Rezistoare neliniareContinuare 3

Rezistoare dependente de tensiune

- varistoare -

Introducere, caracteristici

Varistoarele sunt componente electronice pasive a căror rezistenţă scade odatăcu creşterea tensiunii aplicate la bornele lor. Ca urmare, caracteristica electrică I(U) este neliniară. Varistoarele mai sunt numite componente VDR după denumirea din limba engleză Voltage Dependent Resistors. În figura de mai jossunt prezentate câteva simboluri utilizate la reprezentarea varistoarelor:

VDR VDRU

Simbolurile varistoarelor

Materialele utilizate în prezent pe scară largă la fabricaţia varistoarelor sunt oxidul de zinc ZnO, carbura de siliciu SiC sau dioxidul de titan TiO2

Tehnologia de realizare a varistoarelor este asemănătoare cu cea a termistoarelor, utilizându-se un material oxidic de bază şi un liant. În urma măcinării, amestecării, presării şi sinterizării se obţin contacte stabile între granulele oxidice de SiC sau ZnO. După sinterizare, varistoarele se supun unui proces de testare electrică, respectiv la un regim de impulsuri cu tensiunemare. Structura constructivă a unui varistor disc precum si structura internă a acestuia cu evidenţierea mecanismului de conducţie sunt prezentate in figurile de mai jos

Varistoare: a) Structuri constructive; b) Structura internă şi mecanismul de conducţie

Explicaţia acceptată în prezent pentru modificarea rezistenţei la variaţia tensiunii constă în formarea unor structuri de tip microjoncţiune (microvaristor) la interfaţa dintre granulele oxidice. Structura de tip microvaristor are ocaracteristică I(U)

2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0

- 2 0 0- 4 0 0- 6 0 0- 8 0 0

- 0 , 5

- 1 , 0

- 1 , 5

- 2 , 0

0 , 5

1 , 0

1 , 5

2 , 0

I

V

S i Cα ≈ 5

Z n Oα > 3 0

Circuitul echivalent al uneistructuri tip microvaristor

Caracteristica electrică

Caracteristicile U(I) şi R(U) ale varistoarelor

La curenţi mici (< ≈10−5A) curba se poate aproxima cu o dreaptă, rezistenţa corespunzătoare fiind >107Ω. Acestei valori a rezistenţei îi corespunde un curent IL numit curent rezidual, de pierderi sau de fugă, ("leakage current") curent ce depinde puternic de temperatură după o relaţie de tipul

( )kTVII BL /exp0 −=

cu I0 constant, VB are semnificaţia unei energii necesare pentru generarea purtătorilor de sarcină VB=0,9eV, k constanta lui Boltzmann. Regiunea corespunzătoare a caracteristicii se numeşte regiunea curentului de pierderi ("leakage region") sau regiunea de pre-străpungere ("pre-breakdown region") sau regiunea de micşorare a pantei caracteristicii("downturn region").

Caracteristica electrică a varistoarelor la scară dublu logaritmică cu evidenţierea zonelor de lucru caracteristice

αUKI ⋅= βICU ⋅=

βα 1=

β/1C1K =

( )( )21

21U/Ulog

I/Ilog=α

În regiunea normală de lucru caracteristica U(I) a varistorului poate fi aproximată de relaţiile reciproce:

Parametrul α poate fi determinat din valorile tensiunii şi curentului în două puncte de funcţionare:

Se pot scrie următoarele relaţii de echivalenţă:

unde α şi β sunt coeficienţi de neliniaritate iar k şi C sunt constante.

Tensiunea continuă maximă la funcţionare continuă UM – reprezintă tensiunea continuă care poate fi aplicată varistorului un timp îndelungat până la maximul temperaturii ambiante de lucru. Această tensiune este utilizată ca referinţă pentru măsurarea curentului de fugă IL. Se defineşte similar şi valoarea maximă a tensiunii în curent alternativ sinusoidal, care în mod tipic reprezintă cca. 75-80% din UM

Tensiunea nominală UN - este tensiunea la bornele varistorului la aplicarea unui curent de referinţă, de regulă 1 mA. De la acest punct se consideră că începe regimul normal de lucru al varistorului. Această tensiune mai este numită,oarecum impropriu, tensiunea de străpungere a varistorului

Tensiunea maximă de limitare Uc ("Maximum Clamping Voltage") - este valoarea de vârf a tensiunii care apare la bornele varistorului în condiţiile aplicării unui impuls de curent cu valoarea şi formă specificată

Caracteristicile impulsului de test standard pentru definirea tensiuni maxime de limitare

Timpul de răspuns caracterizează întârzierea între momentul aplicării unui impuls de tensiune şi momentul în care varistorul intră în conducţie, limitând amplitudinea impulsului

Familie de caracteristici electrice pentru varistoarele firmei Philips. Se remarcă saltul caracteristicilor la curentul de 1 mA

Supracurentul maxim nerepetitiv Inrp este un alt parametru al varistoarelor ("surge current") definit ca valoarea maximă a vârfului curentului aplicat sub forma impulsului de 8 ... 20μs, fără a cauza defectarea respectivului varistor

Energia maximă absorbită în mod nerepetitiv WM(J) se defineşte în mod similar cu supracurentul maxim nerepetitiv cu deosebirea că impulsurile de curent utilizate la măsurarea energiei sunt ceva mai lungi şi pot fi 10 ... 1000 μs, 10 ... 700μs, impulsuri dreptunghiulare, etc.

Energia absorbită de varistor la aplicarea unui puls se calculează cu relaţia:

τ××= medc IUW

Puterea nominală PN este definită ca puterea care poate fi evacuată de varistor la o solicitare îndelungată. La fel ca la orice tip de rezistor şi la varistoare are loc o reducere a capacităţii de evacuare a puterii disipate atunci când temperatura mediului ambiant creşte ("derating").

Intervalul temperaturilor de lucru este domeniul de temperaturi în care pot lucra varistoarele. Acest domeniu se situează uzual între −40°C şi +125°C, cu punctul de la care începe reducerea parametrilor (putere nominală, tensiune nominală, curent maxim, energie maximă) situat între 80 şi 85°C

Capacitatea parazită C este un alt parametru important al varistoarelor. Capacitatea parazită a acestora are valori apreciabile şi îşi are originea în special în valoarea relativ ridicată a permitivităţii dielectrice a materialului ceramic.

Asimetria curenţilor [As] este un parametru care apreciază simetria caracteristicilor, mai ales pentru varistoarele din SiC. Pentru acestea se precizează parametrul As ca fiind definit de:

[%]100I

I-I=A1

12s ⋅

cu I1 şi I2 curenţii corespunzători unei tensiuni pozitive, respectiv negative aplicate varistorului. De obicei se consideră tensiunea egală cu tensiunea nominală UN

Circuitul echivalent al varistorului

L

C

RON

ROFF

RV

L - inductanţa terminalelor;C - capacitatea parazită a varistorului;ROFF - rezistenţa masei intergranulare din structura varistorului;RON - rezistenţa granulelor de oxid metalic;Rv- rezistenţa unui varistor "ideal" (de la 0 la ∞)

Conectarea varistoarelor - grupări de varistoare

Gruparea serie a varistoarelor este utilizată pentru a obţine tensiuni mai mari ca cele disponibile sau pentru a obţine o tensiune situată între cele ale tipurilor standard.

R V1 R V2 R Vn R V SI I

U 1 U 2 U n U

U

Gruparea în serie a varistoarelor

ββ ICnCIUUn

1i

n

1ii ⋅⋅=== ∑∑

==

Gruparea paralel a n varistoare identiceRV1

RV2

RVn

RP

I1

I

U

U

I2

In

I

ααα UKnKUKUII p

n

1i

n

1ii ==== ∑∑

==

Gruparea în paralel a varistoarelor

Conectare Serie ParalelScopul conectării

Creşterea tensiunii de lucru;Creşterea energiei disipate;Obţinerea unor tensiuni de lucru altele decât cele standard.

Creşterea curentului;Creşterea energiei disipate.

Caracteristici ale varistoarelor conectate

Curentul maxim trebuie să fie acelaşi pentru toate varistoarele;Se pot alege varistoare cu tensiuni nominale diferite.

Toate varistoarele trebuie să aibă aceeaşi tensiune nominală;Varistoarele trebuie selectate pentru a avea caracteristici U(I) similare.

Efectul conectării asupra parametrilor

Tensiunile de limitare se adună;Tensiunile nominale se adună;Curentul maxim este egal cu al unui singur varistor;Energia maximă absorbită se însumează.

Raportul de divizare a curentului între varistoare este important pentru valorile curenţilor maximi şi ale energiei disipate;Tensiunea de limitare rezultă din examinarea caracteristicilor U(I) asemănătoare ale varistoarelor;Tensiunea nominală este cea a unui varistor.

Sinteză privind gruparea varistoarelor

Structura constructivă a varistoarelor

Structura unui varistor prezintă granule oxidice conductoare separate dejoncţiunile care iau naştere la contactul dintre granule. Varistorul realizat pe bază de oxid de zinc este compus în principal din oxid de zinc (rezistivitatea oxidului de zinc este <0,3 Ω·cm) cu adaos de bismut (Bi2O3), cobalt, mangan şi alţi oxizi metalici. O caracteristică a microvaristoarelor formate la interfaţa dintre granule este menţinerea constantă a căderii de tensiune pe microjoncţiuni, între 2,5÷3,8 V, în funcţie de dimensiunea granulelor şi materialele de adaos utilizate. Comportarea electrică a varistorului rezultă din multitudinea de conectări serie-paralel ale microvaristoarelor create la interfaţa granulelor de oxid metalic.

Varistoare pe bază de carbură de siliciu SiC

Varistoarele cu SiC au fost, până la apariţia varistoarelor pe bază de ZnOcele mai utilizate varistoare. Ele au fost şi sunt încă utilizate în aplicaţii de înaltă tensiune şi putere mare. Coeficientul de neliniaritate mic al acestor varistoare conduce la utilizarea mai redusă a lor ca dispozitive de protecţie.

Varistoarele pe bază de SiC sunt utilizate ca stabilizatoare şi în curent alternativ, în regim permanent. În acest caz ele introduc distorsiuni ale curenţilor sau tensiunii, datorită neliniarităţii caracteristicii U(I).

Distorsionarea curentului, respectiv a tensiunii la utilizarea varistoarelor în curent alternativ sinusoidal

Energia maximă absorbită de un varistor multistrat este desigur mai mică ca cea a unui varistor disc, energia maximă absorbită depinde de volumul masei ceramice în care se disipă respectiva energie. Acest parametru devine important numai dacă impulsurile perturbatoare au un caracter repetitiv. Pentru circuitele de semnal, creşterea capacităţii dispozitivului de protecţie nu este dorită deoarece duce la distorsionări ale semnalului util.

Există şi cazuri, în special în circuite de curent continuu, în care capacitatea parazită poate fi utilă, asigurând un efect suplimentar de filtrare sau de şuntare a semnalelor perturbatoare de înaltă frecvenţă. Astfel, un varistor asigură în circuit simultan două funcţii, cea de protecţie la supratensiuni şi cea de filtrare.

Relativ recent au început să se producă varistoare multistrat. Apariţia lora fost cerută de asigurarea unei compatibilităţi cu tehnologia montării pe suprafaţă (SMT). Structura constructivă a varistoarelor multistrat "chip" poate fi urmărită în figura de mai jos, prin această variantă constructivă are loc creşterea suprafeţei electrozilor.

Varistoare multistrat

Datorită formei electrozilor, care fac ca în varistor curentul perturbator să circule în direcţii perpendiculare, se reduce inductanţa varistorului şi se îmbunătăţeşte performanţa dispozitivului de protecţie la supratensiuni tranzitorii. În acelaşi timpcirculaţia curentului în electrozii paraleli între intrare şi ieşire, duce la o mărire ainductanţei între aceste borne, şi deci la o îmbunătăţire a efectului de filtrare

Schemele echivalente ale unui varistor conectat în paralel pe o linie de alimentare şi a varistorului de trecere cu trei terminale prezentat anterior

Aplicaţii ale varistoarelor

Actualmente varistoarele sunt utilizate la reducerea supratensiunilor parazite ce pot să apară la intrarea circuitelor sau a componentelor electronice. În acest sens, pot fi exemplificate următoarele utilizări:

•reducerea supratensiunilor, pozitive şi negative ce pot apărea pe reţea şi pot influenţa funcţionarea aparatelor sau sistemelor electronice alimentate de la reţea.

•conectarea varistoarelor la intrarea componentelor şi circuitelor electronice (exemplu circuitele digitale) pentru reducerea supratensiunilor parazite ce pot apărea la intrarea acestora şi le pot modifica funcţionarea.

•conectarea varistoarelor în paralel cu contactele mecanice şi sarcinile inductive, pentru a proteja contactele mecanice şi pentru a reduce perturbaţiile ce apar la comutarea sarcinilor inductive

Protecţia la supratensiuni pe linia de alimentare

Varistoarele cu oxid de zinc sunt utilizate în majoritatea cazurilor ca dispozitive de protecţie la tensiuni periculoase. Impulsurile de tensiune pot avea natură deterministă fiind provocate de circuite în regim de comutaţie sau pot fi generate aleator de fulgere, descărcări electrostatice (ESD), impulsuri electromagnetice nucleare (NEMP). Principiul protecţiei la supratensiune realizată de varistor poate fi urmărit în figura de mai jos:

Aparatcare

trebuieprotejat

Zs

ZV

Zi

Ui

+

-

IV

UZ Is

Uo

Principul de realizare a protecţiei la supratensiuni cu varistoare

Protecţia contactelor releelor şi a comutatoarelor

Întreruperea unui circuit inductiv produce o supratensiune datorită fenomenului de autoinducţie. Această supratensiune poate amorsa un arc electric care poate distruge contactele comutatorului şi generează perturbaţii electromagnetice. Comutatorul K este de obicei contactul unui releu, fiind posibilă chiar sudarea lamelelor contactului şi deci defectarea ireversibilă a acestuia. Pentru protecţia contactelor se utilizează un varistor care limitează supratensiunea între contacte la o valoare la care nu mai apare arcul electric:

UA

K

RV

L

R

UA

K

RVL

R

Protecţia contactelor electrice cu varistoare

IC Protection against Electro-static Discharge(ESD)

Varistoare multistrat cu aplicaţii auto (TDK-EPCOS)Varistoare multistrat pentru aplicaţii auto; se utilizează în special pentru: protecţie ESD a interfeţelor bus-urilor (de ex.CAN, LIN, MOST, Ethernet, FlexRay) Protecţie împotriva impulsurilor tranzitorii de mare energie (de ex. “jump start” şi “load dump”) ce apar la bornele circuitelor bateriei (bateriilor).

Fenomenele tranzitorii în domeniul auto sunt împărţite în mai multe categorii de impulsuri:

tensiuni tranzitorii ale liniilor de alimentare auto ce pot apărea din cauza deconectării unei sarcini inductive, întreruperea bruscă a unor circuite parcurse de curenţi mari sau datorită proceselor de comutaţie. Aceste fenomene tranzitorii pot deteriora componentele conectate la liniile de alimentare. Aceste tipuri de perturbaţii sunt definite în ISO 7637-2.

„Load dump” – deconectarea sarcinii, în electronica auto se referă la o deconectare bruscă a bateriei autovehiculului de la alternator în timp ce bateria se încarcă (de exemplu întreruperea unui cablu al bateriei). Consumatorii electrici conectaţi la alternator vor fi expuşi la un impuls de tensiune mare (tensiune tranzitorie) pe linia de alimentare în cazul unei astfel de deconectări a bateriei. „Load dump” reprezintă tensiunea tranzitorie cea mai severă care poate apărea într-un vehicul. Aceasta este definită în ISO 16750-2.

„Jump start” este o metodă de a porni un vehicul cu o baterie de pornire externă. Dacă tensiunea bateriei externe depăşeşte tensiunea nominală a vehiculului, componentele electronice trebuie să reziste la această tensiune mai mare de pornire pentru a evita deteriorarea lor. Specificaţiile auto solicită rezistenţa autovehiculului cu tensiunea de 12V la un salt de pornire de 24 V.

Eclatoare de protecţieUn produs electronic, este conceput să suporte, în funcţionare, o anumită tensiune. Dacă din varii motive apare o supratensiune, aceasta poate determina defectarea sau chiar distrugerea respectivului produs. Apariţia supratensiunilor este în majoritatea cazurilor aleatoare, de aceea este necesar ca pentru asigurarea funcţionării normale, produsul să fie protejat la acţiunea distructivă a supratensiunilor ce apar. Printre soluţiile de protecţie utilizate se numără şi celece utilizează dispozitive de tip eclator de protecţie. Eclatoarele cu gaz reprezintă o soluţie optimă de protecţie:

• Prezintă un gabarit redus • Timp scurt de acţionare • Stabilitate a parametrilor funcţionali

Funcţional, eclatoarele reprezintă un traseu electric prin care, la apariţia supratensiunii, energia suplimentară să fie derivată de la sistemul electric protejat. Ca atare, în stare de funcţionare eclatorul prezintă o rezistenţă electrică foarte mică comparativ cu cea a circuitului electric pe care îl protejează fiind plasat în paralel cu acesta.

Eclator de protecţie Sistem electric protejat

Protejarea unui bloc electronic cu ajutorul eclatorului: a) Schema bloc de protecţie cu eclator; b) Schema electrică echivalentă

Eclatoarele cu gaz funcţionează pe principiul fizic al descărcării în arc electric. Din punct de vedere electric eclatoarele acţionează ca switch-uri dependente de tensiune. De îndată ce tensiunea aplicată la bornele lor depăşeşte tensiunea de aprindere „spark-over” se formează într-un timp foarte scurt de ordinul nanosecundelor un arc electric în regiunea de descărcare închisă ermetic. Capacitatea mare de conducţie a curentului şi tensiunea arcului electric, care este aproape independentă de curent, fac ca supratensiunea apărută să fie scurtcircuitată. În cazul în care tensiunea periculoasă a dispărut, eclatorul se stinge şi rezistenţa internă a acestuia revine imediat la valorile de mai multe 100 MΩ.

Eclatorul îndeplineşte aproape perfect toate cerinţele unui element de protecţie. Acesta limitează fiabil supratensiunea la valorile maxim admise iar în condiţii normale de funcţionare prezintă o rezistenţă mare de izolaţie şi o capacitate parazită foarte mică, având astfel o influenţă redusă asupra sistemului care trebuie protejat.

Principiul de funcţionare pe scurt

ConstrucţieDin punct de vedere constructiv cel mai simplu eclator de protecţie (Surge Arresters) este construit, dintr-un tub izolator de ceramică, placat în interior cu un stimulator (potenţiator) al aprinderii care închide ermetic un spaţiu în care se află se află un gaz (de regula argon si/sau neon), doi electrozi simetrici acoperiţi cu un compound de activare şi situaţi la o distanţă foarte precisă (1 mm). În funcţie de tipul eclatorului dispozitivul este prevăzut sau nu şi cu terminale de inserţie.

Eclator simplu; a) Elementele constructive; b) Simbol

Eclatorul simetric (cu trei electrozi) faţă de un electrod median are o construcţie de tipul celei din figura de mai jos şi este destinat unor protecţii triple pentru ca intre cetrei electrozi pot să se producă descărcări de protecţie:între cei doi electrozi axiali (a şi b);între electrodul central c şi electrodul axial a;între electrodul central c şi electrodul axial b

Eclator dublu simetric; a) Elementele constructive; b) Simbol

Modul de funcţionare

O componentă de protecţie simplificată (eclatorul simplu) poate fi comparată cu un întrerupător simetric de mică capacitate a cărui rezistentă poate să sară de la câţiva giga ohmi în timpul funcţionării normale la valori < 1 ohm după aprinderea cauzată de o supratensiune. Starea componentei se reîntoarce la impedanţa ridicată după ce pericolul a trecut. În figurile de mai jos sunt prezentate: curba de variaţie a supratensiunii, şi variaţia curentului în funcţie de timp atunci când tensiunea ce se limitează este sinusoidală.

Aplicaţii ale eclatoarelorEclatoarele de protecţie împotriva descărcărilor nedorite sunt componente clasice pentru protecţia izolaţiilor în industria telecomunicaţiilor. Aceste componente protectoare sunt, de asemenea, esenţiale în protejarea fax-urilor şi modem-urilor utilizate pentru transmisia de date şi echipate cu electronică din ce in ce mai sofisticată. Componentele sunt poziţionate la intrarea sistemului de alimentare împreună cu varistoare şi la punctele de conexiune ale liniilor de telecomunicaţii. Eclatoarele de protecţie au devenit de asemenea indispensabile în protecţia staţiilor de bază ale sistemelor de telefonie mobilă caşi pentru reţelele extinse de cablu TV (CATV) cu sistemele lor de repetoare, amplificatoare şi distribuitoare. Aceste componente de protecţie sunt, de asemenea, indispensabile şi în alte sectoare. În sistemele de transmisie a puterii alternative aceste elemente sunt adesea utilizate împreună cu varistoarelimitatoare de curent. Alte aplicaţii se pot menţiona în terminalele electronicii de consum cum ar fi televizoare, monitoarele computerelor şi echipamentele de aer condiţionat.

Protecţia telefoanelor/fax-urilor şi modem-urilorTelefoanele, fax-urile si modem-urile sunt echipate cu electronică din ce in ce mai sofisticată. Circuitul tipic utilizat pentru protecţia acestora este prezentat înFigura de mai jos. În cazul unei supratensiuni, ambele componente de protecţieschimbă liniile prin scurgerea curentului nedorit spre masă

a) b) c)

Protecţia tipică a fax/modem la conexiuni nedorite a liniilor de intrare cu reţeauaenergetică cu ajutorul unor eclatoare de protecţie de 230 V; a), b) cu eclatoaresimple; c) cu eclator simetric de 75 V; 90 V; 230 V

Declanşatorul de scânteie în comutaţieConstrucţia unui declanşator de scânteie umplut cu gaz este asemănătoare cu cea a unei componente de protecţie la descărcări nedorite cu 2 electrozi:

Declanşatorul de scânteie in comutaţie: a) Construcţie; b) Simbol

Aplicaţii cu declanşatorul de scânteie in comutaţie

In practică se utilizează din ce în ce mai mult aprinzătoare în impuls pentru declanşarea aprinderii în lămpile moderne cu descărcare în gaze de înaltă presiune. Performanţele acestor componente sunt determinate în principal de proprietăţile elementului de comutare Elementul ideal ar trebui să fie un întrerupător extrem de rapid, funcţionând aproape fără pierderi, cu o mare rezistentă de izolaţie în starea deschis. Ar trebui, de asemenea, sa fie cât mai compact posibil, robust, cu o înaltă fiabilitate şi capabil să funcţioneze într-o largă gamă de temperatură. De exemplu declanşatorul de scânteie în comutaţie de la EPCOS satisface aceste cerinţe, mai bine decât orice altă componentă electronică, prin exploatarea principiului descărcării în arc. Viteza enormă la care se formează arcul electric (30ns) ca şi capabilitatea lui de a suporta curenţi mari permite generarea de impulsuri scurte (de o durată de câţiva zeci de µs) cu un curent extrem de mare, o rapidă creştere a tensiunii şi pierderi mici. Rezistenţa de izolaţie în starea în care nu conduce este determinată de curenţii de fugă foarte mici şi se situează în domeniul MΩ, valoarea depinzând de tipul componentei.

Proiectarea de bază a unui aprinzător în impulsuri cu o rezistentă de încărcare, o capacitate de aprindere, un declanşator de scânteie şi un transformator de înaltă tensiune este prezentată în figura de mai jos

Aplicaţii ale declanşatorului de scânteie prin comutaţie: a) Scânteie repetitivă pentru maşini de gătit; b) Aprinderea unei lămpi cu descărcare în gaze de înaltă presiune

•Aprinzător pentru maşini de gătit şi pentru sisteme de încălzire centrală se bazează pe declanşatorul de scânteie care generează un puls de curent ce se transmite primarului transformatorului aprinderii. Acesta la rândul lui generează în secundar, prin raportul de transformare, înaltă tensiune necesară aprinderii amestecului de gaz (tipic 12kV).

•Aprinzător pentru aprindere rece şi caldă a lămpilor cu descărcare în gaze de înalta şi ultra înaltă presiune se bazează pe generarea unor pulsuri de înaltă tensiune generate de circuitul de aprindere sunt suprapuse peste tensiunea de funcţionare a lămpii alimentata de stabilizator.

Explicaţii despre funcţionarea eclatoarelor

O componentă de protecţie în varianta simplificată (eclatorul simplu) poate fi comparată cu un întrerupător simetric de mică capacitate a cărui rezistentă poate să sară de la câţiva giga ohmi în timpul funcţionării normale la valori < 1ohm după aprinderea cauzată de o supratensiune. Starea componentei se reîntoarce la impedanţa ridicată după ce pericolul a trecut. În figurile de mai jos sunt prezentate: curba de variaţie a supratensiunii, şi variaţia curentului în funcţie de timp atunci când tensiunea ce se limitează este sinusoidală.

Modul de funcţionare

În general, o declanşare a arcului electric se produce ori de câte ori supratensiunea aplicată depăşeşte capacitatea de izolaţie electrică a unui sistem. Această descărcare limitează valoarea supratensiunii şi reduce efectul perturbaţiei într-o perioadă scurtă de timp. Arcul electric cucapacitatea sa de mare de conducţie a curentului previne o creştere în continuare a supratensiunii, datorită valorii reduse şi aproximativ constantă a tensiunii de arc de aproximativ 10V. Eclatoarele cu gaz utilizează acest principiu de limitare naturală a supratensiunilor.

Principiul de protecţie

Limitarea supratensiunii sinusoidale de către un eclator simplu; a) Curba de variaţie a supratensiunii; b) Variaţia curentului în funcţie de timp

Prin eclator nu trece curent în timpul cât tensiunea creşte până la valoarea tensiunii Vs moment de timp când componenta declanşează scânteia. După aprindere, tensiunea scade la nivelul tensiunii de incandescentă (de arc) Vgl(între 70 şi 50 V în funcţie de tipul eclatorului, cu un curent de la câţiva mA până la 1.5 A) în domeniul G al modului-incandescent. Pe măsură ce curentulcreşte în continuare apare trecerea la modul A de arc de descărcare.

Tensiunea extrem de scăzută a arcului Va (de la 10V până la 35 V), tipică pentru acest mod, este efectiv independentă de curent într-o gamă largă.Odată cu descreşterea supratensiunii (adică în a doua jumătate a undei) curentul prin componentă descreşte corespunzător pană când scade sub valoarea minimă (de la câţiva zeci de mA la câteva sute de mA în funcţie de tip) necesară pentru a se menţine în modul arc. În consecinţă, descărcarea în arc se opreşte brusc şi, după trecerea prin modul incandescent, componenta se stinge la tensiunea Ve. Caracteristica tensiune/curent (U/I) a componentei prezentată în figura anterioară c) fost obţinută prin combinarea graficelor tensiunii şi curentului în funcţie de timp.

Modul de funcţionare (2)

Răspunsul eclatorului la variaţia tensiunii aplicate

Dacă eclatorului i se aplică o tensiune cu o rată de creştere scăzută (aprox. 100 V/s), tensiunea ce declanşează scânteia Vs va fi determinată în principal de distanţa dintre electrozi, tipul şi presiunea gazului şi de gradul de preionizare al gazului nobil din incintă. Această valoare de aprindere, Vsdc, este definită ca tensiunea continuă de declanşare a scânteii (în domeniul static). Totuşi, atunci când tensiunea variază cu o rată de creştere mai ridicată, tensiunea de declanşare a scânteii Vs a eclatorului depăşeşte Vsdc. Acest efect se datorează timpului finit necesar pentru ionizarea gazului, tensiunea corespunzătoare fiind numită tensiune de aprindere în impuls Vsi. Toate tensiunile de declanşare a scânteii se supun unor variaţii statistice considerabile. De exemplu eclatoarele cu gaz tip EPCOS care au precizată această valoare caracteristică (Vsi), crucială în evaluarea calităţii protecţiei în aplicaţiile practice de tip dinamic, sunt independente de preionizarea permanentă. Ca rezultat al armonizării specificaţiilor naţionale şi internaţionale, cele două rate de creştere a tensiunii de 100 V/µs şi 1 kV/µs (ITU-T, K.12 si IEC 61643-311) au fost acum introduse in practică, pentru a evalua caracteristica dinamică a componentelor.

Definiţii, condiţii de măsurare•Tensiunea continuă ce declanşează scânteia Vsdc este valoarea ce se determină prin aplicarea unei tensiuni DC cu o rată scăzută de creştere dv/dt = 100 V/s (vezi figura de mai jos)

Răspunsul static şi dinamic la impulsurile de tensiune aplicate eclatorului EPCOS

•Tensiunea continuă nominală ce declanşează scânteia, VsdcN, este o valoare estimată utilizată la proiectarea unei componente de protecţie la descărcări nedorite. Caracteristicile de funcţionare, tolerantele, precum si valorile de test se refera la, VsdcN. Ea se referă la valorile individuale ale tensiunii continue de declanşare a scânteii, care se supune unor variaţii statistice datorită fenomenelor fizice ale descărcării în gaze•Toleranta, VsdcN [%], este toleranţa în general specificata ca un procentaj din VsdcN. Specificaţiile toleranţei iau in calcul variaţiile individuale şi a lotului în cadrul procesului de producţie al componentelor de protecţie la descărcări nedorite. •Tensiunea în impuls ce declanşează scânteia, Vsi, este tensiunea ce caracterizează comportarea dinamică a unei componente. Valoarea specificată în etapa de producţie se referă la o rată de creştere a tensiuni dv/dt = 100V/µsşi la 1kV//µs. •Curentul nominal de descărcare în impuls, idiN, reprezintă rata curentului de descărcare (vezi figura ) a semnalului de 8/20/µs. Cerinţele normelor ITU-T şi DIN VDE: prevăd 10 descărcări. •Curentul maxim de descărcare a unui singur impuls reprezintă o singură încărcare cu un semnal de 8/20µs (vezi figura ). Sunt, de asemenea, Disponibile si datele de test ale curenţilor în impuls 10/250µs, 10/350µs, si 10/1000µs

•Curentul alternativ nominal de descărcare, IdaN, este valoarea efectivă a curentului alternativ la 500 Hz, 1s. Acesta trebuie să îndeplinească anumite cerinţe. De exemplu cerinţele ITU-T: prevăd 10 descărcări (fără acumulare a temperaturii DUT) şi DIN VDE 5 descărcări.Curentul alternativ de descărcare este definit ca fiind valorile RMS ale curentului alternativ pentru 9 cicluri la 50 Hz Curentul maxim permis ce urmează scăderii în intensitate a descărcării nedorite este curentul maxim permis ce poate trece de la sursa de alimentare în curent prin componentă în intervalul dintre scăderea în intensitate a descărcării nedorite şi următoarea trecere prin zero a tensiunii alternative. Aceasta descărcare se poate repeta de zece ori in timpul unui interval de 30sTimpul de viaţă util este definit ca fiind dat de: o descărcare a curentului de descărcare cu o rata de 10/350µs;pana la 300 descărcări ale curentului de descărcare cu o rata de 10/1000µs.Rezistenţa de izolaţie Ris reprezintă rezistenta ohmică a eclatorului neaprinse.Exemplu la eclatoarele EPCOS Ris>1010 Ω, deşi cerinţele ITU-T prevăd Ris>109 Ω cu DIN VDE Ris >1010 Ω. Ca o regulă, eclatoarele sunt testate cu o tensiune de test de 100 V cc. Capacitatea C reprezintă capacitatea proprie a componentei fără sistemul de conectare. Cerinţele ITU-T prevăd C< 20 pF iar DIN VDE C< 5 pF. La eclatoarele această capacitate este cuprinsă în gama 0.7pF … 3 pF(în funcţie de tip).

Protecţia telefoanelor/fax-urilor şi modem-urilorTelefoanele, fax-urile si modem-urile sunt echipate cu electronică din ce in ce mai sofisticată. Circuitul tipic utilizat pentru protecţia acestora este prezentat înFigura de mai jos. În cazul unei supratensiuni, ambele componente de protecţieschimbă liniile prin scurgerea curentului nedorit spre masă

a) b) c)

Protecţia tipică a fax/modem la conexiuni nedorite a liniilor de intrare cu reţeauaenergetică cu ajutorul unor eclatoare de protecţie de 230 V; a), b) cu eclatoaresimple; c) cu eclator simetric de 75 V; 90 V; 230 V