При эксплуатации полупроводниковые приборы, применяемые в схемах автоматики, телемеханики и связи, подвергаются опасным воздействиям внешних и внутренних источников перенапряжений. В двухпроводных цепях эти перенапряжения могут быть двух видов: продольные (провод — земля) и поперечные (провод — провод). Для надежной работы полупроводниковых приборов необходимо ограничить перенапряжения до безопасного значения.
Одним из методов защиты полупроводниковых приборов от воздействия перенапряжений является включение изолирующего трансформатора, при отсутствии которого на защищаемый полупроводниковый прибор воздействуют продольные и поперечные перенапряжения.
Перенапряжения появляются также при грозовых разрядах в электрических цепях переменного и постоянного тока, которые используют для электропитания полупроводниковых приборов автоматики, телемеханики и связи. В таких цепях полупроводниковые приборы подвержены опасным воздействиям не только атмосферных, но и коммутационных напряжений, которые возникают при включении и выключении силовых трансформаторов, а также при размыкании электрической цепи, содержащей индуктивности.
Коммутационные перенапряжения опасны для диодов, включенных параллельно реле и служащих для замедления его работы. В данном случае э. д. с. самоиндукции прикладывается к диодам в обратном направлении, что может вызвать их пробой. Импульсная электрическая прочность полупроводникового диода характеризуется наибольшим значением амплитуды волны обратного напряжения, предшествующей разрушению р — п-перехода.
Первоначальное увеличение амплитуды волны обратного напряжения вызывает небольшое повышение обратного тока, а дальнейший рост напряжения резкое возрастание тока, сопровождающееся частичным или полным разрушением р — «-перехода. Обратный ток в этих случаях достигает десятков миллиампер, что в 5—10 раз больше максимально допустимых значений обратного постоянного тока диодов.
Наибольшую импульсную электрическую прочность имеют кремниевые диоды. Самую низкую электрическую прочность имеют полупроводниковые селеновые выпрямители. Однако максимальная амплитуда обратных токов, вызывающая разрушение р — п-перехода в этих выпрямителях, достигает нескольких ампер. В селеновых выпрямителях р — n-переход имеет сравнительно большую площадь и поэтому обладает более высокой мощностью рассеяния. В месте пробоя он полностью сгорает и испаряется без нарушения нормальной работы выпрямителя.
Импульсные испытания диодов в прямом направлении показывают, что р «-переходы разрушаются при амплитуде тока, значительно превышающей наибольшие значения выпрямленного тока. При пропускании волны тока в прямом направлении разрушение диодов зависит не только от числа импульсов и длительности интервалов между ними, но и от длительности импульсов.
При разработке схем защиты полупроводниковых диодов и транзисторов электрические характеристики средств защиты следует согласовывать с импульсной электрической прочностью и пропускной способностью полупроводниковых приборов. С учетом этого и достигается наибольшая эффективность защиты.
Основные принципы защиты.
Для защиты полупроводниковых приборов в схемах автоматики, телемеханики и связи от опасных воздействий внешних источников и коммутационных перенапряжений необходимо ограничить возникающие при этом поперечные перенапряжения до безопасных значений.
Защита полупроводниковых приборов может быть выполнена при включении в схемы дополнительных полупроводниковых диодов и стабилитронов по каскадному принципу с двумя и более ступенями ограничения перенапряжений. Первый каскад ограничения перенапряжений ограничивает высокие напряжения, возникающие в линейных цепях и цепях питания, до нескольких сотен вольт. Второй и последующие каскады защиты ограничивают перенапряжения до нескольких десятков вольт, а в необходимых случаях — до нескольких долей вольта. Такие каскады защиты осуществляют с помощью полупроводниковых диодов и стабилитронов, выравнивателей и варисторов, малогабаритных газонаполненных разрядников с низким пробивным напряжением совместно с защитными блоками, дросселями, конденсаторами, фильтрами, корректирующими контурами, которые могут выполнять в схемах и другие функции.
Приборы защиты.
К приборам защиты относятся полупроводниковые диоды и кремниевые стабилитроны, малогабаритные газонаполненные разрядники, защитные блоки, выравниватели и варисторы.
Полупроводниковые диоды и кремниевые стабилитроны являются защитными приборами многократного действия и хорошими ограничителями напряжений. Если приложенное напряжение меньше обратного пробивного напряжения диода и его динамическое сопротивление составляет десятки мегаом, то он закрыт и является практически изолятором. При более высоком напряжении происходит пробой диода. Его динамическое сопротивление резко снижается до десятков ом, что сопровождается возрастанием обратного тока, и если его не ограничить, диод разрушается. Чтобы избежать этого, последовательно с диодом включают ограничивающий резистор, ограничивающий этот ток. Сопротивление резистора зависит от типа диода. После прохождения воздействующего импульса перенапряжения диод возвращается в исходное положение.
Для защиты полупроводниковых приборов предпочтительнее кремниевые стабилитроны, обладающие крутыми обратными характеристиками и относительной высокой пропускной способностью по току.
Кремниевые стабилитроны имеют относительно большую собственную емкость, зависящую от приложенного напряжения, что затрудняет использование стабилитронов в высокочастотных системах. Поэтому их включают по комбинированным схемам совместно с высокочастотными диодами, которые уменьшают емкость стабилитронов.
В полупроводниковых схемах, где используют электрические цепи с низким уровнем передачи для ограничения опасного напряжения, используют прямую проводимость диода. Если приложенное напряжение в прямом направлении диода меньше 0,4 В, то его динамическое сопротивление составляет несколько килоом.
С увеличением напряжения сопротивление уменьшается, т. е. диод открывается, в этом случае изменения динамического сопротивления менее резкие, чем в обратном направлении, однако они обеспечивают ограничение напряжения до десятых долей вольта.
Выравниватели и варисторы являются нелинейными полупроводниковыми приборами, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения, обладающие способностью пропускать токи в разных направлениях.
Для защиты полупроводниковых приборов применяют керамические, оксидно-цинковые и селеновые выравниватели, кремниевые и оксидно-цинковые варисторы. Оксидно-цинковые варисторы обладают более высокой токонесущей способностью по сравнению с кремниевыми варисторами. Их используют для ограничения коммутационных перенапряжений и перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах. Кремниевые варисторы служат для защиты полупроводниковых приборов от коммутационных перенапряжений, их можно применять в электрических цепях постоянного и переменного тока.
Кремниевый варистор (рис. 111) изготовлен в виде диска 1, торцовые поверхности которого металлизированы и к слою металла 2 припаяны токоведущие выводные электроды 3. Буквы СН в условном обозначении варисторов означают сопротивление нелинейное; первая цифра — материал (1 — карбид кремния, 2 — окись цинка); вторая цифра — конструктивное выполнение (1—стержневого типа, 2 — дисковый); третья — габариты полупроводникового варистора. Далее следует число, указывающее напряжение, которое определяет тип варистора. Например, варистор СН1 -2-2-18 В 20% означает, что он изготовлен из материала на основе карбида кремния, конструктивно оформлен в виде диска диаметром 12 мм с напряжением 18 В и допустимым отклонением не более 20%.
Рис. 111. Конструкция варисторов:
а- кремниевого типа СН1-2; б- оксидно-цинкового типа СН2- I
Малогабаритные газонаполненные разрядники имеют относительно низкое пробивное напряжение и малую пропускную способность. Их применяют для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений, измеряемых десятками вольт.
Рис. 112. Защитные блоки питания
Рис. 113. Двухкаскадная схема защиты полупроводниковых приборов в линейных цепях
Защитными блоками ограничивают поперечные перенапряжения (провод — провод), возникающие в цепях постоянного и переменного тока, по которым осуществляются электропитание полупроводниковых приборов. Защитные блоки состоят из индуктивностей и емкостей. В устройствах частотной диспетчерской централизации используют защитные блоки типов ЗБ-1, ЗБ-2 и ЗБ-3 соответственно с одним, двумя и тремя дросселями.
Принцип действия защитного блока ЗБ (рис. 112, а) состоит в следующем. Кратковременные импульсы атмосферных и коммутационных перенапряжений, являющиеся высокочастотными колебаниями, воздействующие на его вход, обусловливают в цепи дросселя и конденсатора ток соответствующей частоты. При этом наибольшая часть его приходится на сопротивление дросселя, а наименьшая — на конденсатор. Наименьшая часть напряжения и будет приложена к полупроводниковой схеме. Так, в блоке типа ЗБ-2 отношение напряжений на входе и на выходе при частоте 1000 Гц равно 100, т. е. чем больше частота, тем это отношение больше. Чем больше индуктивность L и емкость конденсатора С, тем эффективней достигается ограничение перенапряжений.
Для силовых цепей переменного тока включают защитные блоки с двумя реакторами (рис. 112, б). Такой блок не оказывает влияния на переменный ток частотой 50 Гц, но эффективно гасит быстро нарастающие импульсы перенапряжений. Таким образом, за счет падения напряжения импульсных токов на сопротивлении дросселя или реактора достигается ограничение перенапряжений защитными блоками.