Устройство комбинированной многоступенчатой защиты
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для защиты от опасных перенапряжений естественного и искусственного происхождения. Техническим результатом является расширение области применения. Трансформируемый полупроводниковый стабилизатор, работающий на обратной ветви вольт-амперной характеристики, применен в качестве устройства комбинированной многоступенчатой защиты, автоматически видоизменяющего механизм шунтирования перенапряжений соответственно их уровню.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты от опасных перенапряжений естественного и искусственного происхождения.
Известны устройства комбинированной многоступенчатой защиты, в которых защита аппаратуры и оборудования осуществляется с помощью одноступенчатых или многоступенчатых устройств защиты, работающих по одному и тому же наперед заданному закону, независимо от амплитуды и других параметров импульса перенапряжения.
Целью изобретения является расширение области использования устройства.
Цель достигается благодаря тому, что трансформируемый полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви вольт-амперной характеристики, например, трансформируемый полупроводниковый стабилитрон применен в качестве устройства комбинированной многоступенчатой защиты, автоматически видоизменяющего механизм шунтирования перенапряжений соответственно их уровню.
В процессе выполнения исследований, результатом которых явилось настоящее изобретение, авторами был обнаружен ряд явлений, позволяющих использовать диодные полупроводниковые структуры в качестве элементов защиты от перенапряжений специального вида, отличающихся качественно более высоким уровнем разнообразия амплитуд и длительностей поражающего импульса. Важнейшими среди них являются следующие:
1. Установлен факт безразрывного перехода полупроводникового диода от режима многоразового функционирования (защита шунтированием за счет Г-образной формы обратной ветви вольт-амперной характеристики) к режиму одноразового функционирования (шунтирование входа аппаратуры формируемой в теле кристалла токопроводящей перемычкой).
Между двумя этими формами шунтирования нет никакой промежуточной зоны, в которой бы терялась способность полупроводникового диода ограничивать опасные импульсы перенапряжения.
2. Было также установлено наличие четкого порога перехода рассматриваемого полупроводникового диода в режим необратимого пробоя и проплавления тела кристалла по критерию "количество электричества, прошедшего через прибор".
Напомним, что наличие именно такого порога соответствует сформулированным вначале специфическим требованиям, предъявляемым к элементам защиты, призванным защитить объекты спецтехники от импульсов перенапряжения.
Следует, однако, подчеркнуть, что указанными свойствами обладают не все полупроводниковые диоды, а лишь те из них, которые обладают запасом электродного сплава, достаточным для проплавления тела кристалла, то есть приборы, предусмотренные ОСТ 11 ПО 336.002-72 "Диоды п/и и транзисторы. Применение в режиме одноразового ключа."
Полученные на этот счет данные выглядят следующим образом.
Пример. Была взята партия стабилитронов Д816В в количестве 50 шт. Длительность импульса (падающая экспонента) составляла 100 мкс. Во всех испытанных приборах наблюдался необратимый пробой и образование короткозамыкающей перемычки при токе 96-4 А. При другой длительности импульса трансформирующий ток изменялся примерно обратно пропорционально длительности импульса.
3. Был установлен факт увеличения диаметра металлической токопроводящей перемычки в теле кристалла и падение ее сопротивления, примерно пропорциональное увеличению протекающего тока. Соответственно расширяется диапазон шунтирования токов перенапряжения, то есть имеет место автоматическое приспособление устройства защиты к более тяжелым условиям эксплуатации.
Суть этого видоизменения заключается в том, что помимо образования узкой перемычки вдоль шнура тока и ее последующего расширения по мере увеличения этого тока скачкообразно возникает эффект проплавления тела кристалла электродным сплавом сразу широким фронтом. При этом имеет место фактическое замещение материала полупроводникового кристалла эвтектикой, ингредиентами которой являются как металлы, входящие в состав электродного сплава, так и металлы, образующие исходную полупроводниковую структуру. Очевидно, что при этом шунтирующий эффект устройства защиты оказывается наибольшим.
Скачкообразный переход к эффекту сплошного проплавления тела кристалла электродным сплавом имеет место при выполнении условий
где:
E - напряжение источника питания;
Iy - ток коллектора транзистора в момент подачи управляющего импульса;
Pп - потребляемая транзистором мощность;
R - сопротивление нагрузки;
Rt - тепловое сопротивление транзистора;
- постоянная, равная 0,06 для германия и 0,1 для кремния;
tпл - температура плавления полупроводникового материала;
t - температура окружающей среды.
Принципиально важно подчеркнуть, что все перечисленные видоизменения механизма работы защитного устройства носят безразрывный характер и направлены в сторону оптимизации работы защитного устройства по отношению ко всем возрастающим импульсным перегрузкам. Они происходят автоматически без вмешательства оператора.
Обнаруженные авторами настоящей заявки новые свойства трансформируемых полупроводниковых структур диодного типа, и главное, сочетание всех этих свойств позволили предложить эти структуры в новом, ранее неизвестном для них качестве, в качестве устройства комбинированной многоступенчатой защиты, автоматически видоизменяющего механизма подавления перенапряжений соответственно их уровню.
Несмотря на всю предельную простоту, предлагаемое техническое решение позволяет получить от полупроводникового диода, работающего на обратной ветви вольт-амперной характеристики и способного к необратимой трансформации структуры, завершающейся образованием короткозамыкающей перемычки, такой же эффект, какой может быть получен лишь от сложной, многоконтурной системы автоматического регулирования, состоящей из многих компонентов и межэлементных соединений.
Пример реализации предложения.
В качестве трансформируемого полупроводникового диода, используемого по новому назначению, был взят стабилитрон Д816 В. Он был подключен ко входу спецоборудования, нуждающегося в защите от перенапряжений.
По кабельной линии на вход защищенного, таким образом, оборудования подавались импульсы амплитудой 80 В. Естественно, что при этом имело место четкое ограничение перенапряжений на уровне стабилизации напряжения - 29-36 В.
Затем был подан импульс перенапряжения амплитудой 450 В от источника с внутренним сопротивлением 75 Ом. При этом имел место необратимый пробой полупроводникового стабилитрона, обезопасивший защищаемое оборудование от разрушения. Измеренное остаточное сопротивление прибора составило 17 миллиом. Выполненный шлиф показал наличие перемычки диаметром 35 мкм.
После этого израсходованное, таким образом, защитное устройство было заменено новым, точно соответствующим стоявшему ранее. По кабельной линии связи был подан импульс перенапряжения амплитудой 500 В от источника с внутренним сопротивлением 25 Ом. В результате прибор превратился в токопроводящий шунт с чрезвычайно высокими шунтирующими свойствами. Измеренное позже остаточное сопротивление составило примерно 1 миллиом. Шлиф пробитого прибора подтвердил почти сплошное проплавление тела кристалла электродным сплавом.
Формула изобретения
Применение трансформируемого полупроводникового диода, работающего на обратной ветви вольт-амперной характеристики, например трансформируемого полупроводникового стабилитрона, в качестве устройства комбинированной многоступенчатой защиты, автоматически видоизменяющего механизм шунтирования перенапряжений соответственно их уровню.
