Защита от перенапряжения: варисторы, TVS-диоды и супрессоры

Импульс перенапряжения живет микросекунды, а плату убивает наповал: гроза в паре километров от дома, отключившийся на соседней линии станок или разряд статики с пальца дают выброс в сотни и тысячи вольт. Плавкая вставка против него бессильна, она просто не успевает нагреться. Останавливают импульс три детали: варистор, TVS-диод и газоразрядник. Разберем, как они работают, чем отличаются, какие параметры смотреть в даташите и как собрать защиту, которая действительно сработает.

Содержание

• Откуда берутся импульсы перенапряжения
• Как работает ограничитель перенапряжения
• Варисторы: устройство и маркировка
• Параметры варистора
• Почему варистор стареет и загорается
• TVS-диоды и супрессоры
• Параметры TVS-диода
• Однонаправленные и двунаправленные
• Емкость: чем TVS мешает быстрым линиям
• Газоразрядники и защитные тиристоры
• Сравнительная таблица
• Каскадная защита: почему одного элемента мало
• Как выбрать защиту под задачу
• Типичные ошибки
• Частые вопросы

Откуда берутся импульсы перенапряжения

Импульсное перенапряжение это кратковременный выброс, который в десятки и сотни раз превышает рабочее напряжение цепи. Живет он от единиц наносекунд до миллисекунд, и именно поэтому обычный предохранитель против него бесполезен: плавкая вставка за такое время не успевает нагреться, а полупроводниковый переход уже пробит. Источников у выброса четыре.

• Грозовые разряды. Прямое попадание молнии в линию редкость, гораздо чаще беда приходит наведенным путем: разряд в километре от здания индуцирует в проводке импульс в киловольты.
• Коммутация индуктивной нагрузки. Любая катушка при отключении отдает накопленную энергию обратным выбросом. Остановился мощный мотор, отключился контактор или трансформатор на соседней линии, и в сети появился импульс. Тот же механизм работает внутри платы: катушка реле без защитного диода пробивает управляющий транзистор, об этом мы подробно писали в статье про устройство и виды реле.
• Статическое электричество. Разряд с руки человека по стандарту IEC 61000-4-2 моделируют напряжением до 8 кВ при контактном разряде и до 15 кВ при воздушном. Энергии в нем крохи, но входу микросхемы этого достаточно.
• Переключения в самой сети. Работа тиристорных регуляторов, подключение компенсирующих конденсаторов на подстанции, восстановление питания после аварии.

Общее у всех этих событий одно: импульс короткий, а его энергия конечна. Значит, ее можно принять на себя и рассеять, если поставить деталь, которая успеет открыться раньше, чем сгорит защищаемая схема.

Как работает ограничитель перенапряжения

Главное отличие защиты от перенапряжения от предохранителя в том, как она включена в цепь. Предохранитель стоит последовательно и реагирует на ток: пошла перегрузка, вставка расплавилась, цепь разорвана. Ограничитель перенапряжения стоит параллельно защищаемой цепи и реагирует на напряжение.

В спокойном состоянии он практически изолятор: сопротивление в мегаомы, ток утечки в единицы микроампер, схема его не замечает. Как только напряжение переступает порог, сопротивление обрушивается на несколько порядков, элемент открывается и шунтирует импульс мимо нагрузки, рассеивая его энергию в себе. Напряжение на защищаемой цепи при этом фиксируется около порога и дальше не растет.

Отсюда два параметра, которые решают все. Первый это напряжение ограничения: до какого уровня элемент прижмет выброс. Второй это энергия импульса, которую он способен принять, не разрушившись. Быстрая защита с низким ограничением, но малой энергоемкостью не переживет грозовой выброс, а мощная, но с высоким порогом пропустит на вход микросхемы лишнее. Компромисс между этими двумя величинами и есть вся суть подбора.

Варисторы: устройство и маркировка

Варистор это нелинейный резистор, сопротивление которого резко падает при превышении порогового напряжения. Массовый тип это металлооксидный варистор, MOV: спеченный диск из оксида цинка с добавками, зерна которого образуют в объеме материала миллионы микроскопических переходов. Сверху диск покрыт эпоксидной изоляцией, наружу выходят два вывода.

Важное следствие такого устройства: у варистора нет полярности, его характеристика симметрична в обе стороны. Поэтому он одинаково работает в цепях постоянного и переменного тока, и именно его ставят на входе сетевого питания.

Конструктивно встречаются две группы. Дисковые выводные диаметром от 5 до 25 мм, самые распространенные: на них собрана вся сетевая техника. Многослойные SMD, они же MLV, размером с чип-конденсатор, для плат портативной и автомобильной электроники, где важна компактность.

Маркировка дискового варистора читается легко. Код вида 14D471K расшифровывается так: 14 это диаметр диска в миллиметрах, D это дисковая конструкция, 471 это классификационное напряжение по знакомой схеме «две значащие цифры плюс количество нулей», то есть 470 В, а K это допуск плюс-минус 10 процентов. Логика та же, что у маркировки конденсаторов. Второй распространенный формат записи выглядит как S14K275 и говорит прямее: диск 14 мм на 275 В переменного тока. Подобрать деталь по диаметру и напряжению удобно в разделе варисторов каталога Эиком.

Параметры варистора

В даташите варистора важны шесть величин.

Практический подбор для бытовой сети выглядит так. Номинал сети 230 В, верхняя допустимая граница 253 В, плюс собственный разброс детали. Поэтому стандартный выбор это варистор на 275 В переменного тока, ему соответствует классификационное напряжение примерно 430-470 В. Если взять на 250 В, деталь будет постоянно подогреваться на верхней границе сетевого напряжения, и срок ее службы сократится в разы.

Энергоемкость задается диаметром диска. Варистор 7 мм принимает единицы джоулей, 14 мм несколько десятков, 20 мм и крупнее уже под две сотни. Для платы бытового прибора обычно берут 10 или 14 мм, для ввода питания в щит 20 мм и больше. Срабатывает варистор за десятки наносекунд, для сетевых импульсов этого хватает.

Почему варистор стареет и загорается

Главная особенность варистора, о которой редко пишут в описаниях: он расходуется. Каждый принятый импульс необратимо повреждает часть зерен оксида цинка. После одного срабатывания разницы не заметить, но с накоплением классификационное напряжение ползет вниз, а ток утечки при том же сетевом напряжении растет.

Дальше включается обратная связь. Растет утечка, растет нагрев, от нагрева сопротивление падает еще сильнее, ток снова растет. Это тепловой разгон, и заканчивается он не тихим отказом, а раскаленным диском, дымом и в худшем случае возгоранием платы. Поэтому сгоревший варистор так узнаваем: расколотый корпус, копоть, обугленный текстолит вокруг.

Варистор в сетевой цепи всегда ставят вместе с последовательным предохранителем, и это не рекомендация, а требование безопасности. Предохранитель обязан разорвать цепь раньше, чем деградировавший варистор успеет загореться. Альтернатива это термозащищенное исполнение со встроенным термоотключателем, который отсоединяет диск при перегреве. Варистор без такой пары в сеть ставить нельзя.

Отсюда вывод для ремонта: найдя на плате сгоревший варистор, меняют не только его. Проверяют предохранитель и все, что стояло за ним по цепи, потому что импульс, убивший варистор, редко останавливается на нем одном. Как прозвонить плавкую вставку, разобрано в статье про проверку предохранителя мультиметром.

TVS-диоды и супрессоры

TVS-диод, от английского Transient Voltage Suppressor, это лавинный диод, специально спроектированный под работу в режиме пробоя. Обычный диод в лавинном пробое гибнет, а у TVS площадь перехода увеличена так, чтобы принять импульс тока и рассеять его в кристалле. Физика та же, что у стабилитрона из статьи про виды и характеристики диодов, но стабилитрон рассчитан на длительный малый ток стабилизации, а TVS на короткий и очень большой импульс.

Перед варистором у него два преимущества. Первое это скорость: TVS открывается за доли наносекунды против десятков наносекунд у варистора. Второе это точность: разброс напряжения пробоя у TVS составляет 5-10 процентов, тогда как характеристика варистора гуляет заметно шире и вдобавок плывет по мере старения. Поэтому TVS ставят там, где за ним стоит чувствительная микросхема с жестким пределом по входу.

Про терминологию. В русской практике супрессор это обиходное название того же TVS-диода. В каталоге Эиком их ищут в разделе защиты от перенапряжений, а отдельный раздел супрессоров отведен под микросхемы подавления выбросов, это уже не дискретный диод, а готовый защитный узел.

Расплата за скорость это энергия. Даже мощный TVS принимает заметно меньше энергии, чем дисковый варистор сравнимого размера и цены. Поэтому на входе сети первым ставят варистор, а TVS работает вторым эшелоном либо на слаботочных линиях.

Параметры TVS-диода

Четыре величины из даташита, без которых выбрать TVS невозможно.

• Рабочее обратное напряжение. Напряжение, при котором диод еще полностью закрыт и на схему не влияет. Оно должно быть выше максимального рабочего напряжения линии, иначе TVS начнет подтекать и греться в штатном режиме.
• Напряжение пробоя. Точка, в которой диод открывается, обычно нормируется при токе 1 мА.
• Напряжение ограничения. Самый важный для практики параметр: до какого уровня диод прижмет выброс при максимальном импульсном токе. Именно это напряжение увидит защищаемая микросхема, и оно всегда заметно выше рабочего.
• Импульсная мощность. Нормируется на стандартном импульсе 10/1000 мкс и задает энергоемкость. По ней и различают серии.

Разберем на живой детали. У двунаправленного SMBJ5.0CA рабочее напряжение 5 В, а напряжение ограничения 9,2 В. Читается это так: в штатном режиме на линии 5 В диод невидим, а при выбросе он прижмет напряжение примерно к 9,2 В. Если у микросхемы за ним предельно допустимое напряжение на входе 7 В, такой TVS ее не спасет, нужен вариант с более низким ограничением либо последовательный резистор, который заберет часть импульса на себя.

Отсюда правило подбора: рабочее напряжение TVS берут на 10-20 процентов выше рабочего напряжения линии, а напряжение ограничения обязано быть ниже предельно допустимого для защищаемого элемента. Сравнивать надо именно ограничение, а не напряжение пробоя, это разные цифры.

Однонаправленные и двунаправленные

Тип зашит в обозначение буквой на конце: SMBJ5.0A однонаправленный, SMBJ5.0CA двунаправленный.

Однонаправленный внутри это один лавинный переход. В обратном включении он ограничивает выброс, а в прямом ведет себя как обычный диод и открывается на 0,7 В. Годится для цепей питания с одной полярностью, где отрицательного напряжения быть не может в принципе.

Двунаправленный это два встречно включенных перехода, он ограничивает одинаково в обе стороны. Нужен там, где сигнал знакопеременный: линии RS-485 и CAN, входы переменного напряжения, дифференциальные пары.

Ошибка здесь стоит дорого. Однонаправленный TVS на симметричной линии в отрицательном полупериоде превратится в обычный открытый диод и попросту закоротит сигнал. Убедиться, что перед вами за деталь и цела ли она, можно тем же способом, что и для обычного диода, в режиме теста диода: подробно это разобрано в статье про проверку диода мультиметром. У однонаправленного TVS прибор покажет падение в одну сторону и обрыв в другую, у двунаправленного обрыв в обе.

Емкость: чем TVS мешает быстрым линиям

Параметр, о котором вспоминают в последнюю очередь, а он способен похоронить проект. У перехода TVS-диода есть собственная емкость, и у обычных мощных серий она составляет от сотен пикофарад до единиц нанофарад. Для линии питания это безразлично и даже полезно. Для высокоскоростной линии передачи данных это конденсатор, который заваливает фронты сигнала.

Практика такая: USB, HDMI, Ethernet и любая шина с частотами в сотни мегагерц требуют низкоемкостных ESD-массивов с емкостью меньше пикофарады на канал. Обычный SMBJ там не просто бесполезен, он ломает передачу. Как емкость влияет на прохождение переменного сигнала, разбирали в статье про виды и характеристики конденсаторов.

У варисторов та же беда, только сильнее: емкость дискового варистора измеряется нанофарадами, поэтому на сигнальных линиях его не применяют вовсе. Правило простое: чем выше скорость линии, тем ниже допустимая емкость защитного элемента. На силовом входе емкость не мешает, там смотрят только на энергию.

Газоразрядники и защитные тиристоры

Газоразрядник, он же GDT, это герметичная керамическая колба с двумя электродами и инертным газом внутри. При превышении напряжения пробоя в колбе зажигается дуга, и сопротивление падает почти до нуля.

Сильные стороны две: огромный импульсный ток, единицы и десятки килоампер, и ничтожная собственная емкость в единицы пикофарад, благодаря которой разрядник можно ставить даже на линиях связи. Слабых тоже две. Он медленный, срабатывает за сотни наносекунд и микросекунды. И после зажигания дуги через него продолжает течь ток от сети, так называемый сопровождающий ток, который опасен уже сам по себе. Поэтому в сетевых цепях газоразрядники в одиночку не ставят, только в связке с варистором.

Защитный тиристор, он же тиристорный супрессор, работает по другому принципу. При превышении порога он не ограничивает напряжение, а защелкивается, закорачивая линию почти в ноль, и держит ее до спада тока. Рассеиваемая мощность при этом минимальна, потому что падение на открытом тиристоре мало. Основная ниша таких приборов это телефонные и телекоммуникационные линии.

Рядом с ограничителями перенапряжения часто работают самовосстанавливающиеся предохранители PPTC. Они защищают не от перенапряжения, а от перегрузки по току, и на линиях данных обычно стоят в паре с TVS: диод срезает выброс напряжения, PPTC ограничивает ток.

Сравнительная таблица

Сведем четыре типа защиты и их сильные стороны.

Отдельная строка про ресурс. Варистор расходуется с каждым импульсом, у газоразрядника ограничено число разрядов, а TVS-диод и ESD-массив при импульсах в пределах нормы практически не стареют. Это тоже аргумент при выборе: там, где выбросы идут регулярно, деталь с ограниченным ресурсом придется менять по регламенту.

Каскадная защита: почему одного элемента мало

Одна деталь редко закрывает задачу целиком, потому что требования к ней противоречивы: нужна и большая энергоемкость, и низкое напряжение ограничения, и высокая скорость. Совместить все три в одном корпусе не выходит, поэтому защиту строят ступенями.

Первая ступень принимает основную энергию: газоразрядник или мощный варистор прямо на входе. Она грубая, ограничивает высоко, зато выдерживает килоамперы. Вторая ступень доводит остаток до безопасного уровня: TVS-диод вплотную к защищаемой микросхеме.

Между ступенями обязательно ставят развязку: дроссель или резистор в несколько ом. Без нее каскад работает наоборот: быстрый TVS открывается первым и принимает на себя весь импульс, для которого он не рассчитан, а медленный варистор так и не успевает включиться. Развязка создает разницу напряжений, которая заставляет первую ступень сработать вовремя.

Типовой вход сетевого блока питания собран именно по этой логике: предохранитель, за ним варистор между фазой и нулем, дальше синфазный дроссель и помехоподавляющие конденсаторы классов X и Y. Предохранитель прикрывает варистор, варистор срезает выброс, фильтр добирает остаточную помеху.

И еще одно правило, которое перечеркивает любую схему, если его нарушить: защита работает только при коротком контуре. Длинные выводы и длинные дорожки это индуктивность, а на фронте в наносекунды даже десяток наногенри дает лишние вольты на защищаемом входе. TVS ставят вплотную к разъему или к выводу микросхемы, а его земляной вывод сажают на землю кратчайшим путем.

Как выбрать защиту под задачу

Выбор всегда идет от цепи, а не от детали.

• Вход сети 230 В. Варистор на 275 В переменного тока: 14 мм для платы бытового прибора, 20 мм и крупнее для ввода питания. Последовательный предохранитель обязателен, либо берут термозащищенное исполнение.
• Вход платы на 5, 12 или 24 В. Однонаправленный TVS с рабочим напряжением на 10-20 процентов выше номинала питания и напряжением ограничения ниже предела элементов за ним.
• Бортовая сеть автомобиля. Тяжелый случай: при сбросе нагрузки, когда на работающем двигателе теряется контакт с аккумулятором, выброс достигает десятков вольт и держится сотни миллисекунд. Здесь нужны специализированные автомобильные TVS с большой энергоемкостью, обычного маломощного диода не хватит.
• Линия данных. Двунаправленный TVS либо ESD-массив. Полярность выбирают по типу сигнала, емкость по скорости линии.
• Катушка реле, электромагнит, мотор. Здесь работает не ограничитель, а обратный диод параллельно катушке, разобранный в статье про виды диодов. Для цепей переменного тока вместо него ставят RC-снаббер.

Типичные ошибки

• Варистор без предохранителя. Самая опасная ошибка в теме. Деградировавший варистор без последовательной защиты заканчивается не отказом, а огнем.
• Напряжение впритык. Варистор на 250 В в сети 230 В формально проходит, а фактически живет на верхней границе допустимого сетевого напряжения и стареет за месяцы. Берите 275 В.
• Смотрели на напряжение пробоя вместо ограничения. Микросхему убивает не порог открытия TVS, а напряжение ограничения при полном импульсном токе. С предельно допустимым входным сравнивают именно его.
• Однонаправленный TVS на знакопеременной линии. В отрицательном полупериоде он откроется как обычный диод и закоротит сигнал.
• Обычный TVS на быстрой шине. Емкость в нанофарады заваливает фронты, линия перестает работать, а причину ищут где угодно, только не в защите.
• Длинные выводы. Защита, отнесенная на пять сантиметров от разъема, работает заметно хуже той, что стоит вплотную. Индуктивность дорожки съедает весь выигрыш.

Частые вопросы

Чем варистор отличается от TVS-диода?

Энергоемкостью, скоростью и ресурсом. Варистор принимает намного больше энергии и стоит дешевле, но срабатывает за десятки наносекунд, ограничивает грубо и расходуется с каждым импульсом. TVS-диод открывается за доли наносекунды, держит напряжение точнее и практически не стареет, но энергии принимает меньше. Поэтому варистор ставят на входе сети, а TVS у защищаемой микросхемы.

Можно ли проверить варистор мультиметром?

Только частично. В режиме сопротивления исправный варистор показывает бесконечность, а пробитый звонится около нуля, и это уже приговор. Но напряжения щупов слишком мало, чтобы оценить порог срабатывания, поэтому деградацию мультиметр не увидит: деталь может звониться нормально и при этом быть на исходе. Общие приемы измерений собраны в статье о том, как пользоваться мультиметром. Если корпус треснул или закопчен, варистор меняют независимо от показаний прибора.

Какой варистор ставить в сеть 220 вольт?

На 275 В переменного тока, это стандартный выбор для сети 230 В с ее верхней границей 253 В. Классификационное напряжение у такой детали примерно 430-470 В. Диаметр диска подбирают по энергии: 14 мм для платы бытового прибора, 20 мм и крупнее для ввода питания.

Почему сгорел варистор?

Возможны два сценария. Либо он принял импульс, превысивший его энергоемкость, и разрушился сразу. Либо отработал ресурс: после множества срабатываний классификационное напряжение упало ниже сетевого, началась постоянная утечка, нагрев и тепловой разгон. Второй случай опаснее, потому что развивается медленно и незаметно. В обоих вариантах перед заменой ищут причину: если в сети регулярно бывают выбросы, одинокий варистор сгорит снова.

Итог: варистор берет на себя энергию и стоит на входе сети, TVS-диод точно и быстро прижимает остаток у самой микросхемы, газоразрядник закрывает самые тяжелые импульсы. Ключевые цифры при подборе это рабочее напряжение, напряжение ограничения и энергоемкость, а варистор в сети никогда не ставят без последовательного предохранителя. Варисторы, TVS-диоды, газоразрядники и другие элементы защиты с параметрами в карточках есть в разделе защиты цепей каталога Эиком, там встроены фильтры по напряжению, току и типу корпуса.

Читать также

• Предохранители: виды, характеристики и маркировка
• Диоды: виды, характеристики и применение
• Как проверить предохранитель мультиметром
• Конденсаторы: виды, характеристики и как выбрать
• Как пользоваться мультиметром: режимы, прозвонка и проверка деталей