Пассивные помехоподавляющие и защитные компоненты

     

 

Согласно (2.3) эффект затухания зависит не только от , но и от полных сопротивлений и .

     В общем случае, фильтр F любой структуры представляет собой четырехполюсник, объединяющий источник помехи и приемник (рис. 2.3). Для расчета фильтра пригодны известные соотношения:

                                                                                   (2.5)

                                                                                   (2.6)

Где - комплексные параметры четырехполюсника. 

     Отсюда  следует, что коэффициент затухания  зависит, с одной стороны от параметров фильтра (см. табл. 2.1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих в процессе источника и приемника помех, что уже отмечалось в связи с обсуждением (2.4). Коэффициент затухания в зависимости от конкретных условий может иметь сильно различающиеся значения для одного и того же фильтра (рис. 2.4).  

 

     Один  и тот же фильтр при различных  условиях, т.е. в зависимости значения и частотных характеристик полных сопротивлений и , может вызывать сильно различающееся затухание.

     Основными составными элементами фильтров являются катушки индуктивности и конденсаторы. Они могут использоваться для подавления помех отдельно или в комбинации друг с другом (см. табл. 2.2). Рисунки 2.6 и 2.7 дают общие представления о важнейших видах исполнения фильтров. Фильтровые элементы представляют собой в зависимости от номинального напряжения и пропускной способности по току приборы для монтажа в помещениях, компактные элементы, встраиваемые в шкафы, приборы, в разъемы или чип-элементы для монтажа на печатных платах.

     

Рис. 2.6. Примеры выполнения помехозащитных конденсаторов:

     а - конденсатор с  двумя выводами; б - конденсатор-ввод с  тремя выводами; в - конденсатор-четырехполюсник; г - многоэлементный конденсатор 

Рис. 2.7. Примеры выполнения помехозащитных катушек с рабочим током

, и синфазным током помехи :

а - стержневая катушка; б - простейшая катушка с кольцевым сердечником; в - кольцевая катушка с двумя встречными обмотками и компенсацией магнитного потока, создаваемого рабочим током ; г - ферритовые кольца; д - ферритовые сердечники для плоских жгутов; е - линии с повышенным затуханием, с охватывающей оболочкой из материала с высоким затуханием; ж - ферритовые пластины со многими отверстиями для штекерных соединений и интегральных схем 

     Двухполюсные конденсаторы (рис. 2.6, а) в зависимости oт соединения их в токовую цепь (между прямым и обратным проводами или же между проводом и землей) пригодны для защиты как от синфазных, так и от противофазных помех (рис. 2.8, б). Конденсаторы-вводы (рис. 2.6, б) при соединении с корпусом служат для защиты только от синфазных помех (рис. 2.8, б). Конденсаторы-четырехполюсники (рис. 2.6, в) защищают от противофазных помех (рис. 2.8, в), а многосекционные конденсаторы (рис. 2.6, г) - как от противофазных, так и синфазных помех (рис. 2.8, г). 
 

Рис. 2.8. Защита катушками индуктивности и конденсаторами от синфазных и  противофазных токов помех (пояснения см. в тексте):

Q₁, Q₂ - источники противофазных I_d и синфазных I_c токов помех; С_Е - паразитные емкости участка схемы относительно заземленного корпуса. 

     Защитные  катушки индуктивности представляют собой катушки с возможно малыми емкостью и активным сопротивлением обмотки. Они имеют замкнутые  или разомкнутые сердечники (стержни, кольца из ферромагнитного материала - трансформаторной стали, металлооксидной керамики, прессованного порошка из карбонильного железа). Катушки индуктивности со стержневым или простым кольцевым сердечником (рис. 2.7, а, б) демпфируют как синфазные, так и противофазные сигналы (рис. 2.8, д).

     Защитные  элементы

     Для ограничения перенапряжений используются защитные разрядные промежутки, варисторы и лавинные диоды. Соответственно физические принципы действия этих устройств различны. Поэтому такие характеристики защитных элементов, как напряжение и время срабатывания, уровень ограничения, степень точности ограничения напряжения, допустимая токовая нагрузка, остаточное сопротивление, гасящие свойства и другие, сильно различаются.

     Разрядники  конструктивно изготовляются в виде воздушных, газонаполненных устройств или элементов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенными в герметичный керамический или стеклянный корпус, заполненный инертным газом. Защищаемую систему такой разрядник нагружает слабо, так как сопротивление изоляции между электродами составляет более 10¹⁰ Ом, а емкость - менее 10 пФ. Если воздействующее напряжение превышает напряжение пробоя , то происходит разряд между электродами, при этом сопротивление разрядника понижается приблизительно на 10 порядков. Напряжение на разряднике понижается до значения , обусловленного тлеющим разрядом, или же, если это допускает соотношение сопротивлений цепи, до значения дугового напряжения U_B (рис. 2.17).

     Напряжение  пробоя U_Z газонаполненного разрядника зависит от изменения воздействующего напряжения du/dt (рис. 2.18). При du/dt = 100 В/с определяется статическое U_Zs, а при du/dt = 1 кВ/мкс - динамическое напряжение U_Zd пробоя разрядника (600-700 В). Типичное изменение напряжения на разряднике во времени приведено на рис. 4.17. При очень коротких импульсаax напряжения (менее 30 нс) газонаполненный разрядник нe срабатывает.

     Газонаполненные разрядники надежно пропускают стандартные  токи (8/20 мкс) амплитудой до нескольких десятков килоампер, однако они способны самостоятельно гасить токи, не превышающие 1 А. Поэтому их применение в цепях электроснабжения требует последовательного включения защитного устройства, способного отключить возможный сопровождающий ток.

 

Рис. 2.17. Вольт-амперная характеристика газонаполненного разрядника с ориентировочными значениями напряжений тлеющего (u_G) и дугового (U_В) разрядов: U_Z -  напряжение зажигания (см. рис. 2.18); 1 - область начальных и тлеющих разрядов; 2 - область дуговых разрядов 
 
 
 

 

     Воздушные защитные промежутки образуются электродами, находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и рабочие характеристики близки к характеристикам газонаполненных разрядников. Так как они не способны обрывать сопровождающие токи, то их применение в качестве ограничительных элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в комбинации с предохранителями или варисторами, выполняющими функции дугогашения.

     Находят также применение и закрытые воздушные (так называемые разделительные) промежутки в местах сближения грозозащитных устройств с другими заземленными частями устройства или металлическими конструкциями, которые по условиям коррозионной стойкости не должны быть гальванически долго соединены друг с другом. При грозовых воздействиях защитные промежутки устанавливаются там, где должны происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в течение грозового разряда частей устройства, отделенных друг от друга в нормальном режиме.

     Разрядники  со скользящим разрядом содержат между электродами изоляционный материал. Вольт-секундные характеристики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных (рис. 2.18). Поэтому независимо от крутизны импульс перенапряжения ограничивается до значения 2-3 кВ. Такие разрядники способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи, и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях электропитания.

 

     Рис. 2.20. Типичные вольт-амперные характеристики варисторов в линейных (а) и логарифмических (б) координатах:

     I - область токов утечек;  II  - область импульсных токов; III - диапазон рабочих напряжений;  IV - область перенапряжений

     Варисторы (Variable Resistors)   представляют собой элементы с симметричной вольт-амперной характеристикой (рис. 2.20). При I > 0 она выражается в виде 

                                                  ,                                             (2.23)

     где K - постоянная, зависящая от размеров резистора;    - показатель, зависящий от материала.

     Для применяемых в настоящее время  металлооксидных варисторов на базе оксида цинка значение находится в пределах от 25 до 40.

     Эффект  ограничения напряжения основан  на том, что при превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (2.23), сопротивление

                                                                                          (2.24)

уменьшается на много порядков (рис. 2.20, б). 

     Защитный  уровень варисторов в зависимости  от их исполнения может лежать как в диапазоне низких, так и высоких напряжений, причем они способны поглотить значительную энергию. Их время срабатывания сравнительно мало и составляет десятки    наносекунд.    Оно    определяется    индуктивностью токопроводов. Собственная емкость варисторов велика (0,4-40 нФ), и поэтому их применение для ограничения перенапряжений в высокочастотных системах исключено. Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков, также втулок для разъемных соединений. На практике варисторы используют преимущественно для грубой защиты.

     При часто повторяющихся перенапряжениях  варистор нагревается и сопровождающий ток возрастает. Этот эффект можно  использовать для контроля функциональных способностей варистора.

     Кремниевые  лавинные диоды  обладают свойством не повреждаться при воздействии напряжения, превышающего граничные, при котором они находятся в закрытом состоянии. Их разновидность - так называемые Z-диоды (стабилитроны) ( напряжением U_Z - 3 ÷ 200 В (рис. 2.21) давно используются в электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений. Разработаны и специальные лавинные диоды, предназначенные для ограничения переходных перенапряжений, отличающиеся от обычных Z-диодов более высокой пропускной способностью по току, малым временем запаздывания (пикосекунды), большой поглощаемой энергией. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов) трансвильдиодов или ТА Z-диодов (ТА Z - от Transient Absorbing Zener).

     На  рис. 2.22 приведена характеристика ограничительной стабилитрона. Она аналогична характеристике Z-диода. Напряжение U_R - максимальное напряжение, при котором диод еще закрыт; U_B - напряжение начала ограничения, при котором ток I = 1 мА; U_С - напряжение ограничения для импульса тока I_рр (8/20 мкс).