TBU: самовосстанавливающаяся быстродействующая защита по току и напряжению

4 февраля 2015

BournsстатьяPolyfuse

Устройства высокоскоростной защиты TBU производства компании Bourns – базовый элемент защиты радиоэлектроники (в первую очередь – телекоммуникационных линий и интерфейсов) от бросков тока и напряжения, вызванных грозовыми разрядами, короткими замыканиями, помехами коммутации. Их преимущества – высокое быстродействие, автономность, прецизионность характеристик, широкая полоса пропускания.

Стабильность работы радиоэлектронных устройств во многом зависит от условий окружающей среды и от стабильности уровней питающего напряжения и сигнальных линий. Как правило, наиболее распространенная причина выхода аппаратуры из строя – это броски напряжения и тока, вызванные грозовыми разрядами, короткими замыканиями, помехами коммутации, попаданием сетевого напряжения в сигнальные линии и прочими аварийными ситуациями. Классические способы борьбы с этими явлениями часто не соответствуют современным требованиям по части быстродействия, вносимой паразитной емкости, высокого сопротивления, автономности (требуют обслуживания после несерьезных аварий). Отличным примером преодоления этих недостатков является разработка американской компании Bourns – устройства высокоскоростной защиты от бросков тока и напряжения TBU HSPs (Transient Blocking Unit High-Speed Protectors).

Устройства TBU производства компании Bourns предназначены для высокоскоростной защиты радиоэлектронной аппаратуры от грозовых разрядов, коротких замыканий и воздействия сетевого напряжения на шины передачи данных. TBU построены с использованием MOSFET-полупроводниковой технологии и устанавливаются на входе по последовательной схеме. Защита реагирует на перегрузку как по току, так и по напряжению. При этом главным образом контролируется ток, протекающий через линию. Если входящий ток нарастает до уровня ограничения с последующим его превышением – TBU отключает напряжение от нагрузки, обеспечивая эффективный барьер для разрушающих воздействий, вплоть до их исчезновения. Когда уровень входящего тока достигает значения тока отсечки, TBU срабатывает за время, приблизительно равное 1 мкс, и ограничивает ток на линии до уровня менее 1 мА. При падении напряжения на TBU до уровня сброса Vreset или ниже устройство автоматически восстанавливает нормальное функционирование. Характер работы TBU можно рассмотреть на вольтамперной характеристике (рисунок 1).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика работы TBU-устройства

Рис. 1. Вольтамперная характеристика работы TBU-устройства

На сегодняшний день доступны следующие семейства TBU: TBU-CA, TBU-DT, TBU-PL, P40 и P-G (P500-G, P850-G).

Таблица 1. Основные характеристики семейств TBU

Наимен. Описание Максимальное импульсное напряжение (Vimp), В Максимальное СКЗ напряжения (Vrms), В Напряжение восстановления (Vreset), В Ток срабатывания (Itrig), мА Время срабаты-вания (tblock), мкс Габаритные размеры, мм Рабочая температура (Tраб), °С
TBU-CA Одиночный двунаправленный 250, 400, 500, 650, 850 100, 200, 250, 300, 425 12…20 50, 100, 200, 300, 500 1 6,5×4 -55…125
TBU-DT Двойной однонаправленный 650, 850 300, 425 10…18 100, 200, 300, 500 1 5×5 -40…125
TBU-PL Двойной двунаправленный 500, 600, 750, 850 300, 350, 400, 425 12…20 100, 200 1 6,5×4 -55…125
P40 40 28 7 240 0,2 4×4 -40…85
P-G 500, 850 300, 425 22 100, 200 1 6×4

К их основным характеристикам, рассмотренным в таблице 1, относятся:

  • Vimp – максимальное напряжение отключения при броске напряжения длительностью ≥1 мкс;
  • Vrms – максимальное напряжение отключения при воздействии переменного напряжения;
  • Vreset – номинальное напряжение восстановления работоспособности;
  • Itrig – ток срабатывания;
  • tblock – максимальное время перехода из рабочего режима в режим блокировки;
  • Tраб – рабочая температура.

Отдельно можно отметить серию P40 как самую быстродействующую, но она значительно проигрывает по уровню входящих напряжений всем остальным. К основным отличиям между сериями TBU также относятся направленность передачи сигналов, комбинация максимальных напряжений и токов блокировки, температурные режимы работы. Двухканальные исполнения актуальны для экономии пространства на плате и удобства монтажа, однако в случае серьезной аварии и при необратимом повреждении одного из каналов замены потребует весь элемент. Поэтому двухканальные исполнения не пользуются широкой популярностью, чего не скажешь про одноканальную двунаправленную серию TBU-CA. Широкий номенклатурный ряд по току и напряжению, низкое сопротивление и промышленный температурный диапазон делают это семейство наиболее популярным в России и в мире. В большинстве типовых схем защиты с применением TBU, рекомендуемых Bourns, используется именно TBU-CA.

Критерии выбора

Несмотря на то, что все семейства TBU преследуют одну и ту же цель – защиту от бросков тока и напряжения, немаловажным является вопрос правильного подбора устройства защиты, так как в современной высокоточной электронике даже незначительное превышение рабочих параметров может привести к разрушительным последствиям.

Алгоритм подбора можно разделить на следующие этапы [1]:

  • Определение пикового значения рабочего тока и максимальной рабочей температуры окружающей среды. На этом этапе необходимо обратиться к графику зависимости тока срабатывания от температуры, который имеется в документации на изделие, чтобы определить значение снижения параметров TBU в конкретных условиях эксплуатации.
  • Определение уровня рабочего напряжения устройства. Выбор TBU следует делать таким образом, чтобы его заявленное напряжение пробоя было самым маленьким среди доступных в семействе, но при этом превышающим нормальное напряжение системы и его допустимые пульсации. Выбранное устройство также должно удовлетворять требования и по нагрузочным характеристикам.
  • Выбор конкретного артикула TBU с максимальным импульсным напряжением (Vimp), большим, чем импульсное напряжение пробоя используемого ограничителя напряжения первой ступени (например газоразрядника). Выбранное TBU-устройство также должно иметь минимальный ток отключения Itrigger выше максимального пикового тока защищаемой системы с учетом компенсации влияния температуры окружающей среды.

В большинстве случаев защищаемые цепи располагают достаточным током для срабатывания TBU. Но если защищаемая цепь имеет высокий импеданс, для гарантированного срабатывания защиты после TBU стоит разместить небольшой лавинный диод, подключенный на землю. Такой подход обеспечивает выполнение устройством TBU своих защитных функций.

Области и примеры применения

Высокое быстродействие позволяет использовать TBU для защиты дорогостоящих чувствительных компонентов электронных схем, а низкое значение емкости и широкий частотный диапазон (до 3 ГГц [1]) открывают путь в высокоскоростные приложения. TBU широко используются в телекоммуникационном оборудовании, без них не обходятся платы xDSL, комбинированные платы POTS и xDSL, звуковые/VDSL-платы, оборудование для доступа в сеть, оборудование для линий T1/E1 и T3/E3, защита Ethernet-портов, широкополосные модемы и сетевые шлюзы, защитные модули и программаторы, промышленные устройства для управления и контроля, контрольно-измерительное оборудование. При разработке подобных устройств обязательным требованием остается правильный выбор максимального номинального напряжения TBU, которое не должно превышать максимальных рабочих параметров защищаемого устройства. Оптимальная защита сочетает в себе защитное устройство TBU совместно с варистором или газоразрядником. Также нередко после TBU устанавливаются TVS-супрессоры. Говоря о защите телекоммуникационного оборудования, в качестве основного поражающего фактора всегда рассматривают прямые или наведенные разряды молний. Огромная роль здесь отводится первичным средствам гашения: контуру заземления, различным силовым автоматам, камерам искрогашения и прочим компонентам. Но, как правило, остаточные разряды все еще высокой энергии проникают дальше, непосредственно в схемы устройств. Использование многоступенчатой вторичной защиты, в том числе и применение TBU производства компании Bourns, снижает риск серьезного повреждения оборудования многократно или вовсе предотвращает аварии. Защита в подобных ситуациях нужна для всех входящих/выходящих линий: коаксиальных и сетевых разъемов, линий управления и так далее. Даже один незащищенный порт может привести к обширному повреждению всего оборудования.

Также высокой уязвимостью, ввиду своего широкого распространения, отличаются порты RS-232, RS-485 и порты с оптическим входом [3]. Для комплексной защиты RS-232 Bourns предлагает следующую схему на основе TBU-P850 (рисунок 2) или на базе TBU-CA (рисунок 3).

Рис. 2. Схема защиты порта RS-232 на базе TBU-P850

Рис. 2. Схема защиты порта RS-232 на базе TBU-P850

Рис. 3. Схема защиты порта RS-232 на базе TBU-CA

Рис. 3. Схема защиты порта RS-232 на базе TBU-CA

RS-485 является более современным стандартом передачи данных. Несколько терминалов RS-485 могут совместно работать на одной шине. Двойной диод, показанный на схемах ниже, предназначен для обеспечения общего режима работы в диапазоне -7…12 В. Предлагается две топологии защиты, также с использованием TBU-P850 и TBU-CA (рисунки 4 и 5).

Рис. 4. Схема защиты порта RS-485 на базе TBU-P850

Рис. 4. Схема защиты порта RS-485 на базе TBU-P850

Рис. 5. Схема защиты порта RS-485 на базе TBU-CA

Рис. 5. Схема защиты порта RS-485 на базе TBU-CA

Развитие измерительно-контрольных средств автомобильной электроники сделало популярной шину CAN, для защиты которой также есть схема с использованием TBU (рисунок 6).

Весьма популярным способом связи двух устройств с защитой по входу и выходу остается схема с использованием оптической изоляции. Рекомендации по защите с применением TBU показаны на рисунке 7.

Рис. 6. Схема защиты линий шины CAN

Рис. 6. Схема защиты линий шины CAN

Рис. 7. Схема защиты устройства с оптическим входом

Рис. 7. Схема защиты устройства с оптическим входом

Конкурентные преимущества TBU. Соответствие предъявляемым требованиям и международным стандартам

К преимуществам TBU можно отнести:

  • простую и надежную схему защиты;
  • защиту от превышения напряжения и тока в одном корпусе;
  • высокое быстродействие;
  • прецизионное ограничение выходного тока и напряжения;
  • самовосстановление;
  • широкую полосу пропускания без внесения помех в полезный сигнал (до 3 ГГц);
  • малые габаритные размеры в корпусе DFN;
  • соответствие RoHS.

Поскольку, основной сферой использования TBU является защита телекоммуникационных линий, к которым в наше время предъявляются высокие требования по качеству, скорости, уровню вносимых искажений, то и устройства защиты также должны соответствовать целому ряду требований и международных стандартов. Наиболее известными и авторитетными на сегодняшний день являются ITU (International Telecommunications Union) и Telcordia. Bourns участвует в разработке данных стандартов и производит компоненты, целиком и полностью совместимые с опубликованными нормативными требованиями. К слову, устройства TBU превышают требования Telcordia GR-1089 и ITU-T K.20, K.21, K.45 [1], что дает им запас прочности для будущего роста технологических требований.

 

Заключение

Всегда стоит помнить о том, что защита цепей – комплексное мероприятие и полагаться на какой-то один тип защиты опасно. TBU производства компании Bourns – «командный игрок» и полностью раскрыть свой потенциал может только при совместном использовании с дополнительными средствами защиты: варисторами, газоразрядниками, TVS-диодами, которые, в свою очередь, также должны быть верно подобраны для правильной координации защиты в целом.

Наиболее популярные исполнения и номиналы TBU всегда можно найти на складах официального дистрибьютора Bourns – компании КОМПЭЛ. Помимо складского запаса, КОМПЭЛ предлагает заказные поставки, бесплатные образцы, спец. цены, техподдержку и проектные поставки для вашего производства.

 

Литература

  1. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/bourns_tbu_short_form.pdf
  2. https://www.bourns.com/ProductLine.aspx?name=tbu
  3. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/CP_cell_base_station_appnote.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Buorns_TBU_NE_01_15_opt

Bourns выпускает новые модели высоковольтных PTVS-диодов серий S3, S6 и S10

PTVS (Power TVS) – высокоточные двунаправленные супрессоры для защиты устройств на мощных AC- и DC-линиях от воздействия электростатических разрядов, электромагнитных импульсов, помех коммутации, наведенных ударов молнии и прочего. И если стандартные серии SMAJ и SMBJ представлены на рынке широко, то силовые TVS-решения предлагают немногие. Новые модели PTVS обеспечивают двустороннюю защиту на напряжениях 170…470 В. Нормированы на воздействие стандартных импульсов 8/20 мкс в соответствии с требованиями IEC 61000-4-5. Технология с использованием силикона позволяет добиться низких напряжений фиксации по сравнению с металооксидными варисторами и гарантировать стабильность характеристик с ростом температуры. Основное преимущество PTVS перед варистором проявляется именно на высоких токах — напряжение фиксации на варисторе существенно возрастает вслед за броском тока, в то время как на PTVS-диоде после очень короткого всплеска спадает до паспортного значения и остается фиксированным. Для аналогичных по рабочим характеристикам варистора и PTVS эта разница может отличаться вдвое в пользу PTVS (напомним, что речь идет о сотнях вольт). PTVS серий S3, S6 и S10 выпускаются в корпусах для сквозного монтажа и отвечают требованиям RoHS.

Технические характеристики новинок:

  • рабочее напряжение: 170…470 В;
  • напряжение пробоя: 200…500 В;
  • напряжение фиксации: 260…630 В;
  • пиковый ток перегрузки: 3, 6, 10 кА;
  • паразитная емкость: 0,35…2,5 нФ;
  • рабочая температура: -55…125°С.

PTVS-диоды – это отличное решение для источников питания телекоммуникационного оборудования и других приложений, чувствительных к мощным помехам и наводкам. Выпуск новых моделей для серий S3, S6 и S10 значительно расширяет область применения PTVS производства Bourns.

•••

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