Характеристики ограничителей напряжения: Выбор ограничителя перенапряжения

Ограничители перенапряжения: виды, назначение, принцип действия

Ограничители перенапряжений для сетей 110 кВ

Ограничители перенапряжений для сетей 110 кВ — фарфор УХЛ1

Цена: по запросу

Ограничители перенапряжений для сетей 220 кВ полимер УХЛ 1

ОПН 220: Ограничители перенапряжений для сетей 220 кВ полимер УХЛ 1

Цена: по запросу

Ограничители перенапряжения | Комплексэнерго

Импульсный скачок напряжения – один из самых опасных аварийных режимов в электрических сетях. Возникает при атмосферных разрядах коммутационных операциях или перехлёсте линий. Импульсный скачок опережает возрастание импульсного тока, поэтому действует на изоляцию различных электрических устройств. Защиты, реагирующие на изменение номинального тока, например, классические автоматы, в таком случае неэффективны.

Так как возможно превышение перенапряжения в разы относительно номинальной рабочей величины, подобное явление подвергает опасности все элементы сети вместе с оборудованием.
Поэтому используют ограничители перенапряжения (ОПН), которые позволяют избегать опасности, тем самым предотвращая затраты на восстановление электрического оборудования.

Устройство и принцип действия ограничителей перенапряжения

В ограничителе перенапряжения находится полупроводниковый элемент, имеющий нелинейную величину сопротивления. Обычно в роли подобных элементов используются вилитовые диски. Их изготавливают из оксида цинка с добавлением определённых примесей. На концах дисков есть электрические выводы: один подводится к электрической сети, которую требуется защитить, а другой заземляется. Снаружи диски покрыты защитной рубашкой.

По работе ограничитель перенапряжения похож на обычный варистор. Отличается по характеристикам проводимости и скорости нарастания. Принцип работы ОПН заключается в особенности вольт-амперной характеристики: она нелинейна. Это значит, что сопротивление варисторов при номинальном напряжении большое — ток через них не идёт. Сопротивление изоляции можно сравнить с изоляцией электрических приборов и кабелей.

При возникновении высоковольтных импульсов, таких как грозовые разряды, внутри ограничителя резко снижается сопротивление резисторов (резисторы нелинейны). Чаще всего сопротивление снижается до нуля или намного меньше сопротивления сети со всеми подключёнными к ней электрическими приборами. Именно поэтому при перенапряжениях ток разряда проходит на землю только через ограничитель перенапряжения. Этим и обеспечивается защита всего электрического оборудования.

Вольтамперная характеристика ограничителя перенапряжения определяет его пределы срабатывания на импульсные перенапряжения.

Протекающий через ограничитель ток при работе до 600В, равен 0. При превышении 600В сопротивление резко уменьшается, а значит ток увеличивается вплоть до тысяч ампер.

Если изобразить график процесса, он будет иметь три участка: с нулевым или сверхмалым током; со средним током и с максимальным током.

Применение ОПН

ОПН применяют для предотвращения перенапряжения на электрооборудовании. При этом импульс разряда выводится в землю.

Ограничители перенапряжения широко применяются в линиях электропередач. В этом случае они выполняют функцию молниезащиты, в то время как провода – молниеприёмники. Также ОПН применяются в промышленности: на трансформаторных и тяговых подстанциях, распределительных устройствах и пр. для защиты персонала и имеющегося электрического оборудования. ОПН используются и в быту – устанавливаются на вводе в здание в электрических щитках, а также для защиты ценного оборудования.

Виды ограничителей перенапряжения

Так как спектр решаемых ограничителями задач довольно велик, устройства разделяют на разные виды.
Виды различаются следующими характеристиками:

• Материал рубашки. Чаще всего встречаются устройства с полимерной или фарфоровой рубашкой. Тип изоляции наружного слоя определяется материалом рубашки.
• Количество фаз (элементов). От числа защищаемых фаз и величины питающего напряжения зависит само число ограничителей.
• Класс напряжения. По величинам, для которых работает ограничитель, устройства делятся: 1) до 1 кВ, 2)выше 1 кВ. Номинал напряжения обычно сопоставим со стандартными величинами электрических параметров сети в кВ (6,10, 35).
• Класс защищённости. Установка возможна либо на открытой части, либо внутри помещения.

Для каждой фазы электрической установки может использоваться отдельная колонка, но возможно использование одной колонки для всех фаз. В электроустановках от 110кВ ограничитель для одной фазы может быть собран из нескольких элементов одного типа (например, 3 на 35 кВ).

ОПН должны выстраиваться в соответствии со стандартами в зависимости от причин перенапряжения в сети:

• ГОСТ Р 50571.18-2000 – от возможных перенапряжений в низковольтных сетях при замыканиях по высокой стороне.
• ГОСТ Р 50571.19-2000 – от скачков, образованных воздействием молнии и возникающих в результате переключения электроустановок.
• ГОСТ Р 50571.20-2000 – от перенапряжений генерируемых электромагнитными воздействиями.

При комбинации нескольких видов выстраиваются ступенчатые (многофункциональные) ограничителя перенапряжения.

Фарфоровые ОПН

Ограничители коммутационных перенапряжений с корпусом из фарфора достаточно широко распространены. Такие ОПН имеют свои преимущества: керамика не подвержена влиянию солнечной радиации; вентильный разрядник, находящийся внутри, мало зависит от температуры во внешней среде. Высокий показатель механической прочности на сжатие и разрыв позволяет использовать такие ограничители в качестве опорной конструкции. Однако вес фарфоровых ограничителей довольно большой, к тому же фарфор опасен при в случае разрыва: осколки могут травмировать людей, попадая в близлежащие здания.

Полимерные ОПН

Полимерные ограничители практически вытеснили фарфоровые в связи с развитием химического производства и распространением использования полимеров в качестве диэлектриков. Материал рубашки полимерных ограничителей представлен каучуком, фторопластом, винилом и подобными современными полимерами.

У полимерных ОПН также есть ряд преимуществ: они намного более устойчивы к воздействию влажности, более безопасны при взрывах, так как меньше весят и при разрушении корпуса устройства избытком давления внутри колонки, рубашка ограничителя нарушается по линии разлома, не разлетаясь при этом острыми осколками. Также довольно важным преимуществом полимерных ограничителей является высокая устойчивость к нагрузкам динамического характера.

Но у полимерных ограничителей перенапряжения есть и свои недостатки. К ним относятся: способность накапливать на поверхности диэлектрика пыль и прочие засорители. Со временем это приводит к повышению пропускной способности. Из-за этого увеличивается ток утечки и происходит пробой изоляции. Также полимерные ОПН, в отличие от фарфоровых, зависят от воздействия солнечной радиации и колебаний температуры во внешней среде.

Одноколонковые ОПН

Одноколонковые ограничители своим устройством представляют один конструктивный элемент, имеющий нелинейное сопротивление. Для определения числа набранных полупроводниковых дисков необходимо провести соответствие с категорией электроустановки, которую требуется защитить.

Согласно градуировке ГОСТ 9920, одноколонковые ограничители перенапряжения разделяются на класса от II до IV. Разделение происходит в зависимости от типа и количества осаждающейся на поверхности устройства пыли и прочих засорителей.

Многоколонковые ОПН

Многоколонковые ограничители перенапряжения, в отличие от остальных упомянутых устройств, имеют несколько блоков, модулей или колонок для защиты высоковольтного оборудования. Эти колонки/модули/блоки объединяются в одну систему. Такие ограничители защищают требуемые объекты более надёжно, так как способны реагировать сразу на несколько видов перенапряжений: как на одиночные, так и на дифференциальные.

Технические характеристики

Выбирая конкретную модель ограничителя перенапряжения, в обязательном порядке учитывают некоторые характеристики устройства:

• Рабочее напряжение. Позволяет определить количество электроэнергии, которую ограничитель способен выдерживать в течение любого временного промежутка без нарушения своей работоспособности.
• Номинальное повышенное напряжение. Представляет собой значение рабочей величины, которое ограничитель имеет способность выдержать в течении 10 секунд. Величина нормируется вместе с остающимся в сети остаточным напряжением.
• Время срабатывания. Данная величина характеризует скорость, с которой открывается полупроводниковый элемент ограничителя после нарастания напряжения.
• Ток утечки. Это значение возникает из-за приложения напряжения к ОПН и должно определяться его омическим сопротивлением. Также возможно определение параметрами резисторов. В нормальном состоянии эта характеристика должна составить сотые или тысячные доли ампер, которые перетекают от источника тока к проводу заземления через рубашку к полупроводнику.
• Разрядный ток. Образуется при скачках импульса. Разделяется на виды импульсов в зависимости от источника перенапряжения: электромагнитные, коммутационные, атмосферные.
• Устойчивость к току волны перенапряжения. Величина, определяющая способность ограничителя сохранять работоспособность при возникновении аварийной ситуации.

Диагностика и обслуживание ограничителей перенапряжения

Ограничители перенапряжения – элементы не для одноразовой эксплуатации. Они могут сработать несколько раз, многократно автоматически переводя импульсный разряд на заземляющую шину. Ограничитель перенапряжения может постепенно утрачивать первоначальные заводские характеристики, снижая свою эффективность до окончательного выхода из строя из-за величины перенапряжения и особенностей протекания тока. Для предотвращения полной поломки устройств, в процессе эксплуатации их периодически подвергают проверкам. Это регламентируется в п.2.8.7 ПТЭЭП.

В проверке участвуют следующие параметры:

• Сопротивление. Измерение проводится с помощью мегаомметра, минимум 1 раз в 6 лет.
• Ток проводимости. Проверка необходимо только в случае, если предыдущий параметр снижен.
• Пробивное напряжение и герметичность не проверяются организациями, занимающимися электроснабжением и эксплуатацией устройств. Эти характеристики подлежат проверке только после заводского ремонта или при приёме в эксплуатацию.
• Тепловизионные измерения должны выполняться в соответствии с регламентом изготовителя или местными планово-предупредительными ремонтами.

В процессе эксплуатации также производится внешний осмотр ограничителя на наличие изоляционных дефектов. К ним относятся загрязнения, сколы, подгоревшие участки и прочее.

Ограничители перенапряжения

Ограничитель ОПН — устройство, которое следует купить для защиты электротехники от избыточного напряжения. Оно может возникнуть в цепи по ряду причин. Подобная ситуация возникает при попадании грозового разряда или может связана с коммутацией цепи.

Как только в сети увеличиваются показатели напряжения, сила тока также возрастает. В подобных условиях снижается сопротивление ограничителя ОПН, что в свою очередь продуцирует сброс перенапряжения независимо от источника его возникновения, данная способность устройства обусловлена его нелинейной вольтамперной характеристикой.

Изменение показателей сопротивления происходит с высокой скоростью, благодаря чему ограничитель быстро реагирует на повышение силы тока и уменьшит избыточное напряжение в течение минимального периода времени. К преимуществам ОПН относится не только оперативность срабатывания, но и безопасность. Ограничитель перенапряжений не создает искру при сбросе напряжения, что исключает риск возгорания. Такие устройства используют на подстанциях, производственных предприятиях и других объектах, где в атмосфере присутствуют легковоспламеняющиеся вещества и взрывоопасные испарения.

Материалы изготовления конструкций ОПН

Благодаря ОПН происходит сбрасывание перенапряжения, что помогает избежать разрушения изоляционного слоя и поломки электротехники. Ограничитель марки ОПН выгодно отличается от разрядников вентильного типа с тиритовыми резисторами, которые выделяют искру.

Для изготовления нелинейных резисторов используется оксид цинка. Изделия помещают в

оболочку из полимерного материала или фарфора. Благодаря оксидно-цинковым резисторам устройства можно широко применять для сбрасывания перенапряжений. Изделия не имеют временных ограничений по устойчивости к рабочему напряжению в системе. Покрышка из фарфора или полимера надежно защищает резисторы от факторов внешней среды, обеспечивая эксплуатационную надежность.

По размерам и весу ОПН меньше по сравнению с традиционными разрядниками, что также является преимуществом такого изделия. Ограничители можно использовать в условиях повышенной влажности, они устойчивы к изменениям температуры и воздействию ультрафиолета.

Технические характеристики ограничителей перенапряжения (ОПН)

ОПН обладают рядом характеристик, которые соответствуют госстандартам и определяют возможность использования оборудования:

• Аббревиатурой Uc обозначают наибольшее длительно действующее рабочее напряжение. Оно может оказывать непрерывное воздействие на ОПН в течение всего срока эксплуатации изделия, но при этом это не вызывает повреждений или термической
• неустойчивости ограничителя.
•  «Ток проводимости- ток, который проходит через ОПН под влиянием напряжения. Величина такого показателя равна нескольким сотням микроампер.
• Устойчивость ОПН к изменяющемуся показателю напряжению означает, что ограничитель способен без повреждений выдерживать повышенный уровень напряжения в течение определенного срока. Исходя из данного параметра, выполняется настройка ЗО ОПН по завершению определенного времени.
•  «Номинальный разрядный ток» — ток, по которому определяется защитный уровень ограничителя при импульсном воздействии 8/20 мкс.
• Расчетный ток коммутационного избыточного напряжения определяет защитный уровень устройства при возникновении перенапряжений с импульсным воздействием 30/60 мкс, связанных с авариями или изменениями рабочих параметров аппаратуры.
• Показателем предельного разрядного тока обозначается максимальное значение грозового разрядного тока с импульсом 4/10 мкс. Данный параметр учитывается во время
• проверки степени молниезащиты ОПН, если грозовой разряд попадет в устройство.
•  «Токовая пропускная способность» — рабочий ресурс ОПН при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок. По этому параметру ограничители подразделяются на 5 классов.

Еще одна важная характеристика – устойчивость устройства к короткому замыканию. Она означает, что даже в случае повреждения ограничитель сможет выдержать воздействие токов КЗ без взрыва покрышки резисторов.

Конструкция изделий

Производством ограничителей занимается множество крупных российских и зарубежных фирм, которые специализируются на разработке и изготовлении различных видов электротехнической продукции. Устройства выпускаются в соответствии с действующими нормативными требованиями, которые регламентируют габариты прибора, свойства материала корпуса, схему монтажа изделия в электроустановку.

Кроме единства конструктивных особенностей, ограничители должны соответствовать следующим требованиям:

• Корпус прибора должен иметь класс защиты не ниже IP20;

• Устройство должно быть абсолютно пожаробезопасным. Даже если в результате перегрузки прибор выйдет из строя, он не должен создать угрозу возгорания;
• Изделия снабжены специальной системой индикации, по которой можно отследить момент выхода устройства из строя. Также к ограничителю подключается сигнализация, которая работает дистанционно.

ОПН характеризуются простотой монтажа. Их можно установить на DIN-рейку, подключить автоматические предохранители разных брендов.

Эксплуатационные требования

Чтобы ОПН смогли реализовать свои защитные свойства, необходимо соблюдать условия эксплуатации оборудования:

• Температурный диапазон составляет от -50 до +45С, благодаря чему приборы можно использовать в условиях умеренного, холодного и жаркого климата;
• Максимальная высота над уровнем моря при установке составляет 1000 метров;
• Относительная влажность при температуре до 20С° не должна превышать 90%.

При соблюдении правил установки и использования прибор способен прослужить не менее 30 лет.

Оформление заказа на ограничители перенапряжения

Компания «Эсполин» – известный поставщик электротехнической продукции и поставщик ОПН на территории России и СНГ. Ассортимент продукции представлен в нашем каталоге. Вы можете в любое время заказать товар онлайн или связаться с нами по телефону. Отгрузка товара выполняется в минимальные сроки. Продукция может быть отправлена в любой регион страны.

ОПН 10 кВ. Ограничители перенапряжений ОПН 10 УХЛ1; ОПНп 10 III УХЛ1; ОПН п 10 УХЛ2

Ограничители перенапряжений ОПНп-10 УХЛ1; ОПН 10 УХЛ1; ОПНп 10 III УХЛ1; ОПН п 10 УХЛ2

Ограничители перенапряжения ОПН 10 и ОПНп 10 в фарфоровых (ОПН) или полимерных (ОПНп) покрышках на основе оксидноцинковых варисторов без искровых промежутков предназначены для защиты электрооборудования сетей с изолированной нейтралью класса напряжения 6 кВ переменного тока частоты 50 Гц от атмосферных и коммутационных перенапряжений.

Ограничитель перенапряжений OПНп 10 УХЛ1

технические параметры OПНп — 10 УХЛ1
(Microsoft Word, 68 Кб)

Основные технические характеристики ограничителей перенапряжения ОПН 10 и ОПНп 10

Параметр ограничителя	ОПНп-10 УХЛ2	ОПН-10 УХЛ1	ОПНп 10 III УХЛ1
Номинальное напряжение, кВ	10,0
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	10,0;   10,5;   11,0;   11,5;   12,0;   12,7
Остающееся напряжение при импульсном токе 1,2/2,5 мс с амплитудой 300 А, не более, кВ	28. 0	28.0	28.0
Остающееся напряжение при импульсном токе 8/20 мкс с амплитудой: 1000 А, не более, кВ 5000 А, не более, кВ	33,0 35,0	33,0 35,0	33,0 35,0
Пропускная способность: 20 воздействий импульсов тока 8/20 мкс с амплитудой, А 1,2/2,5 мс с амплитудой, А	1000 300; 400; 500; 550
Масса не более, кг	1,4	4,2	2,0
Обозначение технических условий	ТУ 3414-004-31911579-2007
Высота,мм	160	250	180
Длина пути утечки внешней изоляции, см	25	24,5	35,5	35,5

Основная номенклатура ОПН 10, 15 и 20 кВ:

• ОПН-10/12,0/10/550 I УХЛ1
• ОПН-П-10/(9,5-12,7)/10/550 УХЛ2
• ОПН-П-10/(9,5-12,7)/10/550 III УХЛ1
• ОПН-П-10/(9,5-12,7)/10/650 III УХЛ1
• ОПН-15/18,0/10/550 I УХЛ1
• ОПН-П-15/18/10/550 III УХЛ1
• ОПН-20/24/10/550 УХЛ1
• ОПН-П-20/24/10/550 III УХЛ1

Изготавливаются ОПН-10 с Uдлит. от 9,5 до 12,7 кВ

Ограничитель перенапряжения ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1

Класс напряжения сети: 110 кВ
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя Uнд: 56 кВдейств
Номинальный разрядный ток (грозовой импульс тока 8/20 мкс): 10000 А
Классификационное напряжение при активной составляющей переменного тока 1 мА, кВ ампл.,: не менее 129
Пропускная способность ограничителя:
                                          а) 20 импульсов тока прямоугоньной формы длительностью 2000 мс с амплитудой: 550 А
                                          б) 20 импульсов тока 8/20 мкс с амплитудой: 10 кА
                                          в) 2 импульса большого тока 4/10 мкс с амплитудой: 100 кА
Масса: 16 кг (опорное исполн.), 16,5 кг (подвесное исполн.) 

нтсрукция

Ограничитель перенапряжения ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1 предназначен для защиты электрооборудования сетей класса напряжения 110 кВ переменного тока частотой 50 Гц от коммутационных и грозовых перенапряжений.

Структура условного обозначения ограничителя ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1:

О — ограничитель
П — перенапряжений
Н — нелинейный
п — в полимерном корпусе
110 — номинальное напряжение ограничителя, кВ
56 — Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ
10 — Номинальный разрядный ток, кА
550 — Пропускная способность, А
УХЛ1 – климатическое исполнение по ГОСТ 15150

Ограничитель перенапряжения ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1 предназначен для работы в районах с умеренным и холодным климатом и промышленной атмосферой при сильном загрязнении внешней среды на открытом воздухе. Предельное верхнее значение температуры окружающей среды – плюс 45°С, нижнее – минус 60°С. Высота установки ограничителей перенапряжений ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1 – не более 1000 м над уровнем моря.

Рабочее положение ограничителей перенапряжения ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1 вертикальное. Допускается отклонение от вертикали ограничителей ОПНп опорного исполнения не более 15°.

Ограничители ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1 представляют собой защитные аппараты опорного исполнения, содержащие оксидно-цинковый варистор, заключенный в герметизированный корпус из кремний-органической резины (для категории размещения «1») или полимерного материала (для категории размещения «2»). При возникновении волн перенапряжения сопротивление варисторов изменятся на несколько порядков (от мегомов до десятков Ом) с соответствующим возрастанием тока от миллиампер при воздействии рабочего напряжения до тысяч ампер при воздействии волны перенапряжения. Этим объяснятся защитное действие ограничителя перенапряжения, а выконелинейная вольтамперная характеристика варисторов позволят реализовать низкий защитный уровень для всех видов перенапряжений и отказаться от использования искровых промежутков, характерных для традиционных разрядников, со всеми вытекающими отсюда преимуществами.

Ограничители перенапряжений ОПНп-110/56/10/550 УХЛ1 соответствует требованиям технических условий ТУ 3414- 001-59487440-2003.

Встроенные ограничители напряжения для автомобилей

Аннотация: Обсуждается типичная блок-схема, показывающая путь питания в базовом блоке питания для автомобильных приложений. В этой статье описывается, как интегрировать активный ограничитель напряжения в эту базовую конструкцию источника питания. Описаны преимущества интеграции ограничителя напряжения. Несколько активных ограничителей напряжения от Maxim служат примерами такого конструктивного подхода.

Введение. Структура типичного автомобильного источника питания

На рис. 1 показана упрощенная структура автомобильного блока питания.

Рис. 1. Базовая схема автомобильного блока питания состоит из трех указанных выше компонентов.

Эта блок-схема содержит следующие блоки:

• Цепь пассивной защиты : ограничивает положительное напряжение шины питания +12 В и блокирует отрицательное напряжение.
• Схема активной защиты : ограничитель напряжения, который работает очень похоже на схему пассивной защиты, но использует активные компоненты, такие как транзисторы, вместо пассивных компонентов. Следовательно, она имеет лучшее соотношение массы и меньших размеров, чем пассивная конструкция с теми же электрическими характеристиками.
• Импульсный или линейный регулятор напряжения : обеспечивает надлежащее напряжение и ток для заданной нагрузки или нагрузок в многоканальных источниках питания.

Конкретные технические характеристики этих компонентов могут варьироваться от одного приложения к другому. Хотя в некоторых приложениях некоторые из этих элементов отсутствуют, их отсутствие в целом отрицательно скажется на электрических характеристиках.На самом деле отсутствие одного из вышеперечисленных узлов усложнит технические требования и конструкцию.

Встраивание ограничителя напряжения в блок питания

Теория активного ограничителя напряжения довольно проста. Между входом и выходом устройства находится полевой МОП-транзистор. Ограничитель напряжения управляет затвором этого транзистора. В нормальных рабочих условиях полевой МОП-транзистор открыт, и на нагрузку подается питание. Если напряжение превышает заданный порог, ограничитель напряжения отключает внешний МОП-транзистор и нагрузку.

Внутренняя структура самого простого ограничителя напряжения и типовая схема применения представлены на рис. 2 .

Рис. 2. Блок-схемы, например, 72 В, переключатели/ограничители защиты от перенапряжения с внешним полевым МОП-транзистором. На схеме для MAX6495–MAX6499 показаны устройства в режиме перенапряжения; MAX6495 показан в виде функциональной схемы.

В этом базовом ограничителе напряжения V _IN питает внутреннюю цепь.Максимальное напряжение на В _В 80В. Делитель напряжения на входе ОВСЕТ задает регулируемый порог перенапряжения. Использование внутреннего зарядового насоса для питания затвора недорогого n-канального МОП-транзистора снижает цену устройства. Помимо обеспечения порога повышенного напряжения, эти ИС реализуют нерегулируемый порог пониженного напряжения.

В другом подходе реализован ограничитель оконного напряжения с регулируемыми порогами. На рис. 3 показан пример этого приложения.

Рис. 3. MAX6499 сконфигурирован как оконный детектор повышенного/пониженного напряжения (слева) и показан на его базовой функциональной схеме (справа).

В этом случае ограничитель напряжения блокирует полевой МОП-транзистор и нагрузку от условий пониженного и повышенного напряжения. Диапазон выходного напряжения может быть очень ограниченным (т. е. узким), что снижает технические требования к диапазону входного напряжения регулятора напряжения. Следовательно, этот регулятор напряжения можно значительно упростить и удешевить.Кроме того, для некоторых аудиоприложений не требуется высокоточная регулировка напряжения. В этих приложениях эта конструкция ограничителя напряжения устраняет необходимость в регуляторе.

Как мы видели выше, делитель напряжения управляет входным напряжением на ИС на рис. 2. Делитель также может быть переподключен к выходу ограничителя напряжения, как это показано на рис. 4 . В последнем примере делитель напряжения ограничивает напряжение на нагрузке, а не отключает ее. Процесс ограничения напряжения носит периодический характер, как видно из рабочих характеристик.Период колебаний зависит от нагрузочной способности и тока нагрузки и, таким образом, варьируется в широких пределах. Это периодическое колебание содержит две стадии; первый этап переводит полевой МОП-транзистор в активный режим, а второй этап выключает его.

Рис. 4. Здесь устройства сконфигурированы как защитный выключатель с ограничением по перенапряжению; показаны данные производительности. C _IN = 100 мкФ; C _ВЫХ = 10 мкФ; R _ВЫХ = 100 Ом.

Конфигурация на рис. 4 периодически переводит полевой МОП-транзистор в активный режим, что приводит к рассеиванию мощности на этом МОП-транзисторе.Таким образом, необходимы специальные усилия для предотвращения перегрева полевого МОП-транзистора. Таким образом, ИС содержит внутреннюю защиту от перегрева с порогом около +160°C. И микросхема, и полевой МОП-транзистор отключаются при превышении этой температуры; после остывания до +140°С возвращаются в нормальный режим. Для реализации этого приложения микросхема должна быть размещена с хорошим тепловым контактом как можно ближе к МОП-транзистору.

Хорошо известно, что шина питания платы может содержать как отрицательные, так и положительные всплески напряжения.Отрицательное напряжение может быть заблокировано схемой защиты на основе пассивных компонентов или специальной ИС. Внутренняя структура этой конструкции с обратной защитой показана на рис. 5 для MAX6496.

Рис. 5. MAX6496 показан как ограничитель перенапряжения со схемой защиты от обратного тока с малым падением напряжения (слева) и с функциональной схемой (справа).

Помимо работы в качестве типичного ограничителя положительного напряжения, MAX6496 содержит p-канальный затвор MOSFET, который удерживает дополнительный MOSFET во включенном состоянии при положительном напряжении и в выключенном состоянии при отрицательном входном напряжении. Эта схема может быть более полезной, чем обычный диод Шоттки, при высоком токе нагрузки и низком минимальном входном напряжении.

Резюме

Каждый из ограничителей напряжения, обсуждаемых в этих указаниях по применению, имеет определенные параметры, дополняющие общие характеристики устройств. Каждый ограничитель напряжения имеет максимальное входное напряжение 72 В, если нагрузка включена, или 80 В, если нагрузка отключена. В следующей таблице приведены основные характеристики ИС ограничителя напряжения.

Номер детали	Пакет	Ток покоя, мкА	МОП-транзистор Тип	Автоматический повтор	Защелка вверх	Программируемый ограничитель напряжения	Реверсивная защита аккумулятора	Порог отключения при пониженном напряжении (В)	Встроенный регулятор напряжения	Включить вход	Выход PowerOK
МАКС6495	6/ТДФН	24	п		х	х		5
МАКС6496	8/ТДФН	24	н + р	х		х	х	5
МАКС6497	8/ТДФН	15	п		х			5			х
МАКС6498	8/ТДФН	15	п	х				5			х
МАКС6499	8/ТДФН	15	п	х	х	х		Прил.
МАКС6397	8/ТДФН	37	п	х		х			х		х
МАКС6398	6/ТДФН	11	Н	х		х
МАКС6399	8/ТДФН	10	Н	х	х	х					х
МАКС16010	8/ТДФН	20	—							х	х
МАКС16011	8/ТДФН	20	—							х	х
МАКС16012	6/ТДФН	20	—								х
МАКС16013	6/ТДФН	20	Р	х		х	х			х
МАКС16014	6/ТДФН	20	Р		х		х			х

© , Максим Интегрейтед Продактс, Инк.

Содержание этой веб-страницы защищено законами об авторском праве США и других стран. Для запросов на копирование этого контента, свяжитесь с нами.

maxim_web:en/products/interface/signal-line-protection-ics,maxim_web:en/products/power/supervisors-voltage-monitors-sequencers

maxim_web:en/products/interface/signal-line-protection-ics,maxim_web:en/products/power/supervisors-voltage-monitors-sequencers

Ограничители

Guarded Limiters улучшают динамический диапазон датчиков с высоким импедансом

Измерение сигналов от датчиков с чрезвычайно высоким импедансом является сложной задачей.Эти датчики могут иметь выходное сопротивление в тераомах (1 × 10 ¹² Ом). Крошечные сигнальные токи, поступающие от датчиков, таких как цилиндры Фарадея и фотодиоды, требуют для измерения усилителей уровня электрометра. Эти усилители могут разрешать токи величиной до 1 фемтоампера (1 × 10 90 468 –15 90 469 А) в конфигурации трансимпедансного усилителя (TIA). Многие приложения требуют защиты этих цепей от превышения диапазона. Компоненты защиты дороги и ухудшают характеристики схемы.В этой статье объясняются эти схемы защиты, а также методы повышения производительности при снижении затрат.

Потребность в защите

Датчики с токовым выходом

с высоким импедансом предназначены для работы при нулевом смещении напряжения. Схема TIA приводит напряжение на датчике к 0 В. Нулевое напряжение датчика возможно, когда весь ток датчика проходит через резистор обратной связи. Отрицательная обратная связь приводит к выходному напряжению усилителя, которое вызывает протекание необходимого тока через резистор обратной связи.Требуемое выходное напряжение равно току датчика, умноженному на сопротивление обратной связи по закону Ома.

Размах выходного напряжения усилителя ограничивает максимальный ток через резистор обратной связи. Напряжение датчика не может поддерживаться на нуле, когда ток датчика больше, чем максимальный ток резистора обратной связи. Избыточный ток увеличивает напряжение датчика до тех пор, пока альтернативный путь не сможет его поглотить. Устройства защиты от электростатического разряда (ЭСР) в усилителе обычно поглощают этот избыточный ток.

Многие приложения не могут допустить такого выхода за пределы диапазона, поскольку он может иметь длительное время восстановления и может мешать другим каналам. Длительное время восстановления связано с емкостью, которую необходимо разряжать. Все датчики, кабели и входная емкость должны быть разряжены через резистор обратной связи. Резистор обратной связи ограничивает скорость разряда. Что еще хуже, диэлектрическое поглощение этих изоляторов создает остаточные токи в ответ на изменение напряжения. Для полного исчезновения этих остаточных токов могут потребоваться минуты или часы.Помехи — еще одна проблема в системах с несколькими датчиками, расположенными в непосредственной близости друг от друга. Изменение напряжения на перегруженном датчике емкостно связано с соседними каналами. Эта емкость связи подает ток и искажает измерения соседних каналов.

Цепи ограничителя

Цепь ограничителя обратной связи необходима, чтобы избежать проблем с превышением диапазона. Ограничители обратной связи включают в себя элемент нелинейной обратной связи, который может обрабатывать большие величины тока без высоких напряжений, ограничивающих выходной сигнал усилителя.Простая схема ограничителя обратной связи добавляет диод параллельно резистору обратной связи (рис. 1). При снижении выходного напряжения диод (D ₁ ) начинает проводить некоторый ток от датчика. Экспоненциальная характеристика диода позволяет ему работать с очень большими значениями тока датчика без ограничения выходного сигнала усилителя.

Рис. 1. TIA с диодным ограничителем.

Диод, используемый для ограничителя, должен быть выбран правильно, чтобы не нарушить работу схемы; это сложная задача для схем TIA с очень высоким импедансом. При низких выходных напряжениях диод ведет себя как резистор, сопротивление которого зависит от тока насыщения (I _S ). Это сопротивление обычно называют шунтирующим сопротивлением диода. Сопротивление шунта параллельно резистору обратной связи, поэтому оно должно быть намного больше, чем резистор обратной связи, чтобы избежать искажения передаточной функции TIA. Это сложно, потому что сопротивление шунта имеет экспоненциальную зависимость от температуры; его значение уменьшается вдвое при повышении температуры на каждые 10°C.Огромные сопротивления обратной связи, используемые в схемах электрометров, требуют тщательного выбора диода. Эти компоненты требуют специально разработанных диодов с малой утечкой или затворного диода небольшого дискретного JFET. Эти специальные диоды обычно довольно дороги, по несколько долларов каждый.

Экспоненциальная вольтамперная характеристика диода также является причиной серьезного ограничения этой схемы. Как только приложенное напряжение (V _A ) становится больше, чем тепловое напряжение (kT/q), начинает преобладать экспоненциальная характеристика. Линейность схемы простого ограничителя TIA начинает ухудшаться, когда величина выходного напряжения превышает тепловое напряжение. Тепловое напряжение составляет всего 26 мВ при комнатной температуре, что значительно ограничивает динамический диапазон схемы.

Можно уменьшить ограничения выходного диапазона простого ограничителя, используя методы защиты (Рисунок 2). Напряжение на ограничительном диоде (D ₁ ) обнуляется резистором R ₁ . Это напряжение (V _GUARD ) может быть снято усилителем через выходной диод (D ₂ ).Ограничение обратной связи начинается, как только V _GUARD превышает тепловое напряжение, позволяя D ₁ проводить ток. Резистор R ₁ может быть рассчитан таким образом, чтобы для создания этого падения напряжения требовался значительный ток от D ₂ . Например, для резистора 1 кОм требуется 26 мкА тока диода, чтобы вызвать падение на 26 мВ; это значительно больше, чем десятки фемтоампер, требуемые простым ограничителем. Эти большие токи снижают требования к выходному диоду. Для D ₂ можно использовать обычные диоды вместо специальных диодов, необходимых для D ₁ .Эта схема позволяет регулировать выходной диапазон, заменяя D ₂ последовательной цепочкой диодов или одним стабилитроном. Эти схемы также могут быть модифицированы для двунаправленного ограничения путем замены каждого диода соответствующими встречно-параллельными диодами или встречно-параллельными стабилитронами.

Рис. 2. TIA с ограничителем на защищенном диоде.

Защищенная схема обеспечивает значительное улучшение характеристик по сравнению с простым диодным ограничителем, но все еще зависит от производительности дорогого диода D ₁ .Эти ограничения по цене и производительности можно устранить, используя электрометрический усилитель, который имеет внутренний защитный буфер с защитными штифтами. Одним из таких усилителей является ADA4530-1. ¹ Внутренний защитный буфер этого усилителя управляет диодами защиты от электростатических разрядов с защитным напряжением. Это защитное напряжение удерживает входной ток смещения на низком уровне, устраняя падение напряжения на диодах ESD. Эти диоды ESD специально разработаны для очень низких токов утечки.

Эти встроенные диоды ESD можно использовать в схеме защитного ограничителя (рис. 3).Диоды ESD теперь выполняют функцию специального диода D ₁ . Защитный буфер имеет выходное сопротивление 1 кОм, которое работает как резистор R ₁ . Единственным внешним компонентом является выходной диод D ₂ . Этот выходной диод подключается между защитным контактом (вывод 7) и выходным напряжением. Цепь начинает ограничиваться, когда на узле V _GUARD создается тепловое напряжение.

Рис. 3. Диодный ограничитель электростатического разряда с защитой TIA.

Результаты измерений

Схема TIA на 100 ГОм была построена для сравнения характеристик простого диодного ограничителя, использующего специальный диод с малой утечкой, с защищенным ограничителем, использующим диоды ESD. Каталожные номера всех используемых компонентов приведены в Таблице 1. Отладочная плата электрометрического усилителя была модифицирована для создания этих схем. Важно отметить, что выход защиты усилителя не следует использовать для управления защитными кольцами, поскольку его напряжение изменяется. Защитные кольца должны управляться сигнальной землей, взятой со входа неинвертирующего усилителя.

Цепи оценивались путем подачи в цепь испытательного тока от электрометрического источника-измерителя (SMU) (Keithley 6430) и измерения выходного напряжения с помощью высокоточного цифрового мультиметра (Keysight 3458a). Все испытания проводились при 25°C с источниками питания ±5 В. Испытательный ток находится в диапазоне от 10 фА до 100 пА, а выходное напряжение — от 1 мВ до 5 В (рис. 4). Линейность оценивается путем построения графика разницы между идеальным выходным напряжением и фактическим выходным напряжением (рис. 5). Базовая производительность установлена ​​без какого-либо ограничителя обратной связи (черные кривые). Без ограничения ошибка составляет менее 1 мВ, пока выходной сигнал усилителя не качается на шину питания.

Рис. 4.Передаточная функция TIA для измеряемых ограничителей.

Рис. 5. Ошибка передаточной функции TIA для измеренных ограничителей.

Простая схема диодного ограничителя реализована с использованием диода PAD1 с малой утечкой. Диод PAD1 является обычным выбором для такого рода приложений. Характеристики простого ограничителя (красные кривые) идентичны базовой линии при малых испытательных токах. Это означает, что сопротивление тока насыщения диода значительно превышает 100 ГОм (при 25°C). Как и ожидалось, выходной диапазон довольно ограничен; ошибка выхода превышает 1 мВ при испытательном токе 600 фА.Этот уровень испытательного тока соответствует диапазону выходного напряжения 60 мВ.

Диодный ограничитель с защитой от электростатических разрядов (рис. 3) оценивался с использованием недорогого выходного диода 1N4148 (D ₂ ). Опять же, характеристики защищенного ограничителя (синие кривые) соответствуют базовым характеристикам при малых испытательных токах. За эти хорошие характеристики отвечают диоды ESD с малым током утечки, встроенные в усилитель электрометра. 1N4148 просто обеспечивает ток обратной связи. Динамический диапазон также улучшен, требуя 2.5 пА испытательного тока до того, как погрешность превысит 1 мВ. Это соответствует выходному диапазону 250 мВ, что является улучшением в 4 раза.

Гибкость этой схемы была продемонстрирована заменой выходного диода на стабилитрон 1N5230. При низких испытательных токах эта схема работает так же, как базовая схема (зеленые кривые). Динамический диапазон расширен за пределы стандартного диода. Требуется испытательный ток 10 пА, прежде чем погрешность превысит 1 мВ. Это соответствует выходному диапазону 1 В. Эта схема начинает ограничивать токи Зенера намного меньше указанного 1 мА для достижения 4.Номинальное напряжение пробоя 7 В. Желательно эксплуатировать стабилитрон на его номинальном пробое для наибольшего динамического диапазона с пониженной температурной чувствительностью. Доступны диоды Зенера с меньшим током, например 1N4624. Рабочий ток также можно увеличить, добавив внешний резистор между V _GUARD и сигнальной землей. Резистору 27 Ом потребуется ток Зенера 1 мА, чтобы снизить тепловое напряжение на диодах ESD.

В заключение, интерфейсы датчиков электрометрического класса часто требуют схем ограничения обратной связи.Эти схемы требуют специальных диодов, которые стоят несколько долларов каждый. Эти специальные диоды можно заменить диодами электростатического разряда электрометрического усилителя с выходом защитного буфера, например, ADA4530-1. Этот подход создает высокопроизводительный ограничитель, для которого требуется только один внешний компонент, стоящий копейки за штуку.

использованная литература

¹ ADA4530-1. Аналоговые устройства.

(PDF) Исследование работы ограничителя напряжения в импульсном режиме

IOP Conf.Серия: Материаловедение и инженерия 1019 (2021) 012092

Рис. 1. Схема расположения компонентов для процесса диффузии: 1 – кварцевый картридж, 2 – базовые кристаллы,

3 – прокладки, 4 – диффузант p+-типа, 5 – диффузант n+-типа.

Сам процесс диффузии осуществляется в камере печи. Температурный профиль диффузионного процесса

включает нагрев системы от 650 ºC до 1250 ºC в атмосфере азота

, выдержку в течение 48 часов и затем охлаждение до 650 ºC в среде сухого кислорода.Использование

«периодического» метода диффузии при внедрении в кремний примесей бора и фосфора позволило

снизить поверхностное сопротивление p+-слоя до 1,1–1,2 Ом/квадрат, n+-слоя

до 0,3-0,4 Ом/квадрат, в отличие от значений, достигнутых для диффузии из газовой фазы, которые составляют

2,2 — 1,8 Ом/квадрат. Для предлагаемого метода на участке глубиной до 25 мкм получают удельное сопротивление

, близкое по значению к поверхностному сопротивлению, которое затем достаточно резко возрастает на

3–4 порядка, создавая скачкообразное p−n-переход.

Распределение примеси по толщине базовой области, а также глубину залегания

p−n перехода определяли путем анализа структуры поперечного сечения кристалла

с помощью сканирующего электронного микроскопа (РЭМ) .

Расчетное значение коэффициента диффузии составило 7,47×10–12 см2/с. Глубина диффузии бора

в кремний увеличивается сублинейно в зависимости от времени диффузии и в 48-часовой точке

достигает значений 50–70 мкм.Аналогичная зависимость имеет место и в процессе диффузии

фосфора. Таким образом, можно считать, что толщина диффузионных областей с одной стороны, p+-типа, составляет

около 60 мкм в глубину, а с другой стороны, n+-типа, 70 мкм.

Учитывая низкую скорость термодиффузии и электродиффузии, а также низкую проникающую способность

в кремний, в качестве контактного материала для

полученных p+-n-n+ структур были выбраны следующие системы металлов: V – Ag, Ti – Ni – Au, в этом случае Ag и Au обеспечивают надежность процесса

пайки. Контактные материалы наносились последовательно толщиной

0,1–0,65 мкм. Затем на их поверхности гальванически осаждали слои Ag толщиной 5 мкм,

структуры p+-n-n+ имеют гексагональную форму кристалла (3,4 мм 3,0 мм) площадью 0,0742 см2.

Затем на обеих поверхностях кристаллов были сформированы температурные компенсационные швы путем сплавления

с серебряным припоем толщиной 2–3 мкм. Термокомпенсаторы изготовлены из медного диска толщиной 380 мкм

и диаметром 0.33 см, на обе поверхности которых нанесены слои Ni толщиной 6 мкм

.

Подготовленные таким образом конструкции были установлены в пластмассовые корпуса с металлическими выводами (рис. 2),

спаяны мягким припоем марки «ПСр-2,5» с температурой плавления 295–300 ºC. На основе описанной выше технологии

были изготовлены образцы ограничителей напряжения с различным удельным сопротивлением площади основания и напряжениями пробоя

в диапазоне от 12 до 340 В.

Схемы диодных ограничителей — инженерные знания

Привет, друзья, надеюсь, у вас все хорошо. В сегодняшнем уроке мы рассмотрим схемы диодных ограничителей . В некоторых схемах сигнал переменного тока используется на определенном уровне для достижения этого уровня. Входной сигнал переменного тока ограничен определенными значениями. Схема, используемая для ограничения сигнала на заданном значении, известна как диодный ограничитель. В этих схемах диод включен параллельно входному сигналу.

В некоторых схемах ограничивается только половина волны, поэтому к входному источнику переменного тока подключается один диод. Но если необходимо ограничить полный сигнал или обе половины синусоидального сигнала, то используются два диода. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, схемы, приложения и некоторые связанные параметры. Итак, давайте начнем со схем диодных ограничителей .

Схемы диодных ограничителей

• Диодные ограничители также известны как схемы ограничителя , которые используются для ограничения части сигнала.
• На приведенном ниже рисунке вы можете видеть   диод, подключенный к входному сигналу переменного тока, когда положительная часть входного сигнала попадает на диод, он становится смещенным в прямом направлении.

• В приведенной выше схеме вы можете видеть, что этот положительный сигнал ограничен до +0,7 вольт, поскольку он установлен на это значение.
• Когда входной сигнал идет к отрицательному сигналу, диод теперь находится в состоянии обратного смещения и работает как разомкнутая цепь.
• Выходное напряжение этой схемы можно рассчитать с помощью правила делителя напряжения.

В _вых = (R _L /R ₁ + R _L ) В _в

• Если номинал резистора R2 меньше RL, то выходное напряжение будет равно выходному напряжению.

В _вых = В _вх

• Если мы изменим направление диода, как показано на рисунке   , отрицательная часть входного сигнала будет предельной.

• В этом состоянии диод смещен в прямом направлении во время отрицательного цикла сигнала, и на диоде будет падение -0,7 Вольт.
• Когда значение напряжения превышает -0,7 В, а диод не находится в состоянии прямого смещения, значение напряжения на нагрузочном резисторе равно входному источнику питания.

Ограничители со смещением

• В некоторых условиях требуется напряжение выше 0,7 вольт или -0,7 вольт, в этом случае используются цепи ограничителя со смещением.
• Ограниченное напряжение можно отрегулировать с помощью напряжения смещения. Этот V _BIAS соединен последовательно с диодом, как показано на рисунке ниже.

• Напряжение должно быть равно В _BIAS + 0,7, прежде чем он будет работать в прямом смещении.
• Напряжение V _BIAS удовлетворяет нашим требованиям после добавления 0,7 В.
• После проведения диода все напряжение на входе диода ограничится значением В _BIAS + 0. 7, и значение напряжения выше этого напряжения будет отсекаться или ограничиваться.
• Если нам нужно ограничить отрицательную часть входного сигнала, тогда схемы подключения диода и батареи должны соответствовать приведенному ниже рисунку .

• В этом случае напряжение в точке «А» должно быть ниже -VBIAS – 0,7, чтобы сделать диод смещенным в прямом направлении и ограничить сигнал.
• Если вы измените направление диода, положительный ограничитель улучшит его работу и ограничит входной сигнал до уровня, как показано на рисунке ниже.
  

• Как и положительный ограничитель, отрицательный ограничитель также можно модифицировать и ограничить входное напряжение ниже -VBIAS + 0,7 В, как показано на рисунке ниже.

Смещение делителя напряжения

• Выше мы обсуждали источник напряжения как смещенное напряжение, теперь мы заменим его схемой делителя напряжения из сопротивлений и подадим на него напряжение через источник постоянного тока.
• Значение формулы делителя напряжения определяет напряжение смещения сопротивления.

В _{СМЕЩЕНИЕ} =  (R3/R2 + R3) В _{ПИТАНИЕ}

• На приведенном ниже рисунке показаны положительные и отрицательные ограничители, а также цепи переменного положительного ограничителя.

Применение диодных ограничителей

• Вот некоторые области применения диодных ограничителей.
• Эти схемы используются для создания сигналов и проектирования их физических устройств.
• Обеспечивает защиту любой схемы от скачков напряжения.
• Также восстанавливает амплитуду любого сигнала.
• Используется для ограничения значения напряжения.
• Также используется в телевизорах.
• Передатчики частотной модуляции также состоят из диодных ограничителей или ограничителей.

Итак, друзья, в подробном посте о диодном ограничителе я упомянул все параметры, связанные с диодным ограничителем. Если у вас есть дополнительные вопросы, задавайте в комментариях. Спасибо за чтение. Увидимся в следующем интересном уроке.Хорошего дня.

Автор: Генри

//www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер, выпускник известного инженерного университета, также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также являюсь автором технического контента, мое хобби — исследовать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Почтовая навигация

Микроволны101 | Ограничители

Щелкните здесь, чтобы узнать о конструкции для высокой пиковой мощности (новинка сентября 2011 г.!)

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу по нелинейным устройствам

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу о PIN-диодах

Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу или страницу, посвященную малошумящим усилителям

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу о приемниках

Нажмите здесь, чтобы найти ограничители на всём RF

Новинка сентября 2008 г. ! Ограничители используются для защиты слабых компонентов, таких как малошумящие усилители (МШУ), от паразитных сигналов.Характеристика передачи мощности (показана ниже) ведет себя как усилитель с небольшими потерями, а не усилением. При превышении некоторой критической входной мощности выходная мощность может вести себя довольно странно, что часто описывается как «излом». На графике вы можете увидеть небольшую потерю сигнала (вносимые потери), точку сжатия в один дБ и плоскую утечку.

Ограничитель чаще всего используется для защиты малошумящего усилителя в цепи приемника. МШУ тщательно разработаны для обеспечения низкого коэффициента шума, и для этого используются очень маленькие устройства; маленькие устройства не могут справиться с высокой входной мощностью.Два механизма могут вывести МШУ из строя: нагрев от входного ВЧ-сигнала или перенапряжение из-за ВЧ-напряжения, появляющегося на входном транзисторе. Часто производительность МШУ можно немного изменить из-за высокой входной мощности, не вызывая его отказа. Иметь поврежденный LNA может быть хуже, чем иметь разрушенный LNA, вы никогда не знаете, когда он может выйти из строя.

В радаре паразитный сигнал, который, скорее всего, повредит МШУ, исходит от передатчика, поэтому это импульсный сигнал. Порог повреждения МШУ может несколько измениться в зависимости от коэффициента заполнения импульсного сигнала, но мы рекомендуем вам выполнять тестирование живучести МШУ с непрерывными сигналами, потому что это проще и даст вам наихудший результат.

Одним из методов оценки порога повреждения МШУ является пошаговый стресс-тест, который мы объясним позже. Похоже, в отрасли не существует каких-либо общепринятых стандартов тестирования на выживание, но, по крайней мере, скоро у всех нас будет один метод, на который можно ссылаться.

Плоская течь

Плоская утечка ограничителя относится к выходному сигналу CW, который просачивается через него в условиях высокой входной мощности (см. рисунок выше). Угадай, что? Термин «плоский» является неправильным, в реальных ограничителях утечка будет иметь наклон к нему при любом уровне мощности.

Утечка шипа

Пиковая утечка относится к очень короткой части мощного импульса, который проходит через ограничитель, прежде чем он ограничит сигнал (имеется некоторая задержка при включении PIN-диодов). Утечка шипа часто выражается в единицах энергии, а не мощности. Например, если ограничитель допускает всплеск в 1 ватт в течение 10 наносекунд, утечка всплеска составит 10 наноджоулей.

Мы сказали про утечку шипа, а не протекание шипа

Концевые или отражающие ограничители

Нагрузочные ограничители будут пытаться обеспечить согласование импеданса при любом уровне мощности.Это более сложная конструкция, чем отражающая конструкция, и она не будет иметь такого хорошего отклика (например, больше вносимых потерь или более высокая плоская утечка). мощность, которую вам, возможно, придется рассеивать, что может быть проблемой, если вы разрабатываете ограничитель на MMIC.

Помимо термина «завершающий», другим правильным прилагательным для ограничителя, поглощающего мощность, является «поглощающий». Если вы скажете «поглощающий» или «поглощающий», ваши более умные коллеги будут хихикать и говорить неприятные вещи за вашей спиной…

Технология ограничителя

Твердотельные ограничители чаще всего состоят из PIN-диодов, но также используются диоды Шоттки, полевые транзисторы и другие устройства. Шунтирующий PIN-диод действует как небольшая сосредоточенная емкость для слабых сигналов, а согласующие цепи или пары диодов, разделенные на четверть длины волны, могут вернуть сеть к пятидесяти Ом.

Ограничители на PIN-диодах

могут быть реализованы монолитно (в виде МИС), но наилучшие характеристики дает ограничитель с микросхемой и проводом. В этом случае можно использовать кремниевые PIN-диоды (верят или нет, они работают лучше, чем GaAs).Одна из проблем при сборке ограничителей заключается в том, чтобы получить проводное соединение с диодом, где меза имеет диаметр около 1 мил … если ваша проволока выходит за пределы мезы, вы только что увеличили емкость диода.

Еще не все.

.

²

Jingtao Zhao

¹ Лаборатория наук и технологий на сверхмощных микроволнах, Институт прикладной электроники, Китайская академия инженерной физики, Мьяньян, 621900 Китай

² Key Лаборатория сложных электромагнитных исследований и технологий Environment, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900 China

Quanyou Chen

³ Institute of Electronic Engineering of China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621999 China

Gang Zhao

^{9 1 Лаборатория мощного микроволнового излучения, Институт прикладной электроники, Китайская академия инженерной физики, Мяньян, 621900 Китай}

² Ключевая научно-техническая лаборатория сложных электромагнитных сред, Китайская инженерно-физическая академия, Мьяньян, 621900 Китай

Чаоян Чен

¹ Научно-техническая лаборатория высокомощного СВЧ, Институт прикладной электроники , Китайская академия инженерной физики, Мяньян, 621900 Китай

² Ключевая научно-техническая лаборатория сложных электромагнитных сред, Китайская академия инженерной физики, Мяньян, 621900 Китай

Чжидун Чен

¹ Лаборатория высокомощного СВЧ, Институт прикладной электроники, Китайская инженерно-физическая академия, Мяньян, 621900 Китай

² Ключевая лаборатория науки и техники в области сложных электромагнитных сред, Китайская инженерно-физическая академия, Мяньян, 621900 Китай

¹ Наука и техника на Лаборатория высокомощного СВЧ, Институт прикладной электроники, Китайская инженерно-физическая академия, Мяньян, 621900 Китай

² Ключевая лаборатория науки и техники в области сложной электромагнитной среды, Китайская инженерно-физическая академия, Мяньян, 621900 Китай

³ Институт электронной инженерии Китайской инженерно-физической академии, Мяньян, 621999 Китай

Автор, ответственный за переписку.

Поступила в редакцию 29 октября 2019 г.; Принято 17 января 2020 г.

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете оригинал. автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала.Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Abstract

Положительно-собственно-отрицательные (PIN) диоды широко используются в качестве ограничителей для защиты чувствительных компонентов от повреждений в системах радиочастотных (РЧ) приемников и коммуникационных интерфейсах. Однако ограничители на PIN-диодах могут выйти из строя из-за прохождения СВЧ-импульсов через входные каскады систем ВЧ-приемников. Процессы и механизмы повреждения в PIN-ограничителях, безусловно, важная тема. Здесь процесс накопления повреждений в ПИН-ограничителях, индуцированных внешними СВЧ-импульсами, исследуется с помощью экспериментов по инжекции. Сообщается о взаимосвязи между степенью повреждения (т.е. вносимых потерь) в ограничителях и количеством введенных импульсов. Максимальный температурный критерий выгорания в PIN-ограничителях теоретически предсказан и экспериментально подтвержден неточно, и далее наблюдается, что вносимые потери ограничителя на PIN-диоде значительно изменяются только в том случае, если в ограничитель подается больше энергии с помощью микроволновых импульсов.

Тематические термины: Прикладная физика, электроника, фотоника и физика устройств

Введение

В связи с развитием технологии импульсной мощности, широким использованием радиолокационных и беспроводных систем связи и появлением мощного микроволнового (СВЧ) оружия Электромагнитные среды, в которых работают различные электронные информационные системы, становятся все более сложными. Кроме того, внешние мешающие микроволновые импульсы могут проникать во внутренние электронные системы через антенны и дополнительно повреждать чувствительные модули ^{1 – 3} .Таким образом, для защиты чувствительных компонентов от повреждения внешними мощными СВЧ-импульсами положительно-внутренне-отрицательные (PIN) диоды широко используются в качестве ограничителей в радиочастотных (РЧ) приемных системах и интерфейсах связи ^{3 – 5} .

Однако ограничители на PIN-диодах могут сгореть из-за пропуска СВЧ-импульсов через входные каскады систем ВЧ-приемников, в результате чего ВЧ-приемники больше не будут принимать сигналы обычным образом ^{6 , 7} .Поэтому было проведено множество теоретических, численных и экспериментальных исследований для анализа повреждающего воздействия микроволновых импульсов на ограничители на PIN-диодах. Предыдущие исследования показали, что выгорание перехода, выгорание металлизации и термический вторичный пробой являются основными причинами эффекта выгорания, вызванного микроволновыми импульсами на PIN-диодах ^{8 – 11} . Однако в большинстве этих исследовательских работ основное внимание уделялось влиянию одиночного импульса на ограничители PIN-диодов, а в качестве критерия возникновения разряда рассматривалась максимальная температура в полупроводниковом приборе, достигающая температуры плавления конкретного полупроводникового материала или электродов. явление выгорания ¹ .Однако на практике ограничителям PIN обычно необходимо накапливать несколько или даже сотни импульсов для достижения более очевидного эффекта повреждения. Тем не менее, мало исследований, касающихся кумулятивного действия множественных импульсов на ограничители PIN-диодов, особенно процесса накопления повреждений. Поэтому большое значение имеет изучение механизма накопления повреждений в ограничителях на PIN-диодах.

Таким образом, в этой работе типовые ограничители на PIN-диодах подвергались воздействию различного количества СВЧ-импульсов.Затем, используя измеренные параметры рассеяния (S-параметры), вольт-амперные характеристики (ВАХ) и анализ двухлучевого сфокусированного ионного пучка (FIB) ограничителей на PIN-диодах, мы определили механизм накопления повреждений в ограничителях на PIN-диодах, вызванных этими СВЧ-излучениями. импульсы.

Эксперименты

Основной механизм работы ограничителя на PIN-диоде основан на эффекте модуляции проводимости ¹¹ . В частности, большой входной микроволновый импульс снизит импеданс диода до значительно низкого значения, что приведет к рассогласованию импедансов, которое отразит большую часть мощности входного сигнала в сторону его источника.Типичный ограничитель на PIN-диодах включает одно- или многокаскадные PIN-диоды. В общем случае однокаскадный лимитер может обеспечить изоляцию на уровне 20–30 дБ в зависимости от частоты входного сигнала и характеристик используемых диодов. Однако в большинстве практических случаев требуется значительно большая изоляция для защиты чувствительных компонентов РЧ-приемника, которую могут обеспечить многокаскадные ограничители. Многокаскадные PIN-ограничители с различной толщиной I-слоя могут выдерживать значительно большую входную мощность, обеспечивая при этом низкую выходную мощность плоской утечки ¹² . Поэтому в данной работе в качестве цели выбран многокаскадный ограничитель на PIN-диоде; структура которого показана на рис. . Типичный многокаскадный ограничитель на PIN-диоде состоит из двух PIN-диодов, двух блочных конденсаторов постоянного тока и параллельной катушки индуктивности. Индуктивность параллельного дросселя в нашей работе составляет 1 мкГн, при этом в качестве PIN-диодов используются модели CLA4601 и CDC7630 производства Skyworks. Поперечное сечение меза PIN-диода модели CLA4601 показано на рис. PIN-диод изготовлен из кремния и состоит из трех слоев, а именно слоя P+, слоя I и слоя N+.Толщина слоя I и диаметр анода в PIN-диоде составляют 1 и 27 мкГн соответственно.

Структура многокаскадного ограничителя на PIN-диоде, используемого в нашем исследовании.

Поперечный разрез кристалла меза PIN-диода CLA-4601.

Повреждение PIN-ограничителей, вызванное микроволновыми импульсами, обычно проявляется в виде локальных изменений в материале или структуре устройства; поэтому довольно сложно исследовать кумулятивное воздействие СВЧ-импульсов на PIN-ограничители с помощью численного моделирования. Таким образом, мы в первую очередь изучали механизм накопления повреждений ограничителей PIN-диодов, индуцированных СВЧ-импульсами, в экспериментах по инжекции.

На рисунке показана схема используемой в нашей работе измерительной системы для изучения эффектов накопления повреждений в ограничителях на PIN-диодах при инжекции в нее СВЧ-импульсов. Система измерения разработана на основе механизма приема и инжекции микроволнового излучения и, таким образом, может использоваться для реалистичного воссоздания сценариев практического применения.Эта система состоит из самодельного микроволнового источника, нескольких аттенюаторов, направленного ответвителя, измерителя мощности ВЧ (R&S NRP2), коаксиального детектора (Keysight 8470B) и цифрового осциллографа (LeCroy WavePro 640Zi). Для наших экспериментов система микроволнового источника генерирует серию микроволновых импульсов, которые можно постепенно изменять путем настройки ступенчатого аттенюатора. Кроме того, самодельная система управления синхронизацией во временной области и источник сигнала (Agilent E8257D) используются для управления шириной импульса, частотой повторения и количеством импульсов микроволновых импульсов.

Схема измерительной системы, используемой для изучения эффектов накопления повреждений в ограничителях на PIN-диодах.

Следует отметить, что использование ограничителя мощности СВЧ, как правило, приводит к дополнительным вносимым потерям в приемнике, что увеличивает его коэффициент шума и уменьшает его динамический диапазон ¹³ . Эти вносимые потери являются важным показателем ограничителей мощности микроволн и могут использоваться для оценки степени повреждения ограничителей ПИН, вызванного инжекцией микроволновых импульсов.В этом исследовании частота, ширина импульса, частота повторения и пиковая мощность вводимых микроволн составляют около 5 ГГц, 100 нс, 20 Гц и 2 кВт соответственно. На рисунке показана форма входного сигнала для тестируемого устройства. Время нарастания и время спада формы входного сигнала на рис.  составляет около 6,8 и 9,2 нс соответственно. Для наших экспериментов по изучению эффектов накопления повреждений, вызванных внешними СВЧ-импульсами, мы выбрали 45 ПИН-ограничителей из той же партии, что и на рис. Эти 45 ограничителей были разделены на 15 групп, и в каждую из 15 групп вводили 1, 2, 4, 8, 15, 20, 40, 60, 80, 100, 200, 400, 600, 800 или 1000 микроволновых импульсов. .Вносимые потери (S21) ограничителей PIN при мощности 0 дБмВт были получены с помощью векторного анализатора цепей (Agilent Technologies E8363C) для оценки степени повреждения ограничителей PIN после проведения эксперимента с каждой группой ограничителей.

Образец входного сигнала для тестируемого устройства.

Результаты и обсуждение

Наши экспериментальные данные по эффекту накопления повреждений в ограничителях имеют сильную дискретность, т.е. эффекты микроволнового повреждения даже в одной и той же партии устройств с одинаковыми параметрами были не совсем одинаковыми ¹¹ .Полученные экспериментальные данные обрабатываются для удаления больших и меньших значений вносимых потерь ограничителя ПИН после каждого набора микроволновых параметров и сохранения промежуточного значения вносимых потерь для анализа. Зависимость между вносимыми потерями в ограничителях ПИН и количеством инжектируемых СВЧ импульсов показана на рис. Из рисунка видно, что зависимость между степенью повреждения ограничителя и кумулятивным числом импульсов не является линейной; наоборот, урон сначала увеличивается, затем остается стабильным, а затем снова увеличивается.В частности, степень повреждения PIN-ограничителя первоначально увеличивалась примерно линейно в течение примерно первых 40 импульсов. После этого он почти не изменился, а затем наблюдалось значительное и быстрое повреждение примерно через 600 СВЧ-импульсов.

Зависимость между вносимыми потерями ограничителей PIN и количеством введенных микроволновых импульсов.

Чтобы определить диодный кристалл повреждения ограничителя, мы выбрали ограничители, введенные с 0, 1, 2, 4, 8, 15 и 20 микроволновыми импульсами, чтобы проверить вольт-амперные характеристики (ВАХ) каждого кристалла PIN-диода; электрическая изоляция была достигнута путем удаления золотых проводов на каждом кристалле. Измеренные ВАХ для ограничительных диодов на входе показаны на рис. Было замечено, что ВАХ ограничительного диода изменялись только на входе в зависимости от количества введенных СВЧ-импульсов; Таким образом, мы делаем вывод, что причиной выхода из строя ограничителя PIN-диода является повреждение ограничивающего диода первого уровня типа CLA4601. Следовательно, мы заключаем, что причиной отказа ограничителя PIN-диода, вероятно, является то, что ограничитель CLA4601 вышел из строя под воздействием СВЧ-импульсов. Из рис.видно, что напряжение включения ограничительных диодов на входе становится все меньше по мере увеличения числа инжектов СВЧ-импульсов, а обратный ток утечки продолжает расти до тех пор, пока диод не проявит приблизительную резистивную характеристику. Тем не менее, ВАХ ограничительных PIN-диодов на выходе остаются неизменными и не подвержены влиянию СВЧ-импульсов.

Измеренные ВАХ для ограничительных диодов на входе.

Вносимые потери ограничителя ПИН-кода моделируются в соответствии с ¹⁴ :

( ¹⁾ , Z ₀ обозначают импеданс линии передачи, B _s обратное сопротивление, а полное последовательное сопротивление PIN-диода можно выразить как

8 R

2 , где

2 I , R _{P +} и R _{N +} — сопротивления слоя I, слоя P+ и слоя N+ соответственно.

Поскольку слой P+ сильно легирован и обычно довольно тонкий, его сопротивлением (порядка нескольких мОм) можно пренебречь в большинстве анализов.Толщина слоя N+ является наибольшей из трех диодных слоев, поэтому, хотя его удельное сопротивление мало, сопротивление этого слоя чаще всего составляет порядка десятых долей Ома и его нельзя не учитывать. Слой I достаточно слабо легирован донорными примесями n-типа. Когда к диоду не применяется внешнее прямое смещение, сопротивление этого слоя может составлять от многих сотен до нескольких тысяч Ом.

Как показано на рис. , полное последовательное сопротивление PIN-диода на входе значительно изменяется в течение первых 20 импульсов, что приводит к быстрому уменьшению вносимых потерь PIN-ограничителя, как показано на рис.. Кроме того, по примерной резистивной характеристике PIN-диода можно сделать вывод, что слой I выгорел бы после подачи 20 импульсов. После этого для дальнейшего снижения сопротивления ограничителя необходимо выжечь слой N+. Однако, поскольку толщина слоя N+ в поперечном сечении относительно велика, существенно изменить сопротивление ограничителя затруднительно, и поэтому для достижения такой степени повреждения в ограничителе необходимо подавать больше импульсов.Следовательно, вносимые потери не продолжают увеличиваться по мере увеличения числа импульсов инжекции, а вместо этого остаются стабильными в течение некоторого времени. В частности, вносимые потери не начинают снова ухудшаться до тех пор, пока не будет введено 600 импульсов, что, как мы предполагаем, происходит из-за того, что слой N+ в значительной степени поврежден после введения 600 импульсов.

Для визуального наблюдения за процессом развития повреждения структуры устройства из-за накопления повреждений в PIN-диодах лимитера на входе был проведен физический анализ PIN-диодов лимитера с помощью двухлучевого анализа FIB Cross Section Analysis (FEI Helios 600).Виды поперечного сечения PIN-диодов ограничителя после подачи 2, 4, 15 и 20 импульсов СВЧ показаны на рис. На этом рисунке видно, что в поперечном сечении ограничительного PIN-диода после подачи 2 СВЧ-импульсов нет явных отклонений от нормы; однако после инжекции 4 импульсов на стыке P+-области и I-области появляется абляционное прожоговое отверстие диаметром около 0,03 мкм. Наконец, после подачи 15 импульсов пассивирующий слой и металлический электрод разрушаются, а размер прожогового отверстия продолжает увеличиваться; кроме того, слой I в это время имеет признаки выгорания, а прогары появляются с обеих сторон профиля штампа.Поэтому мы предлагаем использовать другие материалы, такие как стабильные двумерные материалы ^{15 – 22} , в качестве электродов и увеличить толщину слоя I PIN-диодов, чтобы уменьшить повреждение устройств. Однако вносимые потери показывают увеличение только примерно на 3 дБ после подачи 20 импульсов. Таким образом, некорректно устанавливать максимальную температуру в полупроводниковом устройстве в качестве точки плавления конкретного полупроводникового материала или электродов в качестве критерия возникновения явления выгорания. Примечательно, что резка ФИП выполняется по любому диаметру круглой площадки штампа. Поэтому, когда матрица частично сгорает в небольшом диапазоне, в изображении абляции поперечного сечения присутствует определенная случайность.

Физический анализ, выполненный с помощью двухлучевого анализа PIN-ограничителей после подачи ( a ) 2, ( b ) 4, ( c ) 15 и ( d ) 20 микроволновых импульсов.

На рис.. На этих изображениях хорошо видно полное выгорание слоя I в продольном направлении после подачи 40 импульсов. В это время сопротивление слоя I невелико и, как правило, стабильно, что свидетельствует о хороших характеристиках проводника. Однако по мере увеличения количества инжектируемых СВЧ-импульсов область абляции продолжает простираться не только в продольном направлении до объемного Si в области N+, но и простирается к центру устройства в латеральном направлении. Поскольку область N+ громоздка и сильно легирована, следующие несколько сотен импульсов могут незначительно повлиять на сопротивление PIN-диода ограничителя. Однако, как видно из рис. , при увеличении числа инжектируемых импульсов до более чем 800 площадь повреждения штампа ПИН уже достаточно велика; кроме того, можно наблюдать, что часть металлического электрода начинает диффундировать внутрь ограничительного штампа. Более того, в этот момент можно предположить, что сопротивление слоя N+ начинает существенно изменяться, что приводит к быстрому ухудшению вносимых потерь ограничителя. Приблизительное соотношение между общим последовательным сопротивлением PIN-диода и вносимыми потерями ограничителя, заданное уравнением. ¹ графически изображен на рис. ; Из рисунка видно, что из-за выгорания сопротивление I-слоя изменяется примерно от 1000 Ом до нескольких десятков Ом, но это мало влияет на вносимые потери прибора. Однако стойкость приборов значительно снижается, когда начинает выгорать слой N+. Описанный выше анализ согласуется с экспериментальными результатами, показанными на рис. –.

Физический анализ ограничителей PIN с помощью двухлучевого анализа после введения ( a ) 40, ( b ) 80, ( c ) 100, ( d ) 200, ( e ,) 80714, 80714, 80 и ( f ) 1000 микроволновых импульсов.

Зависимость между вносимыми потерями ограничителя и общим последовательным сопротивлением PIN-диодов в процессе накопления повреждений.

Заключение

Таким образом, мы исследовали механизм накопления повреждений, индуцированных внешними СВЧ-импульсами в ограничителях на PIN-диодах. Мы обнаружили, что зависимость между накопленным повреждением ограничителя и количеством введенных СВЧ-импульсов нелинейна; вместо этого он сначала увеличивается, затем остается стабильным, а затем снова резко возрастает.Поскольку повреждение СВЧ-импульсов в ограничителях PIN-диодов является энергетическим эффектом, неточно устанавливать критерий максимальной температуры в полупроводниковом устройстве как температуру плавления конкретного полупроводникового материала или электродов для определения явления выгорания. Кроме того, на основе нашего анализа мы подтвердили, что вносимые потери в ограничителе на PIN-диоде могут быть значительно изменены (на -10 дБ или более) путем подачи большего количества энергии с помощью микроволновых импульсов, что впоследствии приведет к повреждению слоя N+.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 61701461 и 11705172) и Проектом специальной зоны инноваций в области науки и технологий национальной обороны.

Вклад авторов

J.T.Z., G.Z. и C.Y.C. проектировал эксперименты. J.T.Z. и Z.D.C. проводил опыты. J.T.Z. и Q.Y.C. проанализировал данные и написал основную рукопись. Все авторы рассмотрели рукопись.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Сноски

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Ссылки

1. Бэкстрем М.Г., Ловстранд К.Г. Восприимчивость электронных систем к мощным микроволнам: обобщение опыта испытаний. IEEE транс. Электромагн. Совместимость 2004; 46: 396–403. doi: 10.1109/TEMC.2004.831814. [CrossRef] [Google Scholar]

2. Benford, J., Swegle J. A. & Schamiloglu E.Синтаксис ссылок в High Power Microwaves (2-е изд. Тейлор и Фрэнсис) 46–53 (Нью-Йорк, 2007 г.).

3. Йи С.П., Ду З.В. Влияние частоты следования СВЧ-импульсов на эффект теплового выгорания ограничивающе-усилительной системы на PIN-диоде. Микроэлектрон. Надежный 2018; 85: 156–162. doi: 10.1016/j.microrel.2018.04.018. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]4. PIN-ограничительные диоды Cory R. эффективно защищают приемники. ЭДН. 2004; 49: 59–64. [Google Академия]5. Коукер Б. Технология защиты радиолокационного приемника.Микроволновая печь Дж. 2007; 50: 8–24. [Google Академия]6. Леенов Д. Кремниевый PIN-диод как защита от микроволновых радаров мегаваттного уровня. IEEE транс. Электронные устройства. 1964; 11: 53–61. doi: 10.1109/T-ED.1964.15283. [CrossRef] [Google Scholar]

7. Тан, Р. Дж., Уорд, А. Л., Гарвер, Р. В. и Брискер, Х. Утечка, время восстановления и повреждение ограничителя PIN-диода, Microw. Симп. Раскопайте . 275–278 (1988).

8. Чен X, Ду ZW. Влияние частоты следования импульсов на выгорание полупроводниковых приборов под воздействием СВЧ-импульсов.Междунар. Преподобный Электр. англ. 2010;5:2500–2507. [Google Академия]9. Вунш, округ Колумбия, Белл, Р.Р. Определение пороговых уровней отказов полупроводниковых диодов и транзисторов из-за импульсных напряжений. IEEE транс. Нукл. науч. 1968; 6: 244–259. doi: 10.1109/TNS.1968.4325054. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 10. Таска Дм. Режимы отказа импульсной мощности в полупроводниках. IEEE транс. Нукл. науч. 1970; 6: 364–372. doi: 10.1109/TNS.1970.4325819. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 11. Йи СП, Ду ZW. Влияние ширины СВЧ-импульса на эффект теплового выгорания ограничительно-усилительной системы на PIN-диоде.Микроэлектрон. Надежный 2017;75:102–109. doi: 10.1016/j.microrel.2017.06.025. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 13. Паско Р. и соавт. Ограничитель на основе микроплазмы с низкими вносимыми потерями, встроенный в микрополосковый полосовой фильтр. Электрон. лат. 2015;51:1090–1092. doi: 10.1049/эл.2015.1159. [CrossRef] [Google Scholar]

14. Wu, HJ & Gao, XB. Syntax of reference in Chip Technology for Radar T/R Module (1rd ed. National Defense Industry Press), 90-91 (Пекин, 2017).

15. Чжан Ю.П. и соавт.Фотоника и оптоэлектроника с использованием наноструктурированных гибридных перовскитных сред и их оптических резонаторов. физ. Отчет 2019; 795: 1–51. doi: 10.1016/j.physrep.2019.01.005. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 16. Оу К.Д. и др. Сильное истощение в гибридных перовскитных p-n-переходах, индуцированное локальным электронным легированием. Доп. Матер. 2018;30:1705792. doi: 10.1002/adma.201705792. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Сюй Ю.Дж. и др. Индуцированное полем n-легирование черного фосфора для КМОП-совместимой двухмерной логической электроники с высокой подвижностью электронов.Доп. Функц. Матер. 2017;27:1702211. doi: 10.1002/adfm.201702211. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 18. Се ZJ и др. Ультратонкие двумерные неслоистые нанолисты теллура: легкое жидкофазное расслоение, характеристика и фотоотклик с высокой производительностью и повышенной стабильностью. Доп. Функц. Матер. 2018;28:1705833. doi: 10.1002/adfm.201705833. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 19. Ву Л.М. и др. Малослойный сульфид олова: многообещающий 2D-материал, аналог черного фосфора, с исключительно большим нелинейным оптическим откликом, высокой стабильностью и применениями в полностью оптической коммутации и преобразовании длины волны.Доп. Опц. Матер. 2018;6:1700985. doi: 10.1002/adom.201700985. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 20. Се ZJ и др. Выявление сверхбыстрого нелинейного оптического отклика третьего порядка и возможность применения фотоники в двумерном сульфиде олова. Фотоника Рез. 2019;7:494–502. doi: 10.1364/PRJ.7.000494. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 21. Син С.И. и соавт. 2D неслоистые нанолисты селена: простой синтез, фотолюминесценция и сверхбыстрая фотоника. Доп. Опц. Матер. 2017;5:1700884–1700894. doi: 10.1002/адом.201700884. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Хуанг В.К. и др. Аналог черного фосфора моносульфид олова: новый оптоэлектронный двумерный материал для высокоэффективного фотодетектирования с повышенной стабильностью в окружающих/суровых условиях. Дж. Матер. хим. C. 2018; 6: 9582–9593. doi: 10.1039/C8TC03284J. [CrossRef] [Google Scholar]

Принцип работы и характеристики стабилитронов

Зенеровские диоды — это диоды, которые действуют как регуляторы. Используя состояние обратного пробоя PN-перехода, ток стабилитронов можно изменять в широком диапазоне при неизменном напряжении.

Каталог

I Принцип работы стабилитронов

Стабилитроны  – это диоды, которые действуют как регуляторы. Используя состояние обратного пробоя PN-перехода, ток стабилитронов можно изменять в широком диапазоне при неизменном напряжении. Этот диод представляет собой полупроводниковый прибор с очень высоким сопротивлением вплоть до критического обратного напряжения пробоя. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление уменьшается до очень малого значения.В этой области низкого сопротивления ток увеличивается, а напряжение остается постоянным. Стабилитрон бинируется по напряжению пробоя. Из-за этой характеристики стабилитрон в основном используется в качестве регулятора напряжения или элемента опорного напряжения. Стабилитроны могут быть соединены последовательно для использования при более высоких напряжениях, а более высокие стабильные напряжения могут быть получены при последовательном соединении.

Прямая характеристика характеристики вольт-ампер стабилитрона аналогична характеристике обычного диода.Обратная характеристика заключается в том, что когда обратное напряжение ниже обратного напряжения пробоя, обратное сопротивление очень велико, а обратный ток утечки чрезвычайно мал. Однако при приближении обратного напряжения к критическому значению обратного напряжения обратный ток резко возрастает, что называется пробоем. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление внезапно падает до очень малого значения. Хотя ток изменяется в большом диапазоне, напряжение на диодах стабильно вблизи напряжения пробоя, чем достигается стабилизация напряжения на диодах.Полупроводниковые диоды предотвращают обратный ток, но если приложенное обратное напряжение становится слишком высоким, может произойти преждевременный пробой или повреждение.

Стабилитроны аналогичны стандартным диодам с PN-переходом, но они специально разработаны для обеспечения низкого и заданного обратного напряжения пробоя. Он использует любое обратное напряжение, приложенное к нему. Диод Зенера ведет себя как обычный диод общего назначения, выполненный на кремниевой PN-структуре. При прямом смещении анод расположен относительно своего катода и ведет себя как обычный сигнальный диод, пропускающий номинальный ток.Однако, в отличие от обычных диодов, которые препятствуют протеканию тока через себя при обратном смещении, катод становится более положительным, чем анод, и как только обратное напряжение достигает заданного значения, стабилитрон начинает проводить в обратном направлении. Это связано с тем, что когда обратное напряжение на стабилитронах превышает номинальное напряжение устройства, происходит процесс, называемый Лавинный пробой . Слой обеднения полупроводника и ток начинают течь через диоды, чтобы ограничить рост напряжения.

II ВАХ стабилитронов

к отрицательному питанию. Из приведенной выше ВАХ видно, что область характеристики обратного смещения стабилитрона представляет собой почти постоянное отрицательное напряжение, которое никак не связано со значением тока, протекающего через диод, и остается практически неизменным даже при ток сильно различается.Ток стабилитрона остается между током пробоя I Z (min) и максимальным номинальным током I Z (max).

Эта способность самоконтроля может использоваться для регулирования или стабилизации источника напряжения, чтобы предотвратить изменения мощности или нагрузки. Тот факт, что напряжение на диоде в области пробоя почти постоянно, оказался важной особенностью стабилитронов, поскольку его можно использовать в простейших приложениях регулятора напряжения.

Регулятор должен обеспечивать постоянное выходное напряжение на нагрузку, подключенную параллельно.Несмотря на флуктуацию напряжения питания или изменение тока нагрузки, стабилитрон будет продолжать подстраивать напряжение до тех пор, пока ток диода не упадет ниже минимального значения IZ (min) в области обратного пробоя.

III Регулятор на стабилитроне

Стабилитроны могут использоваться для получения стабильного выходного напряжения с низкими пульсациями при различных токах нагрузки. Пропуская небольшой ток от источника напряжения через диод через подходящий токоограничивающий резистор (RS), стабилитрон будет проводить ток, достаточный для поддержания падения напряжения Vвых.

Помните, что выходное постоянное напряжение однополупериодного или двухполупериодного выпрямителя содержит пульсации, наложенные на постоянное напряжение и среднее выходное напряжение при изменении значения нагрузки. Подключив простую схему стабилизатора Зенера, как показано ниже, к выходу выпрямителя, можно получить более стабильное выходное напряжение.

Рис. 2. Схема стабилитрона

Резистор RS включен последовательно со стабилитроном для ограничения тока через диод, а VS включен в комбинации.Регулируемое выходное напряжение Vout снимается с стабилитрона. Катодный вывод стабилитрона подключен к положительной шине источника питания постоянного тока, поэтому он смещен в обратном направлении и будет работать в состоянии пробоя. Затем выберите резистор RS, чтобы ограничить максимальный ток, протекающий в цепи.

Без нагрузки, подключенной к цепи, ток нагрузки будет равен нулю (IL = 0), и весь ток цепи проходит через стабилитрон, который, в свою очередь, потребляет максимальную мощность. Когда небольшая часть сопротивления нагрузки RLRS приведет к большему подключению тока диода, поскольку это увеличит требования к рассеиваемой мощности диода.Выбор подходящего значения последовательного сопротивления, чтобы без нагрузки или в условиях высокого импеданса не превышалась максимальная номинальная мощность стабилитрона.

Нагрузка подключена параллельно стабилитрону, поэтому напряжение на RL всегда равно напряжению стабилитрона (V _{-[R = V ž). Существует минимальный ток Зенера, при котором эффективна стабилизация напряжения, и ток Зенера всегда должен оставаться выше этого значения, работающего под нагрузкой в ​​области его пробоя.Верхний предел тока зависит, конечно, от номинальной мощности устройства. Напряжение источника питания VS должно быть больше, чем VZ.}

Одна маленькая проблема такая же как и схема стабилизатора на стабилитроне. Диод иногда создает электрические помехи поверх источника постоянного тока, потому что он пытается стабилизировать напряжение. Обычно это не проблема для большинства приложений, но может потребоваться добавить развязывающий конденсатор большой емкости на выходе стабилитрона для достижения сглаживания.

Стабилитроны всегда работают в условиях обратного смещения.Диод Зенера можно использовать для разработки схемы регулятора напряжения для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока на нагрузке в случае изменения входного напряжения или тока нагрузки. Регулятор напряжения Зенера состоит из токоограничивающего резистора RS, включенного последовательно с входным напряжением V S. При этом условии обратного смещения стабилитрон подключается параллельно нагрузке RL. Стабильное выходное напряжение всегда выбирается равным напряжению пробоя VZ диода.

Пример

5.Требуется стабильная мощность 0 В от входной мощности 12 В постоянного тока. Стабилитроны имеют максимальную номинальную мощность PZ 2 Вт. Рассчитано с использованием приведенной выше схемы стабилизатора Зенера:

а). Максимальный ток, протекающий через стабилитрон.

б). Минимальное значение последовательного сопротивления, RS

в). Загрузить текущий IL, если 1kΩ Нагрузочный резистор подключен через стабилитрон.

г). Ток стабилитрона IZ, при полной нагрузке.

IV Напряжение стабилитрона

Помимо создания одного стабильного выходного напряжения, стабилитроны также могут быть соединены последовательно с обычными кремниевыми сигнальными диодами для получения множества различных значений выходного опорного напряжения, как показано ниже.

Стабилитроны, соединенные последовательно

V под смещением переадресации. Напряжение питания Vin должно быть, конечно, выше максимального выходного опорного напряжения, которое в приведенном выше примере составляет 19 В.

Типовая электронная схема типичного стабилитрона 500 мВт, серия BZX55 или 1.3W, серия BZX85. Например, C7V5 — это диод на 7,5 В, а каталожный номер диода — BZX55C7V5.

Стабилитроны серии 500 мВт имеют диапазон напряжения примерно от от 2,4 до 100 В и обычно имеют ту же последовательность значений для серии резисторов 5% (E24). Эти небольшие, но очень полезные диоды имеют отдельные номиналы напряжения, как показано в таблице ниже.

2. 7V

3.0V

3.6V

3.9V

4.3V

4.7V

5.6V

6.2V

6,8 В

7.5V

8.2V

9.1V

10V

3.3V

3.6V

7.5V

8.2V

9.1V

10V

11V

13V

15V

47V

56V

62v

V Zener Diode Clamp Схема

До сих пор мы изучили, как Zener Diode регулирует постоянный DC источник питания. Но как диод Зенера реагирует на изменяющийся сигнал , если входной сигнал представляет собой не установившийся постоянный ток, а переменно-переменный сигнал.

Цепь ограничения и фиксации диодов используется для формирования или изменения формы входного сигнала переменного тока (или любой синусоидальной волны) и создания выходных сигналов различной формы в соответствии с компоновкой схемы. Схемы диодных ограничителей также называют ограничителями, потому что они ограничивают положительную (или отрицательную) часть входного сигнала переменного тока. Поскольку схемы с зажимом Зенера ограничивают или отсекают часть формы волны, они в основном используются для защиты цепи или схем формирования формы волны.

Например, если мы хотим обрезать выходной сигнал до +7,5 В, мы будем использовать стабилитрон на 7,5 В. Если выходной сигнал попытается превысить предел 7,5 В, стабилитрон «отрежет» перенапряжение от входа, создавая сигнал с плоской вершиной и сохраняя постоянное выходное напряжение + 7,5 В. Обратите внимание, что в условиях прямого смещения стабилитрон остается диодом. Когда выходной сигнал переменного тока ниже -0,7 В, стабилитрон будет «проводить», как любой обычный кремниевый диод, и ограничит выходной сигнал до -0.7В, как показано ниже.

Рис. 4. Цепь фиксации на стабилитронах

Стабилитроны, соединенные встречно-параллельно, могут использоваться в качестве регулятора напряжения переменного тока, так называемого «генератора прямоугольных импульсов Пурса». С помощью этой конфигурации мы можем обрезать сигнал между положительным значением +8,2 В и отрицательным значением -8,2 В для 7,5 В стабилитрона

Так, например, если мы хотим обрезать выходной сигнал между двумя разными минимумами и максимальные значения, такие как +8В и -6В, нам нужно всего лишь использовать два стабилитрона с разными номиналами.Обратите внимание, что выходной сигнал ограничивает форму сигнала переменного тока между +8,7 В и -6,7 В из-за увеличения напряжения на смещенном вперед диоде.

Другими словами, размах напряжения составляет 15,4 В вместо ожидаемых 14 В, поскольку падение напряжения прямого смещения на диоде увеличивается на 0,7 В в каждом направлении.

Этот тип конфигурации ограничителя довольно распространен для защиты электронных цепей от перенапряжения. Два стабилитрона обычно размещаются на входных клеммах питания.Во время нормальной работы один из стабилитронов «выключен», и диод мало на что влияет. Однако, если форма сигнала входного напряжения превышает свой предел, стабилитрон включается и фиксирует вход для защиты цепи. Рисунок 5. Типовая схема последовательного стабилизатора стабилитроном Д, то на его эмиттере будет постоянное напряжение 13-0.7 = 12,3 В. В определенном диапазоне, независимо от того, увеличивается или уменьшается входное напряжение, сопротивление нагрузки изменяется, а выходное напряжение остается неизменным. Эта схема используется во многих ситуациях. 7805 представляет собой последовательную интегральную схему стабилизатора напряжения, которая может выдавать 5 В. 7805-7824 может выдавать напряжение 5-24 В. Он имеет приложения на многих приборах.

Рисунок 6. Схема встроенного регулятора напряжения серии 7805

2. Схема защиты от перенапряжения в телевизореСхема защиты от перенапряжения в телевизоре

115В — основное напряжение питания телевизора. Когда выходное напряжение источника питания слишком велико, включается D и открывается транзистор T. Потенциал его коллектора изменится с исходного высокого уровня (5 В) на низкий уровень. Напряжение по линии управления дежурным режимом переводит телевизор в режим дежурной защиты.

3. Дугогасительная цепь

, а катушка отключается во включенном состоянии, высокое напряжение, генерируемое выделением ее электромагнитной энергии, снимается диодом.Таким образом, когда переключатель выключен, дуга переключателя устраняется. Эта прикладная схема больше используется в промышленности, например, в некоторых схемах электромагнитного управления большей мощности.