GDT25 – быстродействующие газоразрядники Bourns седьмого поколения

25 марта

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовавтоматизацияBournsстатьяпассивные ЭК и электромеханикаRS-485RS-232BournsGDTгазоразрядникиTBUCANG.FastxDSLHVAC

Софья Букреева (г. Протвино)

Газоразрядники GDT25 седьмого поколения производства Bourns обеспечивают более высокую скорость включения в сочетании с повышенными номинальными импульсными токами, что является насущным требованием современной электроники.

Ранее разработка газоразрядных трубок (GDT) акцентировалась на долговечности и высокой надежности, а скорость срабатывания и включения оставались второстепенными параметрами. Со временем размеры электронных компонентов уменьшились, они стали более интегрированными и чувствительными к перенапряжениям, а использование газоразрядников на печатных платах значительно расширилось, что потребовало усовершенствования их конструкции. В статье представлена новая серия GDT седьмого поколения компании Bourns, отвечающая современным требованиям к защите от перенапряжений, а также объясняется, почему более высокая скорость включения в сочетании с повышенными номинальными импульсными токами необходимы для удовлетворения растущих требований к защите в современных применениях.

Экскурс в историю

Самым ранним упоминанием экспериментов с ударами молнии были опыты Бенджамина Франклина с воздушным змеем в 1752 году. Однако только в 1859 году в Йельском университете описали использование первого решения для защиты на основе искрового промежутка. В этом решении использовался эксперимент Франклина. Воздушный змей был привязан к изолированной стойке с медным шаром, второй медный шар помещался в двух дюймах от первого и был заземлен. При ударе молнии и возникновении большого заряда на змее между двумя шарами образовывалась дуга, отводящая заряд в землю.

Гемфри Дэви в своих исследованиях дугового электрического разряда между проводниками обнаружил, что при определенной разнице потенциалов воздух или другой газ между электродами будет ионизироваться, чтобы обеспечить проводящую среду для дуги. Медные шары были заменены на угольные стержни, а в дальнейшем появились разрядники, в которых газ между двумя электродами заключался в сосуд, чтобы внешняя атмосфера не влияла на характеристики дуги. Современные газоразрядники используют те же принципы и являются усовершенствованным решением надежной и эффективной защиты во время грозы и других электрических помех.

Принцип работы газоразрядника

Газоразрядник представляет собой набор электродов и газ в керамической оболочке, действующие как переключатель в зависимости от уровня напряжения. Обычно подобные приборы размещают в цепи для ограничения напряжения и отвода скачков тока на землю (общий режим) или к источнику (дифференциальный режим). Они имеют очень высокий импеданс (выше 1 ГОм), поэтому практически не влияют на нормальную работу схемы. Когда появляется напряжение, превышающее номинальное напряжение срабатывания газоразрядника, газ внутри него начинает ионизироваться и проводить ток до тех пор, пока не достигнет импульсного напряжения включения. В этот момент устройство полностью включается, и низкое напряжение дуги поддерживается независимо от тока разряда, тем самым отводя повышенный ток и защищая оборудование. Когда скачок тока прекращается, газоразрядник возвращается в непроводящее состояние.

Способность выдерживать очень высокие импульсные токи, а также исключительно высокое изоляционное сопротивление в закрытом состоянии и сверхнизкая емкость делают технологию GDT отличным решением для защиты в качестве автономного устройства или первого уровня в многоступенчатой схеме защиты цепи.

На рисунке 1 показана структура газоразрядника. Приборы выполняются в виде двух проводящих элементов (электродов) и разделяющего их керамического изолятора, которые вместе образуют герметичную камеру. Внутри нее содержатся газовая смесь, задающая расстояние между электродами, и графитовые стержни. На электроды наносится специальное покрытие, проводящее при определенном уровне напряжения и тока.

Рис. 1. Структура газоразрядника

Рис. 1. Структура газоразрядника

Седьмое поколение GDT25 и его преимущества

В новой серии GDT25 с двумя электродами 5 мм компания Bourns усовершенствовала все компоненты структуры газоразрядника, включая формы электродов, внутреннюю геометрию и эмиссионное покрытие. Серия GDT25 обеспечивает более низкие статические и динамические напряжения срабатывания. При использовании в качестве первичного защитного устройства это позволяет применять в схеме меньшие по размеру низковольтные компоненты, что снижает затраты на спецификацию готового устройства. Благодаря более быстрому включению серия GDT25 сводит к минимуму негативные воздействия на схему за счет быстрого ограничения высокого напряжения и тока. Кроме того, более низкая емкость семейства позволяет снизить потери в высокоскоростных интерфейсах (DOCSIS 3.1, GbE и так далее).

Серия GDT25 обеспечивает надежную защиту от перенапряжений в сетях переменного тока и улучшенную стабильность напряжения при изменяющихся условиях окружающей среды. Низкое напряжение дуги этих газоразрядников увеличивает срок службы и снижает рассеивание энергии, а широкий диапазон рабочих температур (от -55 до 125°C) позволяет использовать их в сложных условиях окружающей среды.

Сравнение характеристик срабатывания с конкурентами

Рекомендации МСЭ-Т К.12 определяют проведение испытаний и методы тестирования газоразрядников. Линейное нарастание напряжения задается значением 100 В/мкс либо 1000 В/мкс для имитации таких скачков, как удар молнии. Чем быстрее может включиться газоразрядник, тем ниже будет воздействие скачка напряжения на компоненты защищаемой схемы.

На рисунках 2…5 представлены данные, которые демонстрируют эффективность низковольтных газоразрядников нового поколения GDT25 компании Bourns по сравнению с другими газоразрядниками аналогичных номиналов.

Рис. 2. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 75 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 2. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 75 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 3. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 90 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 3. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 90 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 4. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 350 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 4. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 350 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 5. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 600 В, нарастание 1 кВ/мкс

Рис. 5. Динамическое напряжение срабатывания газоразрядников 600 В, нарастание 1 кВ/мкс

Пример использования GDT25 совместно с TBU и TVS для защиты интерфейсных линий (RS-232/CAN/RS485)

На рисунке 6 представлена схема, в которой газоразрядник GDT25-09 используется вместе с TVS-диодом SMBJ26CA и высокоскоростным защитным устройством TBU-CA065-200-WH для защиты чувствительного линейного драйвера.

Рис. 6. Схема защиты интерфейса RS-232 с использованием GDT25, TVS-диода и TBU-устройства

Рис. 6. Схема защиты интерфейса RS-232 с использованием GDT25, TVS-диода и TBU-устройства

При возникновении скачков напряжений TVS-диод ограничивает напряжение, предотвращая повреждение приемопередатчика RS-232. Устройство TBU обнаруживает превышение тока, протекающего в TVS-диоде, и немедленно переходит в состояние высокого импеданса, ограничивая питание TVS-диода. При этом газоразрядник включается нарастающим напряжением, тем самым ограничивая напряжение, подаваемое на устройство TBU, до безопасного уровня. GDT25-09 в данном примере обеспечивает дополнительный запас по напряжению для срабатывания защиты в сравнении с номинальным напряжением 650 В высокоскоростного TBU.

Пример использования GDT25 совместно с тиристором для защиты входа AC

Беспроводная инфраструктура 5G и зарядные станции для электромобилей питаются от обычной сети переменного тока и требуют надежной защиты от перенапряжения. Предлагаемое ниже решение (рисунок 7) обеспечивает низкое ограничивающее напряжение (520 В при 1 кА, 8/20 мкс) и позволяет соблюсти требования стандарта IEC 61000-4-5 для устройств третьего класса.

Рис. 7. Использование GDT25-60 для защиты от скачков в сети переменного тока

Рис. 7. Использование GDT25-60 для защиты от скачков в сети переменного тока

Устройства Bourns PTVS1-380C-TH и GDT25-60-S1-RP были испытаны на импульсный ток 1 кА (8/20 мкс), однако разные нагрузки в схеме могут повлиять на время нарастания и напряжение отключения PTVS1 и GDT25. Разработчики должны проверять фактические параметры в конкретных приложениях.

Таблица параметров газоразрядников серии GDT25

В таблице 1 приведены технические характеристики и срок службы газоразрядников серии GDT25.

Таблица 1. Технические характеристики и срок службы газоразрядников серии GDT25

Параметр GDT25-07 GDT25-09 GDT25-35 GDT25-60
Статическое напряжение срабатывания ±20 %, В
(100 В/с)
75 90 350 600
Импульсное напряжение срабатывания. В 100 В/мкс 350 350 650 1000
1 кВ/мкс 600 500 800 1100
Сопротивление изоляции, ГОм > 2
Напряжение тлеющего разряда, В
(10 мА)
~ 70
Напряжение дуги, В (> 1 A) ~ 5
Ток возникновения дуги, А < 1
Емкость, пФ (1 МГц) < 0,6
Напряжение удержания, В (< 150 мс) 52 135
Максимальный импульсный ток, кА
8/20 мкс
10 (1 срабатывание)
Номинальный ток импульсного разряда, кА 8/20 мкс 7 (10 срабатываний)
10/350 мкс 1 (1 срабатывание)
10/1000 мкс 0,1 (300 срабатываний)
Номинальный ток разряда в переменной сети, АRMS 11 циклов

при 60 Гц

1 срабатывание
20 25 20 25
1 с 7 (10 срабатываний)

Заключение

Продолжая традиции высокого качества и инноваций, компания Bourns выпустила усовершенствованное поколение газоразрядников GDT25. Серия GDT25 представляет собой новый стандарт защитных устройств с низкими напряжениями срабатывания во время быстрых скачков. Низкая емкость и низкие потери делают новую серию идеальным решением для защиты промышленных сетей и высокоскоростного коммуникационного оборудования.

Компания Bourns также объявила о выпуске оценочного комплекта GDT25 (DK-GDT25-01), содержащего пять моделей серии GDT25 для быстрого тестирования и создания прототипов схем защиты.

•••

Наши информационные каналы

О компании Bourns

Компания была основана супругами Marlan и Rosemary Bourns в 1947 году и начала свою деятельность в их маленьком гараже в Калифорнии, США. Изобретение одного из первых в мире миниатюрных потенциометров было стимулом к превращению их крошечного бизнеса в глобальную корпорацию, производящую целый спектр продуктов, которые влияют почти на каждый аспект современной электронной промышленности. В 1952 году Bourns запатентовал первый в мире подстроечный потенциометр под торговой маркой Trimpot®. ...читать далее

Товары
Наименование
GDT25-07-S1-RP (BOURNS)
GDT25-07-S1-BK (BOURNS)
GDT25-09-S1 (BOURNS)
GDT25-09-S1-BK (BOURNS)
GDT25-09-S1-RP (BOURNS)
GDT25-35-S1-RP (BOURNS)
GDT25-35-S1-RP/1500 pcs (BOURNS)
GDT25-35-S1-BK (BOURNS)
GDT25-60-S1-RP (BOURNS)
GDT25-60-S1 (BOURNS)
GDT25-60-S1-BK (BOURNS)