Барьеры искрозащиты Корунд-М7хх на TVS-диодах

ООО “Стэнли” производит барьеры искрозащиты с 1995 г. За  это время было выпущено большое количество барьеров серии КОРУНД-М различных модификаций с целью максимально удовлетворить требования взрывобезопасной передачи измерительных сигналов для различных объектов повышенной взрывоопасности.

Совершенствование барьеров искрозащиты шло как по линии миниатюризации приборов, так и по линии повышения эксплуатационных характеристик, в том числе повышения надежности и снижения вносимых барьером погрешностей. Одним из основных параметров, характеризующим метрологические характеристики барьеров, является проходное сопротивление. Cнижая проходное сопротивление, расширяются возможности пользователей, так как удается использовать датчики различных физических параметров с более высокой нижней границей напряжения питания и, соответственно, увеличить значение сопротивления полезной нагрузки.

В свое время использование отечественных мощных резисторов Р1-2Р (и их зарубежных аналогов), а также мощных стабилитронов 1N5359,  1N5349 позволило снизить проходное сопротивление 24-вольтовых  барьеров степени искрозащиты ib до величины 284 Ом.

В настоящее время резервы снижения проходного сопротивления барьеров на вышеупомянутых стабилитронах полностью исчерпаны в силу ограниченного величиной 170-180 мА максимального тока стабилитронов  с учетом необходимого коэффициента запаса. Применение более мощных стабилитронов (например NTE5198) ведет к увеличению габаритов  барьера  и повышению его стоимости ( цена  одного стабилитрона достигает 6.5 € ).

Выходом из создавшейся ситуации является использование в барьерах искрозащиты появившихся относительно недавно элементов защиты от перенапряжения, так называемых transient voltage suppressor, или TVS-диодов. Эти приборы отличаются весьма большой импульсной мощностью рассеивания и, соответственно, большим максимальным импульсным током при минимальных габаритах.

TVS- диоды -  это полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой, подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжение лавинного пробоя диода [1].

В допробойной области ток утечки ТVS-диодов, как и у стабилитронов, не превышает единиц микроампер.

В отличие от стабилитронов,   TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных импульсов перенапряжения, в то время, как кремниевые стабилитроны предназначены для регулирования напряжения и по причине низкого быстродействия не рассчитаны на работу при значительных импульсных нагрузках.

TVS-диоды обладают высоким быстродействием ( порядка 10^-12 сек), что практически исключает появление выбросов напряжения в защищаемой диодом нагрузке. Токи, которые способны пропустить TVS-диоды без опасности разрушения pn-перехода, на несколько порядков превосходят максимальные допустимые токи стабилитронов, Так, для 24-вольтового TVS-диода 1.5КЕ24С максимальный допустимый импульсный ток достигает 43 А при длительности импульса перенапряжения 1000 мкс. В зависимости от длительности приложенного к диоду импульса перенапряжения допустимая мощность может  увеличиваться или снижаться в соответствии с номограммой, приведенной в [1]:

  

TVS- диоды выпускаются также и в симметричном исполнении, что позволяет существенно сократить общее число элементов в барьере, поскольку стабилитроны в барьерах включаются обычно встречно для защиты от переменного напряжения в аварийном режиме..

Таким образом, в связи с перечисленными выше достоинствами TVS-диодов, применение их в барьерах искрозащиты представляется весьма перспективным. Для подтверждения данного тезиса ниже приведен расчет барьера искрозащиты с использованием TVS-диода.

 

На рисунке приведена схема простейшего барьера искрозащиты. В этой схеме функцией резистора R1 является снижение тока через предохранитель FU до значений, ниже величины разрывного тока предохранителя.  Поскольку для TVS- диода максимальная допустимая мощность рассеивания, а следовательно, и максимальный допустимый ток зависит от длительности импульса перенапряжения, следует оценить временные характеристики предохранителя и уровень тока, протекающий через предохранитель и диод при аварийной ситуации.

Для предохранителей TR5   фирмы  Wickman, обладающих разрывным током 35 А при номинальном токе 40 мА ампер-секундная характеристика, т.е. I_разр• t_FUпо данным фирмы-изготовителя составляет 2*10^-4  А²сек. Минимальное значение  резистора R1, обеспечивающее снижение тока через предохранитель FU при аварийной ситуации, когда ко входным клеммам 1,2  приложено напряжение 250 В, с учетом коэффициента запаса 1.5 составляет:

R1 =   (250-24)* 1.5 / 35 =  9.7 Ом

где:  24 В – падение напряжения на TVS-диод
         35 А – разрывной ток предохранителя.

Время перегорания предохранителя при этом составит:

t_FU=  2*10^-4 / ((250-24)/9.7)² =  0.37 мкс.

Полученный результат свидетельствует о том,  что время перегорания предохранителя значительно меньше величины 1000 мкс, при которых нормируется максимальный ток  TVS-диода, и опасность его разрушения практически исключена.

Мощность резистора R1 определяется по п.7.3.8. ГОСТ Р 51330.10-99 и составляет

Р₁ = 1.7•(0.04)²•9.7  = 0.069 Вт

где 0.04 – номинальный ток срабатывания предохранителя, А.

Таким образом, в качестве резистора R1 можно использовать малогабаритные металлокерамические резисторы С2-23-0.125, или резисторы для поверхностного монтажа SMD-1206, что уменьшает габариты барьера.

При расчете резистора  R2 следует руководствоваться приложением А ГОСТ Р 51330.10-99, а именно:  

R2 = U_ст/ I_{o ,}

где:        U_ст – напряжение стабилизации стабилитрона, в нашем случае напряжение   ограничения TVS- диода;
I_o   - искробезопасный ток, определяется по данным таблицы А1 для подгрупп  IIC, IIB, IIA. 

Ниже в таблице 1 приведены результаты расчета величин сопротивления и мощности резистора R2 для двух значений напряжения ограничения  - 24 В и 12.8 В и трех подгрупп электрооборудования при коэффициенте запаса 1.5.

Табл.1

	IIC			IIB			IIA
Uo, B	Io, A	R2, Ом	PR2, Bт	Io, A	R2, Ом	PR2, Bт	Io, A	R2, Ом	PR2, Bт
12,8	2,25	5,68	28,75	2,25	5,68	28,75	2,25	5,68	28,75
24,0	0,174	138	4,17	0,43	55,8	10,32	0,597	40,2	14,32

Для подгрупп II B, II A при напряжении  12 В таблицей А1  искробезопасный ток не нормируется ( его величина по рис.А1 выше 5 А), в связи с чем на эти подгруппы распространен результат расчета для подгруппы II C. 

Полученное значение мощности резистора R2 для Uо = 12.8 В слишком велико, его желательно ограничить величиной 20 Вт, что позволит составить резистор R2 из 4-х 5-ваттных резисторов ACS5S, имеющих минимальные габариты. С этой целью сопротивление R2 следует увеличить до 10 Ом. Ток I_о при этом составит 1.28 А, суммарная мощность рассеивания 16.38 Вт.

Ниже в таблице 2 приведены параметры барьеров серии КОРУНД-М7хх, разработанных с применением TVS-диодов.

Табл.2

Наименование барьера	Уровень взрыво- защиты	Под- группа	Макс. выходное напряжение Uo, B	Макс. выходной ток Io, A	Макс. внешняя ёмкость Со, мкФ			Макс. внешняя индуктив- ность Lo, мГн			Проходное сопро- тивление Rпр, Ом
					IIC	IIB	IIA	IIC	IIB	IIA
КОРУНД-М720	[Exib]	IIC/IIB/IIA	12,8	0,64	1,06	6,8	24,2	0,13	1,06	2,0	34
КОРУНД-М721	[Exib]	IIC	24,0	0,17	0,125	-	-	1,2	-	-	154
КОРУНД-М722	[Exib]	IIB	24,0	0,40	-	0,93	-	-	0,87	-	74
КОРУНД-М723	[Exib]	IIA	24,0	0,60	-	-	3,35	-	-	0,53	54
КОРУНД-М730	[Exia]	IIC/IIB/IIA	12,8	0,427	1,06	6,8	24,2	0,32	2,2	3,45	58
КОРУНД-М731	[Exia]	IIC/IIB/IIA	6,8	0,68	17,9	380	1000	0,23	0,8	1,7	38
КОРУНД-М740	[Exia]	IIC	24,0	0,174	0,125	-	-	1,2	-	-	168
КОРУНД-М741	[Exia]	IIB	24,0	0,4	-	0,93	-	-	0,87	-	88
КОРУНД-М742	[Exia]	IIA	24,0	0,6	-	-	3,35	-	-	0,53	68

Значения проходных сопротивлений барьеров скорректированы с учетом значений сопротивлений резисторов по нормальному ряду. Приведенные результаты показывают, что проходное сопротивление барьера степени искрозащиты ib для 12.8 В и подгруппы II C с учетом сопротивления предохранителя составит R_пр = R1 + R2 + R_FU= 34 Ом,  а проходное сопротивление барьера степени искрозащиты ib для 24 В составит R_пр = 10 + 138 + 4 = 152 Ом. Для сравнения приведем значения    проходного сопротивления выпускаемых в настоящее время барьеров КОРУНД-М2 (12.8 В) – 170 Ом и   КОРУНД-М21 (24 В) – 280 Ом. Выигрыш по величине проходного  сопротивления для других подгрупп электрооборудования еще более ощутим.

Таким образом, при максимальном токе датчика с выходным сигналом 4-20 мА, подключенного  к  24-х-вольтовому  барьеру КОРУНД-М721 падение напряжения на барьере составит 3.16 В, в то время, как для барьера КОРУНД-М21 это падение составляет 5.6 В.Это позволяет использовать при эксплуатации датчики с высоким нижним пределом допустимого напряжения питания (до 20 В). Уменьшение проходного сопротивления также дает возможность увеличить длину линии связи, соединяющей датчик с барьером.

Таким образом, приведенные расчеты показывают, что применение TVS-диодов в барьерах искрозащиты может  повысить эксплуатационные параметры барьеров.

Авторы: Моисеев И.В., Иванов С.Ю., Солнцев В.Б.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1.А.Кадуков. TVS-диоды – полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений  в электронных цепях. -  Компоненты и технологии, 2001, N1