Варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой в цепях переменного напряжения

24 октября 2019

системы безопасностиучёт ресурсовсветотехникаответственные примененияLittelfuseстатьяпассивные ЭК и электромеханика

Быстрое срабатывание встроенного терморазмыкателя TMOV-варистора производства Littelfuse позволяет отключать его при более низких температурах, что уменьшает вероятность обугливания и задымления по сравнению со стандартным варистором MOV-типа. В схемах, где критично знать, сработал ли терморазмыкатель, можно применять варисторы iTMOV со светодиодной индикацией состояния.

Металл-оксидные варисторы (MOV-варисторы) используются для подавления выбросов напряжения во многих устройствах, например, в модулях защиты от перенапряжений и сетевых фильтрах (SPD-устройствах), источниках бесперебойного питания (ИБП), в тройниках и удлинителях, в электросчетчиках и так далее. Источниками выбросов напряжения могут стать молнии, коммутации индуктивной нагрузки или переключения конденсаторных батарей. При работе в штатном режиме напряжение в сети не должно превышать максимальное рабочее напряжение MOV-варистора. Однако при возникновении помехи напряжение на MOV-варисторе может превысить напряжение срабатывания. В таких случаях прибор включается и ограничивает выброс напряжения при условии, что мощность помехи не превышает мощность, которую способен рассеять MOV-варистор.

Иногда возможна ситуация, когда перенапряжение имеет не импульсный, а долговременный или постоянный характер. Если варистор будет долгое время находиться под таким напряжением при условии ограничения тока (как требует стандарт безопасности UL 1449), то он начнет разогреваться. Неограниченный разогрев может вызвать тепловой пробой и, как следствие, задымление и даже пожар. Чтобы устройство защиты соответствовало требованиям UL 1449, MOV-варистор должен иметь дополнительную защиту от таких катастрофических перегревов. До сих пор данная задача традиционно решалась с помощью термопредохранителей (TCO).

UL1449: Перенапряжения с ограничением тока

Для устройств, работающих в сетях переменного напряжения, обрыв соединения «ноль-земля» является опасной аварийной ситуацией. В таких случаях MOV-варистор может оказаться под напряжением, которое существенно превышает номинальное рабочее значение. Если ток в цепи будет неограниченным, то варистор сначала перейдет в низкоомное состояние (сопротивление упадет до нескольких Ом), а потом из-за мгновенного перегрева попросту сгорит, разорвав цепь. Однако если в цепи будет нагрузка, которая ограничит ток, то нагрев MOV-варистора окажется не таким стремительным, из-за чего нагреваться будет все устройство, возникнет задымление, а при неблагоприятном развитии ситуации возможен пожар.

В США используется сетевое напряжение 120 В AC. Силовые линии 120 В AC работают с фазовым сдвигом напряжения 180° и обычно подключены к трансформатору со средней точкой (рисунок 1). Предположим, что в верхней цепи 120 В присутствует MOV-варистор с номинальным рабочим напряжением 150 В, а в нижней цепи 120 В имеется некоторая нагрузка. И MOV, и нагрузка подключены к средней точке трансформатора (цепь «ноль-заземление»). Если на центральном отводе трансформатора (X-X) произойдет разрыв, то нагрузка в нижней фазе будет ограничивать ток, и сетевой предохранитель может не сработать. В этом сценарии MOV-варистор, рассчитанный на 150 В, окажется под повышенным напряжением (вплоть до 240 В) при ограниченном токе, что может привести к его тепловому разрушению.

Рис. 1. Вариант аварийной ситуации, в которой MOV-варистор испытывает перенапряжение при одновременном ограничении тока

Рис. 1. Вариант аварийной ситуации, в которой MOV-варистор испытывает перенапряжение при одновременном ограничении тока

Рассмотренный вариант аварийной ситуации определен в стандарте UL 1449 (таблица 1). По этой причине во многих приложениях требуется, чтобы MOV-варисторы имели дополнительную тепловую защиту.

В таблице 1 представлены уровни испытательных напряжений для SPD-устройств с различным рейтингом напряжения. Испытательное напряжение последовательно прикладывается к каждой паре проводников, после чего подаются кратковременные импульсы тока 10 А для устройств Type 1 и Type 2, и 5 А, 2,5 А, 0,5 А и 0,125 А для устройств Type 3. Поскольку этот тест приводит к необратимым разрушениям, то для проверки устойчивости к каждому из пяти токов короткого замыкания потребуется пять устройств. Устройства должны находиться под напряжением в течение 7 часов либо до тех пор, пока ток или температура в устройстве не достигнут равновесия или пока SPD не отключится.

Таблица 1. Испытательные напряжения для различных устройств

Рейтинг устройства* Подключение фаз Тестовое
напряжение**
Рейтинг напряжения проводящих линий, В
110…120 В Однофазное 240 Все
110…120 В/220…240 В Трансформатор со средней точкой 240 110…120
120 В/208 В «Звезда» 208 120
220…240 В Однофазное 415 Все
220…240 В/380…415 В «Звезда» 415 220…240
240 В «Треугольник» 240 120
254…277 В Однофазное 480 Все
254…277 В/440…480 В «Звезда» 480 254…277
480 В «Треугольник» 480 254-277
347 В Однофазное 600 Все
347 В/600 В «Звезда» 600 347
Примечания:
* – Под устройством понимается конечный продукт: источник бесперебойного питания, сетевой фильтр и так далее.
** – Для устройств, рейтинг которых не указан в данной таблице, в качестве тестового напряжения должно использоваться максимальное фазное напряжение или удвоенное напряжение между проводниками, при условии, что оно не превышает 1000 В.

Как показано на рисунке 1, при испытании устройств, работающих в стандартной сети 120 В AC, необходимо подавать испытательное напряжение 240 В AC на все пары проводников. В данном случае есть три пары: «фаза-ноль» (L-N), «фаза-заземление» (L-G) и «ноль-заземление» (N-G). Здесь стоит еще раз отметить, что испытательное напряжение 240 В AC выбрано потому что в США линии сети 120 В AC обычно подключены к центральному трансформатору 240 В со средней точкой. В таких случаях MOV-варисторы, как правило, выбираются исходя из номинального рабочего напряжения 130…150 В. При возникновении аварии они могут перегреваться с катастрофическими последствиями в виде задымления или пожара.

MOV-варисторы с тепловой защитой

На рисунке 2 представлена простейшая схема защиты от выбросов напряжения, обеспечивающая требования UL 1449 при возникновении постоянных перенапряжений в условиях ограничения тока. В данной схеме между всеми линиями включены MOV-варисторы (или несколько параллельных MOV-варисторов): L-N, L-G и N-G. Это обеспечивает максимальную защиту от помех, возникающих во время переходных процессов в сети. Обычный последовательный плавкий предохранитель используется для защиты от перегрузки по току. Как правило, номинальный ток этого предохранителя выше, чем амплитуда испытательного тока, согласно UL 1449. Таким образом, при проведении испытаний на соответствие стандарту UL 1449 предохранитель не будет разрывать цепь. По этой причине MOV-варисторы должны быть дополнительно защищены от термического разрушения. Для этого последовательно с каждым варистором включается термопредохранитель TCO. В большинстве случаев для защиты от перенапряжений используют дисковые варисторы с диаметром 14 или 20 мм.

Рис. 2. Типовая схема защиты от перенапряжений с дополнительными TCO

Рис. 2. Типовая схема защиты от перенапряжений с дополнительными TCO

На рынке присутствуют термопредохранители TCO с различной температурой срабатывания. Важно понимать, что положение и ориентация TCO имеет огромное значение для обеспечения тепловой защиты MOV-варистора. Под действием постоянного перенапряжения MOV-варистор может быть пробит в случайной точке на диске, после чего начнет быстро нагреваться, если ток в цепи ограничен. Тепло передается от MOV-варистора к TCO с помощью излучения, конвекции и тепловой проводимости. Однако, как показывает практика, именно теплопроводность имеет решающее значение. Таким образом, расстояние и взаимное расположение источника тепла и TCO определяют скорость срабатывания терморазмыкателя. Считается, что наиболее эффективная тепловая связь присутствует между выводом варистора и изолированным выводом TCO. Механизмы передачи тепла с помощью конвекции и излучения оказываются эффективными только в том случае, если источник тепла находится в непосредственной близости от TCO. Несмотря на то, что проводимость является наиболее эффективным средством передачи тепла, в большинстве случаев MOV-варистор и TCO не находятся в непосредственном контакте. Выводы компонентов мешают размещению TCO достаточно близко от MOV, что ограничивает передачу тепла. Кроме того, эффективность передачи тепла в каждом случае оказывается различной.

Пример взаимного расположения MOV и TCO показан на рисунке 3. Обратите внимание, что TCO не касается варистора.

Рис. 3. Взаимное расположение TCO и MOV (один из варисторов был удален, чтобы не мешать обзору)

Рис. 3. Взаимное расположение TCO и MOV (один из варисторов был удален, чтобы не мешать обзору)

Время срабатывания тепловой защиты может оказаться достаточно большим, если TCO размещен слишком далеко от MOV. В таких случаях при возникновении аварийной ситуации вполне вероятно обугливание варистора и реальная возможность пожара. Использование термоусадочных трубок или других теплопроводящих материалов позволяет увеличить эффективность тепловой связи, но с другой стороны, эти изделия сами достаточно горючи и могут только ухудшить ситуацию.

Несмотря на описанные недостатки, терморазмыкатели позволяют эффективно отключать MOV-варисторы от сети, тем самым предотвращая их тепловое разрушение. В то же время TCO оказываются не очень удобными компонентами с точки зрения монтажа на печатную плату. Из-за низких температур срабатывания пайка TCO должна выполняться крайне аккуратно. При ручной пайке жало паяльника не должно находиться в долгом контакте с выводами TCO. Иногда для отвода тепла от терморазмыкателя используют клипсы и плоскогубцы.

Так как TCO, используемые для защиты MOV-варисторов, обычно имеют невысокую температуру срабатывания, то их автоматизированный монтаж затруднен. При попытке пайки волной TCO срабатывают из-за перегрева в ванне с припоем. В большинстве случаев монтаж TCO оказывается преимущественно ручным процессом.

Компанией Littlefuse была разработана новая технология, которая, с одной стороны, позволяет обеспечить требования UL 1449, в том числе при испытаниях устойчивости к постоянным перенапряжениям в условиях ограничения тока, а с другой – лишена большинства недостатков, характерных для традиционных комбинированных схем MOV/TCO. Новые защитные компоненты TMOV представляют собой комбинацию из терморазмыкателя и MOV-варистора, объединенных в одном корпусе. В TMOV используется запатентованная технология, которая позволяет встраивать тепловой элемент непосредственно в MOV. В результате терморазмыкатель находится в прямом контакте с диском варистора, тем самым обеспечивая оптимальную теплопередачу. Так как эффективность передачи тепла оказывается высокой, то для защиты варистора может быть использован терморазмыкатель с более высокой температурой срабатывания. Это делает возможным использование автоматизированных технологий для монтажа TMOV, что существенно упрощает процесс сборки. Благодаря конструктивным особенностям, TMOV не уступают традиционным варисторам по основным параметрам: амплитуде пиковых токов, уровню рассеиваемой мощности, значениям напряжений ограничения и прочему, и при этом имеют встроенную тепловую защиту. Суть предлагаемого решения поясняется на рисунке 4.

Рис. 4. Схема защиты от перенапряжений, использующая новые варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой

Рис. 4. Схема защиты от перенапряжений, использующая новые варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой

Сравнение методов тепловой защиты MOV-варисторов

TMOV-варисторы со встроенной тепловой защитой решают большую часть проблем, характерных для комбинации MOV/TCO. Использование встроенного терморазмыкателя, размещенного в центре диска MOV-варистора, обеспечивает несколько преимуществ:

  • оптимизирует передачу тепла между диском MOV и терморазмыкателем, так как терморазмыкатель оказывается максимально близко к точке нагрева. Это значительно уменьшает время срабатывания;
  • позволяет использовать терморазмыкатели с более высокой температурой срабатывания, чем у большинства TCO, притом, что сам терморазмыкатель оказывается защищен от внешних источников тепла.

Благодаря этому для монтажа TMOV-варисторов может использоваться пайка волной (подробнее об этом рассказывается в следующем разделе).

Чтобы сравнить время срабатывания TMOV-варисторов и комбинации MOV/TCO, были проведены испытания с привлечением стандартных MOV (серия UltraMOV 20 мм, 130 Vacrms), работающих в связке с TCO с различными температурами срабатывания (Tf), и TMOV со встроенной тепловой защитой (TMOV20R130, 20 мм, 130 Vacrms).

Все схемы подвергались одинаковому испытанию: к ним прикладывалось постоянное перенапряжение 240 В при ограничении тока 5 А. Как и ожидалось, у TCO с более высокой температурой Tf время срабатывания было выше (таблица 2). С другой стороны, при пайке TCO с температурой срабатывания 73°C было сложно избежать включения, несмотря на использование соответствующего радиатора. В таблице 3 представлены значения времени срабатывания для TMOV со встроенной тепловой защитой. Очевидно, что по этому показателю TMOV превзошли все комбинации MOV/TCO, принявшие участие в испытаниях.

Таблица 2. Время срабатывания тепловой защиты для различных комбинаций MOV/TCO при ограничении тока на уровне 5 А

TCO Tf, °C Время отключения, с
Среднее значение Диапазон
73 30 11…52
94 34 20…46
121 36 16…56

Таблица 3. Время срабатывания тепловой защиты варисторов TMOV при ограничении тока на уровне 5 А

TCO Tf, °C Время отключения, с
Среднее значение Диапазон
TMOV-варистор 13 2…25

На рисунке 5 представлены временные диаграммы нагрева варисторов при проведении испытаний на устойчивость к постоянным перенапряжениям с ограничением тока UL 1449 (240 В rms, 5 А) для трех схем защиты:

  • одиночный MOV – модель V20E130, 20 мм, 130 В ср.кв.;
  • комбинация MOV/TCO – модель V20E130, 20 мм, 130 В ср.кв. и TCO с Tf = 94°C;
  • варистор TMOV – модель TMOV20R130, 20 мм, 130 В ср.кв.

Рис. 5. Температура поверхности варисторов для различных схем защиты

Рис. 5. Температура поверхности варисторов для различных схем защиты

На диаграммах показан характер изменения температуры поверхности варистора с течением времени для всех трех схем. Как видно из диаграммы, температура корпуса стандартного MOV-варистора без тепловой защиты будет расти до тех пор, пока варистор не загорится. В комбинации MOV/TCO варистор быстро нагревается до температуры 220°C, после чего срабатывает TCO. Варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой отключаются значительно быстрее – срабатывание терморазмыкателя происходит при температуре около 150°C менее чем за 20 с. Обратите внимание, что температура варистора продолжает повышаться даже после срабатывания терморазмыкателей. Это связано с тем, что тепло передается от диска варистора наружу к эпоксидной заливке не мгновенно. Для того чтобы температура диска и заливки выровнялась, требуется некоторое время.

На рисунках 6а-6в показаны последствия перегрева варисторов для каждой из испытываемых схем защиты. На рисунке 6а показан результат перегрева стандартного MOV-варистора, на 6б изображено последствие перегрева MOV-варистора при использовании термопредохранителя TCO, рисунок 6в демонстрирует перегрев TMOV-варистора. Не сложно заметить, что в случае TMOV степень обугливания оказывается существенно ниже, чем при использовании одиночных варисторов или комбинации MOV / TCO.

Рис. 6. Результаты перегрева различных типов варисторов

Рис. 6. Результаты перегрева различных типов варисторов

Поскольку при производстве MOV- и TMOV-варисторов используются диски оксида цинка одинакового размера, то TMOV обеспечивают такой же уровень защиты от перенапряжений, что и MOV аналогичного размера, и соответствуют требованиям стандарта IEC 60950-1 (Приложение Q). Так как варисторы TMOV имеют встроенную защиту от перегрева, то при их использовании не требуется каких-либо внешних терморазмыкателей, которые необходимы при работе с обычными MOV-варисторами, согласно требованию пункта 1.5.9.2, МЭК 60950-1.

Использование пайки волной при монтаже TMOV

На рисунке 7 показан температурный профиль пайки волной, который можно использовать при монтаже TMOV-варисторов. Температурные показатели этого профиля являются типовыми для данного способа автоматизированного монтажа. В то же время допустимый температурный профиль для монтажа TCO оказывается существенно ниже. Фактически профиль, представленный для TCO, соответствует предельному варианту, при котором TCO выходит из строя (срабатывает). Это говорит о том, что для монтажа TCO (даже с высоким значением Tf, например, 142°C) не может использоваться пайка волной.

Уход от ручной пайки TCO позволяет обеспечить существенное снижение стоимости изделия.

Рис. 7. Температурные профили пайки волной для варистора TMOV и TCO (Tf = 142°C)

Рис. 7. Температурные профили пайки волной для варистора TMOV и TCO (Tf = 142°C)

Надежное размыкание тепловой защиты

Срабатывание терморазмыкателя происходит из-за пробоя и дальнейшего нагрева диска варистора. После того как встроенный терморазмыкатель в TMOV сработает, важно, чтобы он оставался разомкнутым, а его повторные коммутации были исключены.

Чтобы проверить надежность размыкания цепи при срабатывании терморазмыкателя, было проведено испытание, состоящее из нескольких этапов. На первом этапе TMOV-варисторы подвергались воздействию перенапряжения с ограничением тока, в результате чего срабатывала тепловая защита. На втором этапе на выводы варисторов подавались импульсы 6 кВ, 3 кА (8×20 мкс). На третьем этапе на выводы TMOV-варисторов подавалось постоянное напряжение смещения, и при этом выполнялось измерение токов утечки. Наличие высокого тока утечки сигнализировало бы о ненадежном срабатывании терморазмыкателя или о его возвращении в замкнутое состояние. В ходе испытаний значительных токов утечки обнаружено не было. На заключительном, четвертом этапе TMOV-варисторы несколько часов выдерживались под напряжением 1000 В (ср.кв.) с параллельным контролем тока утечки. И на этот раз значительных токов утечки обнаружено не было, что свидетельствует о надежной работе терморазмыкателя.

Индикация срабатывания тепловой защиты: iTMOV-варисторы

Мы тщательно проанализировали преимущества TMOV-варисторов, но остается один вопрос: как узнать, что терморазмыкатель сработал?

При работе в диапазоне рабочих напряжений сопротивление ТMOV-варистора остается чрезвычайно высоким. Таким образом, сложно понять обусловлено ли высокое сопротивление собственным сопротивлением варистора или высокое сопротивление является следствием срабатывания тепловой защиты. Если данный вопрос является критичным, следует обратить свое внимание на серию варисторов iTMOV с дополнительным выводом индикации.

Варистор iTMOV имеет дополнительный, третий индикаторный вывод, который подключен к точке соединения терморазмыкателя и варистора. Доступ к этой точке существенно упрощает индикацию состояния терморазмыкателя. На рисунке 8 показана типовая схема включения iTMOV.

На рисунке 8 показано, как варистор iTMOV используется для защиты устройства, питающегося от бытовой сети 120 В AC в США. Светодиод включен между индикаторным выводом и нулем. Последовательный резистор R1 используется для задания тока через светодиод. В данном случае был выбран резистор с сопротивлением 47 кОм и предельной мощностью 0,5 Вт. Расчет параметров резистора должен производиться с учетом характеристик используемого светодиода и параметров сети.

Рис. 8. Схема индикации состояния iTMOV (светодиод нормально включен)

Рис. 8. Схема индикации состояния iTMOV (светодиод нормально включен)

Как правило, светодиоды не допускают подачи обратного напряжения, поэтому для обрезания отрицательной полуволны обычно используется дополнительный выпрямительный диод D1. Кроме того, для защиты от перегрузки по току необходим предохранитель. В данном случае это Littelfuse 3AG, 10 A (313010). Выбор номинала предохранителя должен производиться, исходя из характеристик нагрузки.

В нормальных условиях светодиод находится в нормально включенном состоянии (светит). Ток течет от фазы к нулю через терморазмыкатель и индикаторную цепь. Если терморазмыкатель срабатывает, цепь размыкается, а светодиод выключается. Также светодиод выключится, если сгорит предохранитель.

Варистор iTMOV можно использовать для индикации состояния нескольких параллельно включенных TMOV-варисторов. Это связано с тем, что после отключения одного варистора, как правило, происходит отключение и остальных.

Заключение

Стандарт UL 1449 был создан для обеспечения защиты конечных устройств и пользователей от аварийных ситуаций, связанных с обрывом нуля. В таких случаях MOV-варисторы оказываются под постоянным перенапряжением в условиях ограничения тока. Перенапряжение может привести к неконтролируемому разогреву варистора и его тепловому пробою.

Существует несколько способов защиты MOV-варисторов от теплового разрушения. Чаще всего для этих целей используют термопредохранители TCO. Несмотря на то, что TCO в большинстве случаев справляются с поставленной задачей и предотвращают катастрофический перегрев варистора, у них есть значительные ограничения. При выполнении испытаний даже при срабатывании термопредохранителя MOV-варистор перегревается, из-за чего наблюдается задымление и обугливание. Еще одним недостатком TCO является сложность автоматизированного монтажа, так как в большинстве случаев пайка волной оказывается невозможна.

Новые TMOV-варисторы со встроенной тепловой защитой позволяют сократить количество компонентов, сэкономить место на плате и при этом обеспечить выполнение требований UL 1449. TMOV-варисторы обеспечивают повышенную эффективность по сравнению с другими методами защиты при воздействии постоянных перенапряжений с ограничением тока. Быстрое срабатывание встроенного терморазмыкателя TMOV позволяет отключать варистор при более низких температурах, что уменьшает вероятность обугливания и задымления. Остальные характеристики TMOV-варисторов оказываются такими же, как и у стандартных MOV-варисторов, включая пиковый импульсный ток, номинальную мощность и напряжение ограничения. В отличие от TCO, при монтаже TMOV-варисторов можно избежать ручных операций и использовать пайку волной. Это приводит к снижению стоимости производства и упрощению процесса сборки.

Важные примечания

Стоит отметить, что все представленные данные были получены при испытании ограниченной выборки компонентов. Результаты могут отличаться из-за разброса электрических и механических параметров. При выполнении проектирования разработчики должны учитывать разброс характеристик компонентов и закладывать соответствующие допуски.

В некоторых случаях TMOV-варисторы могут существенно нагреваться перед срабатыванием тепловой защиты. Конструкция конечного устройства должна учитывать эту особенность.

Перед выпуском на рынок рекомендуется выполнять тщательное тестирование устройств.

Литература

  1. Surge Protective Devices – UL1449, April 19, 2010
  2. Littelfuse Datasheet, Thermally Protected Metal Oxide Varistor (TMOV Varistor), March 2001
  3. TMOV®25S Varistor Series
  4. TMOV®34S Varistor Series
  5. Paul Traynham and Pat Bellew, Using Thermally Protected MOVs in TVSS or Power Supply Applications, Power Systems World, Intertec Exhibition Proceedings, September 2001
  6. Information Technology Equipment – Safety, IEC60950-1, Amendment 1, December 2009

Дополнительные материалы

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее

Товары
Наименование
TMOV14RP420M (LTL)
TMOV20RP275E (LTL)
TMOV20RP300E (LTL)
TMOV20RP320E (LTL)
TMOV20RP625E (LTL)
TMOV25SP385M (LTL)