зрения ее повреждения.

Все электронные устройства требуют принятия специальных мер защиты для ограничения до безопасной величины любых перенапряжений, возникающих в цепи питания или на входах (выходах). Причем, кроме возможности рассеять мощность помехи, одним из важных параметров является время срабатывания защиты — от него зависит эффективность схемы. Электромеханические защитные устройства из-за своего низкого быстродействия для защиты от импульсных помех неэффективны — время срабатывания токовых автоматов обычно бывает более 10 мс, а для мощных пускателей превышает 0,2 с.

Принцип работы всех устройств быстродействующей защиты заключается в закорачивании цепи прохождения сигнала помехи и рассеивании имеющейся у нее энергии на защитном элементе, для чего он подключается параллельно соответствующей цепи.

Следует отметить, что дорогая радиоаппаратура уже имеет внутри элементы защиты от перенапряжений (первыми их начали использовать военные), но часто возможности таких узлов по рассеиванию мощности помехи бывают ограниченными. Поэтому бывает целесообразно использовать еще и многоступенчатую внешнюю защиту. В бытовую же радиоаппаратуру, с целью снижения ее стоимости, узлы быстродействующей защиты обычно не устанавливаются, а все идет на уровне применения однокаскадных LC или RC-филь-тров, которые могут только чуть уменьшить амплитуду выброса.

Как уже было сказано выше, выполнение защитных устройств актуально не только для отечественных, но и зарубежных сетей. Там существуют довольно жесткие нормы по быстродействию разных видов защиты, а с января 1996 года Европейским комитетом по стандартизации (CENELEC) введены стандарты, запрещающие продажу некоторых видов аппаратуры на рынке ЕС без встроенных элементов, обеспечивающих защиту от перенапряжений.

Много фирм у нас в стране и за рубежом занимается выпуском от отдельных радиодеталей для этих целей до уже готовых модулей или защитных узлов, выполненных в виде законченной конструкции. Кроме отечественных производителей (Прогресс, Интеркросс и др.), ряд крупных зарубежных фирм (General Semiconductor, S+M Epcos, SGS-Thomson, Harris, Motorola, Remtech, Krone, General Instruments (Gl) и многие другие) занимается выпуском широкого перечня защитных компонентов. Спрос на такую продукцию довольно большой. Ведь сегодня создать надежное электронное устройство без их применения просто невозможно. Поэтому мы сначала более подробно познакомимся с современной элементной базой, применяемой для этих целей.

Используемая элементная база

В качестве основных компонентов в устройствах быстродействующей активной защиты радиоаппаратуры применяют следующие:

1)    разрядники: воздушные и газонаполненные (газоразрядники);

2)    варисторы;

3)    диоды TRANSIL, TRISIL и TVS (сапрессоры);

4)    специальные электронные модули протекторов (protector).

Выбор конкретного типа зависит от быстродействия защищаемого оборудования и допустимой мощности перегрузки, а также необходимой полосы пропускания линии (уменьшение вносимой емкости элементами защиты особенно важно для высокочастотных кабелей, а также в цифровых каналах передачи информации).

Открытые воздушные разрядники в радиоаппаратуре применяются все реже, так как у них параметры сильно зависят от состояния окружающей среды (температуры, атмосферного давления и влажности воздуха между электродами), что снижает надежность такого узла.

Работа газоразрядника (часто называемого просто “разрядник”), так же как и воздушного разрядника, основана на принципе ионизации газа, находящегося между электродами и появления дугового разряда, когда напряжение увеличится выше фиксированной пороговой величины. При этом за короткое время (примерно 1...2    мс) сопротивление в цепи разрядника падает с 100...10000    МОм до единиц мОм, и идущий по проводам линии импульс будет закорочен. Кратковременный ток разрядника может составлять значительную величину (10...100 кА), а пока он замыкает цепь, остаточное напряжение между электродами у разных типов составляет от 25 до 150 В.

Наиболее наглядно действие газоразрядника, применяемого для защиты радиоаппаратуры, показывает диаграмма, приведенная на рис. 1.2. Она поясняет работу разрядника на переменном напряжении при появлении импульсной помехи. Максимальное напряжение (Umax), при котором разрядник откроется, зависит от скорости нарастания напряжения (dU/dt) помехи. На участке t1 - t2 разрядник открыт.

Литература: Радиолюбителям полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.