В.П. Черепанов, Е.И.Посысаев ЗАЩИТА рДДИОЭЛЕКТрОННОИ дпйдрдтуры
ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЕрЕЕр^ЗОК
CQ
В. П. Черепанов
Е. И. Посысаев
ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕГРУЗОК
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ РадиоСофт
МОСКВА 2010
УДК 621.3 ББК 32.852.2 446
Черепанов В.П., Посысаев Е. И.
446 Защита радиоэлектронной аппаратуры от электрических перегрузок.— М.: ИП РадиоСофт, 2010,— 216 с.: ил.
ISBN 978-5-93037-216-8
Приведены краткие сведения об источниках и параметрах импульсных электрических перегрузок, возникающих в радиоэлектронной аппаратуре под действием электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения, а также переходных процессов в самой аппаратуре.
Представлены современные методы активной и пассивной защиты аппаратуры, включая реализующие их конкретные электрические схемы. Изложены методы оптимального выбора элементов защиты цепей аппаратуры.
Даны электрические и эксплуатационные характеристики элементов защиты от электрических перегрузок, специализированных приборов (полупроводниковых ограничителей, разрядников, дефен-зоров, варисторов), приборов общего применения (выпрямительных, импульсных, лавинных диодов, диодов Шоттки, диодов СВЧ, стабилитронов) и пассивных элементов защиты (помехоподавляющих конденсаторов и фильтров, ферритовых изделий, терморезисторов, радиопоглощающих материалов, электрических соединителей со встроенными элементами зашиты).
Отдельно рассмотрены комбинированные устройства защиты, позволяющие обеспечивать защиту аппаратуры от импульсных электрических перегрузок, имеющих широкий диапазон амплитудно-временных параметров.
Для широкого круга специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией радиоэлектронной аппаратуры, а также радиолюбителей.
УДК 621.3 ББК 32.852.2
ISBN 978-5-93037-216-8
© В. П. Черепанов, Е. И. Посысаев, 2010
© Оформление, ИП РадиоСофт, 2010
Содержание
Предисловие....................................... 7
Введение......................................... 11
Часть первая
Методы и способы обеспечения стойкости аппаратуры к воздействию электромагнитных полей
Раздел первый Параметры электромагнитных полей и импульсных электрических перегрузок, воздействующих на аппаратуру.................................... 15
1.1.	Виды электромагнитных полей источников естественного и искусственного происхождения и их классификация........................... 15
1.2.	Параметры воздействующих полей........... 16
1.2.1.	Поля молниевых разрядов............ 16
1.2.2.	Электростатические разряды......... 19
1.2.3.	Поля радиопередающих средств и радиолокационных станций................. 20
1.2.4.	Поля высоковольтных ЛЭП и контактной сети железных дорог........................ 21
1.3.	Параметры и характеристики помеховых напряжений и токов в цепях аппаратуры......... 23
Раздел второй Влияние электромагнитных полей на аппаратуру.. 29
2.1.	Воздействие электромагнитных полей на элементы аппаратуры....................... 29
2.2.	Первичные эффекты в полупроводниковых приборах..................................... 34
2.3.	Вторичные эффекты........................ 49
2.4.	Подпороговые и скрытые эффекты........... 57
2.5.	Критерии стойкости полупроводниковых приборов и интегральных микросхем к импульсным электрическим перенапряжениям................ 59
4
Содержание
Раздел третий
Технические параметры и характеристики активных и пассивных элементов зашиты ....... 63
3.1.	Рекомендации по определению исходных требований к параметрам и характеристикам элементов защиты........... 63
3.2.	Основные параметры и характеристики элементов защиты............................. 68
3.2.1.	Полупроводниковые ограничители
напряжения........................... 68
3.2.2.	Разрядники......................... 71
3.2.3.	Варисторы.......................... 73
3.2.4.	Помехоподавляющие фильтры и конденсаторы............................ 74
3.2.5.	Ферритовые изделия................. 75
3.2.6.	Радиопоглошающие и радиоэкранирующие материалы................................. 76
3.2.7.	Электрические соединители со встроенными элементами защиты.......... 76
3.3.	Данные по техническим параметрам активных и пассивных элементов защиты с учетом перспектив их развития.............. 77
3.4.	Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов............................ 81
Раздел четвертый
Технические параметры и характеристики комбинированных устройств защиты............. 89
4.1.	Рекомендации по выбору элементов комбинированных устройств защиты............. 89
4.2.	Основные параметры и характеристики комбинированных устройств защиты и СВЧ защитных устройств..................... 94
4.3.	Данные по техническим параметрам и характеристикам комбинированных устройств защиты и СВЧ защитных устройств.............. 96
Содержание
5
Часть вторая
Защита аппаратуры от воздействия электрических перегрузок и высокочастотных помех
Раздел пятый
Рекомендуемые средства защиты аппаратуры от воздействия электрических перегрузок и высокочастотных помех..................... 103
5.1.	Методология разработки защиты аппаратуры от воздействия ЭМП.......................... 103
5.2.	Параллельные одноступенчатые способы защиты.............................. 109
5.2.1.	Защита цепей постоянного тока..... 109
5.2.2.	Защита цепей питания переменного тока  112
5.2.3.	Защита информационных цепей и цепей переменного тока высокой частоты.......... 116
5.3.	Последовательная защита источников питания .... 121
5.4.	Многоступенчатые способы защиты........ 124
5.5.	Защита цепей аппаратуры с помощью помехоподавляющих фильтров и активных элементов зашиты............................ 131
5.6.	Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты............................ 133
Часть третья
Справочные данные по активным и пассивным элементам защиты, СВЧ защитным устройствам
Раздел шестой
Активные и пассивные элементы защиты на различных физических принципах действия и СВЧ защитные устройства................... 148
6.1.	Полупроводниковые ограничители напряжения.................................. 148
6.2.	Варисторы (нелинейные резисторы)....... 152
6.3.	Разрядники газоразрядные............... 155
6
Содержание
6.4.	Биполярные полупроводниковые тетроды (дефензоры)................................ 164
6.5.	Полупроводниковые приборы общего применения.......................... 167
6.5.1.	Диоды выпрямительные, лавинные и Шоттки................................. 167
6.5.2.	Диоды импульсные................. 173
6.5.3.	Стабилитроны и стабисторы........ 176
6.5.4.	Ограничительные и переключательные С ВЧ диоды с p-i-n структурой............ 181
6.6.	Позисторы.............................. 184
6.7.	Терморезисторы......................... 186
6.8.	Помехоподавляющие фильтры и конденсаторы.... 191
6.9.	Помехоподавляющие ферритовые изделия..... 195
6.10.	Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы................................... 198
6.11.	Электрические соединители со встроенными элементами защиты........................... 208
6.12.	Сверхвысокочастотные защитные устройства. 211
Литература..................................... 214
Предисловие
Настоящая книга является вторым в отечественной литературе справочным изданием, посвященным вопросам использования элементов защиты аппаратуры от электрических перегрузок. По сравнению с предыдущей книгой «Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок», настоящая книга содержит обширный информационный материал, позволяющий читателю определить способ и схему защиты аппаратуры, а также группу и конкретный тип элемента защиты для реализации выбранной схемы.
Авторами выбрана следующая структура книги.
Часть первая посвящена источникам и приемникам электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения, их параметрам, влиянию полей на изделия электронной техники, описанию физических процессов работы различных видов элементов защиты и предъявляемым к их параметрам и характеристикам требованиям. Приведены также классификация элементов защиты на различных физических принципах действия и предпочтительные области их использования, порядок и последовательность выбора элементов защиты.
Часть вторая включает рекомендуемые методы и средства зашиты радиоэлектронной аппаратуры от воздействия электрических перегрузок по напряжению и току, в том числе параллельные одноступенчатые способы защиты (защита цепей постоянного тока; защита цепей питания переменного тока; защита информационных цепей и цепей переменного тока высокой частоты, последовательная защита источников питания), многоступенчатые способы защиты, защита цепей аппаратуры с помощью помехоподавляющих фильтров и конденсаторов, комбинированные устройства защиты.
Часть третья содержит сведения об электрических параметрах конкретных типов элементов защиты. Справочные сведения составлены на основе данных, зафиксированных в государственных стандартах и технических условиях на конкретные группы приборов. Авторами использована форма представления данных, зарекомендовавшая себя положительно и принятая
8
Предисловие
в аналогичных справочниках по полупроводниковым приборам, вышедших в издательстве «РадиоСофт». Справочные сведения представлены в виде отдельных таблиц для каждой группы приборов и содержит данные о технологии изготовления, значениях параметров и режимах их измерения, предельных режимах эксплуатации и особенностях применения.
Необходимо отметить, что справочные данные по элементам защиты не заменяют официальные документы (ГОСТы, технические условия и др.), устанавливающие требования к электронным приборам для защиты аппаратуры от различного рода электрических перегрузок.
В настоящем справочнике использованы следующие термины и определения.
Импульс электрических перегрузок по напряжению — электрический импульс, наводимый на антенно-фидерных устройствах, проводных и кабельных линиях связи и электроснаб
жения, контурах заземления, цепях и схемах аппаратуры, при воздействии мощных электромагнитных полей естественного
и искусственного происхождения.
Устройство защиты — устройство, которое защищает цепи аппаратуры от воздействия импульсов электрических перегрузок.
Комбинированное устройство защиты — устройство защиты, которое представляет собой комбинацию включения различных групп активных элементов защиты (разрядников, полупроводниковых ограничителей напряжения, варисторов, малоемкостных импульсных диодов и т.д.) и пассивных элементов (помехоподавляющих фильтров и конденсаторов), размещенных в едином корпусе.
Импульсная электрическая прочность изделия — свойство изделия выполнять свои функции в процессе и после воздействия на его выводы импульсов электрических перегрузок по напряжению с заданными параметрами.
Параметры импульсов электрических перегрузок по напряжению — амплитуда, длительность импульса, длительность фронта при заданной форме импульса напряжения.
Параметры и критерии импульсной электрической прочности изделия — параметры изделия, по выходу которых за установ
Предисловие
9
ленные нормы при воздействии импульса электрических перегрузок определяются количественные значения показателей импульсной электрической прочности изделия.
Полупроводниковый ограничитель напряжения — полупроводниковый прибор с нелинейной вольтамперной характеристикой, подавляющий импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжение пробоя.
Предельно допустимое значение параметра ограничителя напряжения — значение параметра, заданное в нормативной документации, ограниченное возможностями данного типа прибора и обеспечивающее заданную надежность.
Прямое (обратное) напряжение ограничения полупроводникового ограничителя напряжения — амплитудное значение прямого (обратного) напряжения при прохождении через ограничитель напряжения прямого (обратного) тока ограничения при заданных параметрах и режимах.
Прямой (обратный) импульсный ток ограничения — амплитудное значение тока, протекающего через ограничитель напряжения при приложении напряжения, превышающего напряжение пробоя.
По тексту используются следующие сокращения:
АФУ — антенно-фидерное устройство;
В — варистор;
ВАХ — вольтамперная характеристика;
ВВ — взрывчатое вещество;
ВК — взрывной коммутатор;
ЗУ — защитное устройство;
ИМС — интегральная микросхема;
ИП — искровой промежуток;
КБВ — коэффициент бегущей волны;
КЗ — короткое замыкание;
КУЗ — комбинированное устройство защиты;
ЛЭП — линия электропередачи;
ЭЛТ — электроннолучевая трубка;
ЭМП — электромагнитное поле;
НД — нормативный документ;
ОН — ограничитель напряжения;
ПП — полупроводниковый прибор;
10
Предисловие
РЛС — радиолокационная станция;
РПМ — радиопоглощающий материал;
Р/с — радиостанция;
РЭА — радиоэлектронная аппаратура;
РЭМ — радиоэкранирующий материал;
СВЧ — сверхвысокая частота;
СВЧ ЗУ — сверхвысокочастотное защитное устройство;
СЭС — система электроснабжения;
УПЧ — усилитель промежуточной частоты;
УЗ — устройство защиты;
УЗА — устройства защиты автономные;
ФНЧ — фильтр низких частот;
ЭПНТ — электрические перегрузки по напряжению и току;
ЭП — электрическая перегрузка;
УД — выпрямительный и лавинный диод.
Авторы выражают глубокую признательность Кондратьеву Б, В. за помощь в подготовке материалов книги.
Введение
Опыт эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры показывает, что одной из важных задач является обеспечение устойчивой работы аппаратуры в сложной электромагнитной обстановке.
В реальных условиях РЭА подвергается воздействию элект-ромагнитных полей естественного и искусственного происхождения от большого числа источников (грозовые разряды, передатчики РЛС и т.д.). Воздействие ЭМП на РЭА при отсутствии специальных средств защиты может привести к ухудшению качества функционирования аппаратуры (сбои, кратковременные отказы в работе) или выходу ее из строя в результате возникновения во внешних и внутренних цепях аппаратуры наведенных импульсов электрических перегрузок по напряжению и току.
В связи с увеличением функциональной сложности современной РЭА, повышением ее быстродействия, широким применением в ней высокочувствительных к импульсам ЭП элементов вопросы обеспечения стойкости аппаратуры к воздействию ЭМП становятся все более актуальными. Их своевременное решение позволяет реализовать технические требования при минимальных затратах на разработку, что соответствует современной стратегии режима экономии.
Реализация общих требований и основных мероприятий, направленных на повышение стойкости РЭА к воздействию ЭМП, непосредственно связана с расчетной или расчетно-экспериментальной оценкой уровней наведенных в цепях аппаратуры импульсов ЭП, выделением на ее основе критичных к воздействию ЭМП устройств, блоков, узлов, ячеек и элементов аппаратуры и определением оптимальных методов их эффективной защиты.
Несмотря на большой практический интерес, вопросы обеспечения помехозащищенности, повышения надежности функционирования и стойкости РЭА к воздействию ЭМП до настоящего времени в значительной мере остаются нерешенными из-за отсутствия достаточной номенклатуры
12
Введение
специализированных элементов защиты (разрядников, полупроводниковых ограничителей напряжения и варисторов) и невозможности одним элементом обеспечить эффективную защиту.
Для защиты цепей аппаратуры могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.
Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональное конструирование и рациональный монтаж, состоящий в сокращении протяженности соединительных линий, размещении наиболее чувствительных элементов к электрическим перегрузкам вдали от отверстий в экранах, использовании многослойного печатного монтажа и т.п.; экранирование, являющееся основным способом защиты кабельных линий связи и сетей электроснабжения от действия внешних электромагнитных полей; рациональное заземление аппаратуры и ее отдельных узлов и блоков.
Группа структурно-функциональных методов включает в себя: оптимальный выбор принципа действия аппаратуры, ее составных частей и элементной базы; рациональный выбор используемых систем сигналов.
Схемотехнические методы подразумевают создание специальных схем с использованием элементов защиты аппаратуры от электрических перегрузок. При этом выдвигается задача наиболее оптимального использования данных элементов с учетом их электрических и эксплуатационных характеристик.
Наиболее эффективным средством защиты аппаратуры от воздействия ЭМП искусственного и естественного происхождения является активная защита. Основным элементом схем активной защиты являются полупроводниковые ограничители
напряжения, разрядники и варисторы.
Полупроводниковые ограничители напряжения имеют малое время срабатывания (дня несимметричных ограничителей время срабатывания составляет пикосекунды, а для симметричных— наносекунды), что позволяет использовать их для защиты различных по назначению радиотехнических цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микро
Введение
13
схемы. Другой важной характеристикой ограничителей напряжения является барьерная емкость р-п перехода, которая ограничивает возможность их применения в высокочастотных цепях. Для обычных ограничителей напряжения она составляет 100...2000 пФ.
За рубежом полупроводниковые ограничители напряжения впервые были разработаны в 1968 г. фирмой GSI (General Semiconductor Industries) США для защиты устройств связи от грозовых разрядов.
В дальнейшем этой фирмой были созданы ограничители напряжения с напряжением пробоя от 6,8 до 200 Вис импульсной коммутируемой мощностью 1,5 кВт, серия приборов для защиты авиационного оборудования, аппаратуры связи от воздействия ЭМП искусственного происхождения, для защиты интегральных микросхем от внутренних электрических перегрузок по напряжению и статического электричества, ограничительные диоды с малой индуктивностью и емкостью. Эта фирма продолжает лидировать и в настоящее время, выпуская 2500 типов ограничителей напряжения с импульсной коммутируемой мощностью от 0,6 до 60 кВт на напряжение пробоя от 0,7 до 3100 В.
Первые специализированные полупроводниковые ограничители напряжения в нашей стране были разработаны в 1980-1981 гг. К настоящему времени разработано 24 типономиналов приборов с импульсной мощностью 1,5 кВт на напряжение пробоя от 5 до 200 В, 5 типономиналов с импульсной мощностью 5 кВт на напряжения пробоя от 16 до 36 В и 5 типономиналов с импульсной мощностью 15, 30 кВт на напряжение пробоя от 400 до 700 В.
Из-за отсутствия достаточной номенклатуры полупроводниковых ограничителей напряжения в отечественной практике в качестве элементов защиты цепей аппаратуры от различного рода перегрузок по напряжению используют разрядники, варисторы, полупроводниковые приборы общего применения (стабилитроны, импульсные диоды, p-i-n диоды, диоды Шоттки, выпрямительные столбы, сборки и матрицы).
Разрядники по сравнению с другими классами ограничителей напряжения имеют высокие рабочие напряжения, большие
14
Введение
значения допустимого тока и малые межэлектродные емкости (от 1 до 10 пФ). По своим габаритам они приближаются к габаритам полупроводниковых ограничителей напряжения (разрядники таблеточной конструкции).
К недостаткам разрядников необходимо отнести большое время запаздывания пробоя и небольшую долговечность. Разработанные за последние годы разрядники имеют время запаздывания пробоя от 0,15 до 1,3 мкс при скорости нарастания напряжения от 1 до 25 кВ/мкс.
Из-за значительного времени запаздывания пробоя применение только одних разрядников не решает проблемы защиты полупроводниковых приборов и интегральных микросхем от различного рода электрических перегрузок. Поэтому используют многоступенчатые способы защиты с применением двух и трех ступеней ограничения напряжения, выполненных на различных физических принципах действия, например, разрядники в сочетании с полупроводниковыми стабилитронами, импульсными диодами или p-i-n диодами. Разрядники и металлооксидные варисторы по энергетическим характеристикам обладают примерно одинаковыми возможностями. Варисторы уступают разрядникам по межэлектродной емкости и коэффициенту ограничения.
Одним из перспективных направлений в области защиты РЭА от воздействия ЭМП является разработка комбинированных устройств защиты. Они представляют собой комбинацию включения различных групп активных элементов защиты (разрядников, стабилитронов, варисторов, малоемкостных импульсных диодов и т.д.) и пассивных элементов (помехо-подавляюших фильтров и конденсаторов), встроенных в один корпус.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Методы и способы обеспечения стойкости аппаратуры к воздействию электромагнитных полей
Раздел первый
Параметры электромагнитных полей и импульсных электрических перегрузок, воздействующих на аппаратуру
1.1.	Виды электромагнитных полей источников естественного и искусственного происхождения и их классификация
На аппаратуру в период всего жизненного цикла (на этапах изготовления, транспортировки, хранения и эксплуатации) могут воздействовать различного вида мощные электромагнитные поля, способные вызвать нарушения в работе аппаратуры или ее повреждения.
Воздействующие на аппаратуру электромагнитные поля могут быть классифицированы:
•	по физическому происхождению источника поля (естественные и искусственные);
•	по виду источника поля (атмосферные, индустриальные, ЭМИ ядерных взрывов и др.);
•	по характеру воздействия (преднамеренные и непреднамеренные);
•	по временной форме (импульсные, гармонические и др.).
Поля естественного происхождения обусловлены природными физическими процессами и явлениями. К ним относятся, прежде всего, поля молниевых и электростатических разрядов.
16
Часть 1 • Раздел 1. Параметры электромагнитных полей
Группа ЭМП искусственного происхождения включает в себя поля техногенного характера, связанные с деятельностью человека. К ним относятся поля РЛС и мощных радиопередающих средств, поля высоковольтных ЛЭП и контактных сетей железных дорог, поля высоковольтных установок. Воздействие указанных групп ЭМП на аппаратуру носит непреднамеренный характер в отличие от полей, используемых для радиоэлектронной борьбы.
По форме ЭМП разделяют на импульсные и непрерывные.
Импульсные поля — это единичные импульсы или их последовательность, произвольные по форме и различные по амплитуде, которые появляются в случайные моменты времени. Для последовательности импульсов интервалы между ними, как правило, больше длительности самих импульсов.
Непрерывные поля определяются как гармонические в диапазоне частот от десятков Гц до 100 ГГц, действующие продолжительное время.
1.2.	Параметры воздействующих полей
1.2.1.	Поля молниевых разрядов
Сложность и многообразие форм реальных токов и полей молнии вынуждают в практике обеспечения стойкости аппаратуры использовать простые обобщенные (типовые) формы. Типовые формы получают на основе синтеза наиболее жестких значений параметров из всех стадий развития молниевого разряда. При этом выделяют типовые формы импульсов напряженности полей для двух основных характерных условий эксплуатации аппаратуры:
•	для случая, когда объекты (аппаратура) не защищены молниеотводами (или иными конструкциями, способными выполнять их роль);
1.2 Параметры воздействующих полей
17
•	для случая, когда объекты (аппаратура) защищены молниеотводами.
Для этих условий механизмы формирования полей и значения их амплитудно-временных параметров оказываются различными.
Типовые значения параметров вертикальной составляющей напряженности электрического поля (Ев), а также напряженности магнитного поля (горизонтальной ориентации), обычно устанавливаемые в качестве требований к аппаратуре, приведены в табл. 1.1.
Максимальная напряженность горизонтальной составляющей £г зависит от многих факторов и оценивается значениями Ev«(0,005—0,5)£в.
Таблица 1.1 Параметры полей молниевых разрядов
Наименование параметров полей		Значение параметров полей	
		При отсутствии молниеотводов	В зоне действия молниеотводов
Вертикальная составляющая электрического поля	Максимальная напряженность, В • м-1	1 105	4 • 105
	Длительность фронта импульса, с	5 • 10“7	2 • КГ7
	Длительность импульса, с	МО-4	1 105
Магнитное поле (гори-зонтальной ориентации)	Максимальная напряженность, А • м"1	1 • 102	ЗЮ3
	Длительность фронта импульса, с	5•10~7	1 105
Приведенные в табл. 1.1 параметры полей молнии соответствуют указанным выше двум условиям эксплуатации аппаратуры. Для первого случая уровни полей соответствуют минимальному расстоянию от канала молнии, при котором маловероятно ответвление значительного тока молнии непосредственно в объект. Это расстояние
18
Часть 1 • Раздел 1. Параметры электромагнитных полей
в метрах численно равно значению амплитуды тока мол-нии в килоамперах, умноженному на коэффициент, равный 1,6.
Для аппаратуры, расположенной в зоне защиты молниеотводов, уровни полей соответствуют амплитуде тока мощной молнии (200...250) кА и расстоянию 10 м до молниеотвода.
При проведении расчетных оценок стойкости аппаратуры и выбора средств ее защиты можно использовать аппроксимации типовых форм импульсов токов и напряженности полей молнии вида:
/(')=/м.ксС[е-"-2е-(“-й'+е^'],	(1.1)
где f (f) — текущее значение напряженности электрического и магнитного полей; /МАКС — максимальная напряженность электрического и магнитного полей; t — текущее время; С, а, р — коэффициенты аппроксимации (приведены в табл. 1.2).
Таблица 1.2
Значения коэффициентов аппроксимации форм импульсов напряженности поля молниевых разрядов
Вид аппаратуры	Наименование факторов молние-вых разрядов	Значение коэффициентов аппроксимации		
		С	а, с-1	р,с-|
Аппаратура, не защищаемая молниеотводами	Вертикальная, горизонтальная составляющие электрического поля	1,014	0,3525 • 104	0,3955 • 107
Аппаратура, защищаемая молниеотво-дами	Вертикальная, горизонтальная составляющие электрического поля	1,051	0,365 • 105	0,963 • 107
	Магнитное поле	1,006	0,3490 • 104	0,9945 • 107
1.2. Параметры воздействующих полей
19
1.2.2.	Электростатические разряды
Воздействие на аппаратуру статического электричества, обусловленного явлениями электризации, может осуществляться в виде искровых и коронных разрядов (их токов и электромагнитных полей), а также в виде уравнительных токов при неоднородной электризации конструкций объектов. Электризация происходит вследствие контактирования и разделения твердых тел, жидкостей, двухфазных сред, вследствие индукции в электрических полях, а также вследствие воздействия низкоэнергетических частиц (электронов с энергией 10—30 кэВ в космическом пространстве).
Воздействие статического электричества характеризуется накапливаемым электрическим потенциалом, энергией, связанной с собственной емкостью электризуемого тела (объекта), а также с величиной сопротивления разряда.
Обобщенные значения параметров электростатических разрядов для аппаратуры с учетом ее назначения и условий эксплуатации приведены в табл. 1.3
Таблица 1.3
Параметры электростатических разрядов
Назначение и условия эксплуатации аппаратуры	Источники и приемники разрядов	Параметры цепей разрядов		
		Разрядная емкость, Ф	Максимальное напряжение разряда, В	Сопротивление цепи разряда, Ом
Аппаратура, непосредственно управляемая (обслуживаемая человеком)	Разряды с человека на элементы аппаратуры (корпус, разъемы, устройства управления)	2,5 • КГ10	2,5 • 104	500
20
Часть 1 • Раздел 1. Параметры электромагнитных полей
Окончание табл. 1.3
		Параметры цепей разрядов		
Назначение и условия эксплуатации аппаратуры	Источники и приемники разрядов	Разрядная емкость, Ф	Максимальное напряжение разряда, В	Сопротивление цепи разряда, Ом
Аппаратура (устройства), транспортируемая: наземным транспортом на колесах самолетом вертолетом	Разряды с корпуса транспортного средства на корпус объекта, части аппаратуры	1 • 10-’ 1-10-’ 1 • 10“9	1 • I05 2 -105 3 • 10s	500; 0,5 500; 0,5 500; 0,5
Аппаратура и устройства, помещаемые на внешней поверхности космических аппаратов (КА)	Разряды с внешних диэлектрических частей корпуса КА	1 • 10‘9	2 104	150
Примечание: сопротивление цепи разряда 500 Ом характеризует сопротивление тела человека, а сопротивление 0,5 Ом — сопротивление электрического заземления.
Воздействие статического электричества на аппаратуру может проявляться в виде одиночных или периодических разрядов. Последнее наиболее характерно в случае электризации диэлектрических материалов конструкций космических аппаратов. Частота таких разрядов может составлять (10—20) Гц.
1.2.3.	Поля радиопередающих средств и радиолокационных станций
Радиоэлектронная аппаратура может подвергаться непреднамеренному воздействию различных близкорасположенных радиопередающих средств и радиолока
1 2. Параметры воздействующих полей
21
ционных станций. Воздействующие поля в диапазонах частот до 300 МГц оцениваются по среднему (среднеквадратичному) значению напряженности электрического поля, а в диапазонах частот свыше 300 МГц — по плотности потока средней мощности. Характерные уровни полей, которые могут воздействовать на аппаратуру, в обобщенном виде приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4 Параметры полей радиопередающих средств и радиолокационных станций
Источники излучения	Значения параметров полей		
	Частота, МГц	Напряженность электрического поля, В • М"1	Плотность потока средней мощности, Вт • м~2
Наземного применения	1,5-300 1,5-300* 300-300 000 300-300000 300-300 000	25-50 100-150*	2,5-10 50-200** 300-10 000*
Морского (корабельного) применения	1,5-300 300-300 000 300-300 000	500-1500	200-1000 300-10 000*
* При транспортировании. ** На аэродроме.			
Как правило, поляризацию воздействующих электрических полей для частот менее 300 МГц устанавливают вертикальной, а на частотах более 300 МГц — вертикальной и горизонтальной. Вид модуляции, длительность импульсов, скважность не нормируются.
1.2.4.	Поля высоковольтных ЛЭП и контактной сети железных дорог
Воздействие полей высоковольтных ЛЭП и контактной сети железных дорог на аппаратуру может проявляться при условии их размещения (перемещения) вблизи этих источников излучений.
22
Часть 1 • Раздел 1. Параметры электромагнитных полей
Параметры полей ЛЭП и КСЖД зависят от конструктивных характеристик линий, режима их работы, свойств элементов, входящих в энергосистемы, а также мест расположения аппаратуры (ее устройств) относительно ЛЭП и КСЖД. Уровни полей под высоковольными линиями могут составлять по электрическому полю десятки киловольт на метр, а по магнитному полю — десятки ампер на метр в рабочем режиме линии и до I03 А  м1 в режимах короткого замыкания.
Типовая форма изменения полей ЛЭП в рабочем режиме У(/) описывается зависимостью:
УЦ) = Умакс since/,	(1.2)
где со — 2itf; f= 50 Гц.
В режиме короткого замыкания ЛЭП изменение напряженности магнитного поля определяется соотношением:
y(t)=y^c [е’//Гс-cos®/],	(1.3)
где Тс — время срабатывания аварийной защиты.
Таблица 1.5 Параметры электрического
и магнитного полей ЛЭП и КСЖД
Виды и условия эксплуатации аппаратуры	Характеристики полей	
	Наименование параметров, единиц измерения	Значения параметров
Аппаратура наземной техники, находящаяся вблизи ЛЭП	Электрическое поле (рабочий режим): максимальная напряженность, В • м—1 длительность воздействия (на частоте 50 Гц), с	3 • ю4 Длительное
Аппаратура, транспортируемая по железной дороге с контактной сетью	Магнитное поле (режим КЗ): максимальная напряженность, А • м-1 длительность воздействия, с	103 0,1
1 3. Параметры и характеристики помеховых напряжений и токов
23
Форма изменения магнитного поля в режиме КЗ КСЖД постоянного тока определяется выражением:
У(0=^мдкс[1-е-'/:Гс].	(1.4)
Параметры электрического и магнитного полей ЛЭП и КСЖД, обычно устанавливаемые в качестве требований к аппаратуре, приведены в табл. 1.5.
1.3.	Параметры и характеристики помеховых напряжений и токов в цепях аппаратуры
Основными приемниками энергии ЭМП являются: антенно-фидерные устройства, проводные и кабельные линии связи, управления, энергоснабжения; межблочные кабельные соединения; моточные изделия (трансформаторы, дроссели и т.п.); электрические контура заземления и др.
Физические механизмы воздействия ЭМП на приемники электромагнитной энергии сводятся к их электромагнитному возбуждению, появлению в них импульсных токов и напряжений высоких уровней.
Значения амплитуд токов и напряжений на входах аппаратуры и выделяющейся при этом энергии определяются многими факторами, к числу которых, в первую очередь, относятся следующие:
•	параметры воздействующих полей (амплитуда напряженностей электрической (£) и магнитной (Я) составляющих, длительности фронта и спада импульсов);
•	геометрические размеры и конструкция антенн, линий, схем;
•	взаимная ориентация линий, схем и векторов полей Ей Я;
•	номиналы комплектующих изделий входных устройств аппаратуры.
24
Часть 1 • Раздел! Параметры электромагнитных полей
Характеристики возможных нарушений в работе аппаратуры при воздействии ЭМП с амплитудами напряженностей электрической составляющей Емдкс ~ = 1 • 105 В • м_| и магнитной составляющей Н= 102 А • м-2 приведены в табл. 1.6.
Таблица 1.6
Характеристики нарушений в работе аппаратуры при воздействии электромагнитных полей
Тип устройства	Характер нарушений работоспособности
Антенно-фидерные устройства	Необратимые нарушения в антенном коммутаторе; пробой и перегорание элементов кабельной системы; выход из строя входных устройств приемника
Приемные и передающие устройства	Обратимые изменения электрического смещения СВЧ генераторов, частоты и мощности генерируемых колебаний, настройки узкополосные УТГЧ, сбои, ложные срабатывания
Вычисл ител ьн ые, управляющие и синхронизирующие устройства	Сбои в работе делителей частоты; усилителей считывания оперативных запоминающих устройств. Потеря информации в оперативной памяти
Устройства управления и стабилизации	Сбои телеметрических сигналов; контролируемых структур кода; пропуск импульсов в кодовых группах; изменение амплитуды полезного сигнала
Расчетные оценки параметров сигналов наводок в антенных устройствах, проводных и кабельных линиях, возникающих при воздействии ЭМП, проводятся с помощью специальных методик.
В качестве примера в табл. 1.7 приведены результаты расчетных оценок значений амплитуд напряжения U, тока I, энергии И7, длительности импульсов /и, наводимых на антенных устройствах, межблочных соединениях и внешних кабельных линиях при воздействии ЭМП различных видов.
Параметры ЭП в нагрузках линий связи и антенных устройств при воздействии электромагнитных полей
Таблица 1.7
Вид воздействия	Длина линии, м Тип антенны	В проводной неэкранированной линии				В проводной экранированной линии				В антенне				
		/,А	(/, В	И<Дж	/и, мкс	ЛА	и, в	И^Дж	/и. мкс	ЛА	(/, В	РКДж	Oi, мкс	Гф, мкс
	0,5	18	1,8102	6 10-3	4,4	0,22	2,2	5-Ю-7	2,4	—	—	—	—	—
	2,0	73	7,3-102	10-1	4,5	3,4	34	1,3'10"*	2,45	—	—	—	—	—
Поле молнии /макс = 30 кА	5,0 диполь рамка	180	1,8103	610"1	4,6	21	210	4,5 10~3	2,5	12 6,7-102	9,4 102 5,1	ЗЮ-4 2-10*8	5 10~2 3'10~2	10-2 10-2
	0,5	2-Ю2	2Ю3	1,1	6,0	4,8	0,5	9 10"5	0,97	—	—	—	—	—
	2,0	8.5102	8,5 103	18	6,3	72	2,0	2-10-2	1,1	—	—	—	—	—
Поле молнии /макс = = 200 кА	5,0 диполь рамка	2-103	2-104	110	5,8	420	5,0 диполь рамка	8-Ю-1	1,13	2,5-102 4,9	2 104 3,7-102	5 10"2 2 1О“5	5Ю“2 ЗЮ-2	10~2 10~2
Поле элект-	0,2	5,7	57	3,6 10"5	0,27	0,06	0,6	2'10-’°	1,3-Ю-2	—	—	—	—	—
ростатического разряда с корпуса объекта	0,5	11	ПО	1,4-Ю-4	0,28	0,14	1,4	3-Ю"9	9 10"2					
и»
13. Параметры и характеристики помеховых напряжений и токов
Вид воздействия	Длина линии, м Тип антенны	В проводной неэкранированной линии			
		ДА	цв	й<Дж	fa, мкс
Поле РПС Д=60 МГц /и = 10 мкс	0,5 2,0 ДИ- ПОЛЬ	4,6-Ю"2 6-Ю"2	4,6 10“2 6-Ю-1	2-Ю-7 3,6 10~7	10 10
Поле РЛС F= 400 МГц ги = 1 мкс	0,5 2,0 диполь	2-Ю-2 5-Ю"2	210“* 5Ю~*	5 10“’ 2,8 10s	1,0 1,0
ПолеЛЭП-50 Режим КЗ	0,5 1,0 10 ДИПОЛЬ	1,5-IO’2 5,7-10“2 0,17	1,510-* 5,7 Ю-1 1,7	1,810-4 2,7-10~3 4,3 10“2	8-Ю4 1105 1,510s
Продолжение табл. 1.7
£
В проводной экранированной линии				В антенне				
ДА	Г/, В	Г, Дж	fa, мкс	ДА	КВ	и; Дж	fa, мкс	Гф, мкс
			—	—	—	—	—	—
								
Величины малые			—	13,3	103	2-Ю1	1,0	—
			—	__	—-	—	—	—
Величины малые			—	1,3	1102	8Ю~4	1,0	—•
			—	—	—	—	—	—
			—	—	—	—	—	—
Величины малые			—	—	—	—	—	—
			—	8-10’2	610-1	4,6 10-4	1-Ю5	—
Часть 1 • Раздел 1. Параметры электромагнитных полей
13 Параметры и характеристики помеховых напряжений и токов
27
Оценка ЭПНТ производилась для двух типов наиболее широко применяемых антенн (дипольной и рамочной), а также для двухпроводных экранированной и неэкранированной линий различной длины. При расчетах принималось, что приемники электромагнитной энергии находятся в экстремальных условиях воздействия (вектор электрического поля направлен вдоль оси дипольной системы или кабельной линии, вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости контура линии или рамочной антенны; поле одновременно воздействует на всю систему или линию). Нагрузки антенных устройств принимались равными 75 Ом, а линий связи — 10 Ом.
Длина дипольной антенны принималась равной 2 м, площадь рамочной антенны равной 0,2 м2.
В результате переходных процессов, происходящих непосредственно в цепях при нормальном функционировании аппаратуры, возникают перегрузки по напряжению. Броски напряжений могут быть вызваны различного рода коммутациями токовых цепей с индуктивной нагрузкой. Этот вид перегрузок по напряжению с относительно высокими пиковыми величинами характерен для большинства выпрямительных и преобразовательных устройств. Так, на основе проводившихся измерений статистически установлено, что на промышленных предприятиях в сети питания 220 В имеют место перегрузки по напряжению до 500 В в среднем два раза в день, 300 В — пятьсот раз в день. Возможны также импульсы напряжения с амплитудой до 1 кВ. Например, в цепях питания самолетной аппаратуры возникают переходные напряжения до 1200 В в линии переменного тока 120 В и до 700 В в линии постоянного тока 28 В. В США допустимые амплитуды напряжений переходных процессов в аппаратуре регламентируются требованиями ряда стандартов: MIL-STD-704 для источников питания самолетной аппаратуры и M1L-STD-1275 (АТ) для источников питания наземной передвижной аппаратуры.
28
Часть! • Раздел 1. Параметры электромагнитных полей
Таблица 1.8
Допустимые амплитуды напряжений переходных процессов для источников питания самолетов и наземной передвижной аппаратуры
M1L-STD-704		MIL-STD-1275(AT)			
Постоянное напряжение, 28 В		Переменное напряжение, 115 В		Постоянное напряжение, 28 В	
и, В	/и, мс	t/. В	'и. мс	и, В	'и, мс
80	40	190	100	100	50
76	80	184	200	90	60
68	113	174	400	80	80
44	400	155	1000	70	100
38	800	137	3000	60	120
36	5000	137	5000	50	150
Данные перегрузок по напряжению за счет переходных процессов представлены в табл. 1.8.
Раздел второй
Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
2.1.	Воздействие электромагнитных полей на элементы аппаратуры
При воздействии ЭМП искусственного и естественного происхождения на РЭА могут возникать необратимые и обратимые повреждения в аппаратуре, которые связаны главным образом с электрическими пробоями элементов. Обратимые изменения (кратковременные отказы и сбои) связаны в появлением ложных сигналов в узлах и блоках, подавлением полезных сигналов, искажением информации [1,2, 3].
Анализ эффектов, возникающих в аппаратуре при воздействии ЭМП, показывает, что уровень стойкости аппаратуры к указанным воздействиям определяется в основном процессами, происходящими в наиболее чувствительных элементах, таких как полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.
Возникающие при этом физические эффекты можно разделить на основные группы: непосредственные и косвенные.
К непосредственным эффектам относятся явления, связанные с влиянием компонент электромагнитного поля на процессы переноса заряда в полупроводнике (эффекты поля, гальваномагнитные и т.п.).
Косвенные эффекты обусловлены воздействием на элементную базу токов и напряжений, возникающих в электрических соединительных цепях аппаратуры под действием ЭМП.
30
Часть 1 • Раздел 2 Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Изменение параметров электрорадиоизделий при воздействии ЭМП определяется:
•	взаимодействием электромагнитного поля с собственными электрическими и магнитными полями изделий;
•	поглощением энергии внешнего электромагнитного поля конструкционными материалами изделий;
•	образованием наведенных на корпусах, выводах и других элементах конструкций изделий опасных импульсных токов и напряжений.
Исследования, проведенные к настоящему времени, показывают, что в большинстве практических случаев непосредственное влияние электромагнитного поля с напряженностями электрической компоненты до 100 кВ/м и магнитной — до 600 А/м не приводит к структурным повреждениям материалов изделий электронной техники и электромеханики и не вызывает остаточных изменений их параметров. Исключение составляют некоторые типы сердечников из магнитомягких материалов.
При воздействии ЭМП на аппаратуру, содержащую полупроводниковые приборы, в них могут иметь место: перераспределение потенциалов в р-п перехода за счет импульсных токов и напряжений (электрических перегрузок), наводимых на схемных элементах аппаратуры, которые являются основными факторами, поражающими ПП при действии ЭМП.
Процессы, возникающие в ПП, зависят от воздействия проникающих электромагнитных полей. Сильные электрические поля свыше 100 кВ/м в полупроводниковых материалах могут вызвать изменение подвижности носителей заряда и электропроводности, изменение времени жизни носителей заряда, образование каналов проводимости в поверхностных слоях полупроводников. Изменение проводимости и образование каналов в приповерхностной области может приводить к следующим
2 1. Воздействие электромагнитных полей на элементы аппаратуры
31
эффектам: отсутствию участка насыщения на обратной ветви вольт-амперной характеристики р-п переходов; снижению и непостоянству пробивного напряжения; снижению эффективности эмиттера в биполярных транзисторах из-за омического шунтирования р-п перехода; увеличению уровня шумов.
Сильные магнитные поля свыше 1000 А/м могут вызвать изменение зависимости прямого тока от напряжения.
Импульсная электрическая стойкость является основной характеристикой, определяющей предел работоспособности ПП и ИМС в целом при воздействии импульсов электрических перегрузок по напряжению и току, наведенных ЭМП.
Все эффекты, возникающие в полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах при воздействии электрических перегрузок, наведенных ЭМП, можно условно разбить на группы в соответствии с классификацией, представленной на рис. 2.1.
По времени и характеру развития эффекты разделяются на первичные и вторичные. Первичные эффекты развиваются за счет энергии самого импульса ЭП непосредственно во время его действия. К первичным следует отнести сбой и потерю информации в элементах, тепловой разогрев, пробой подзатворного диэлектрика в полевых транзисторах, лавинный и туннельный пробой, перегорание металлизации под действием наведенных токов. Первичные эффекты могут и не вызывать сами по себе отказа (например, туннельный пробой), но способствовать их развитию и переходу во вторичную форму.
Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника, для чего необходимо некоторое время (например — нагрев области полупроводника до точки плавления при вторичном пробое). Энергия для развития
32
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
ХАРАКТЕР ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА
Рис. 2.1. Классификация основных эффектов, возникающих в элементах электронных устройств (ЭУ) при воздействии импульсов электрических перенапряжений
вторичного эффекта может обеспечиваться самим импульсом ЭП и (или) заимствоваться из внутренних источников (источников питания, накопительных конденсаторов). Характер развития вторичных эффектов может носить регенеративный и нерегенеративный характер. В частности, регенеративный характер приводит к срабатыванию паразитных четырехслойных структур под действием нарушений режима работы таких, как появление перенапряжений, или под действием высокой скорости изменения напряжения на структуре (эффект du/df).
2 1. Воздействие электромагнитных полей на элементы аппаратуры
33
По характеру влияния на параметры элементов первичные и вторичные эффекты делят на обратимые (переходные) и необратимые (остаточные). Переходные эффекты вызывают временную потерю работоспособности ПП и ИМС под действием наведенных токов и напряжений, проявляющуюся в форме сбоя (ложного срабатывания), изменения внутреннего состояния элемента, выхода режима за допустимые пределы и т.п. В этом случае после воздействия импульса ЭП происходит восстановление работоспособности элемента через время /Пр — время потери работоспособности.
Остаточные эффекты (эффекты повреждения) могут носить параметрический характер (выход одного или группы параметров за допустимые пределы) или форму катастрофического отказа.
Сложность определения уровней стойкости ПП и ИМС к импульсным ЭП обусловлена следующими факторами:
•	многообразием физических эффектов, происходящих в элементах при воздействии ЭП, и связанным с этим необходимостью использования многопараметрических критериев стойкости;
•	зависимостью уровня стойкости от выбранных для испытаний выводов элемента;
•	нелинейным характером большинства происходящих процессов и связанным с этим зависимостью стойкости по данной группе выводов от параметров импульсов ЭП на других выводах;
•	зависимостью уровня стойкости от формы импульса ЭП и эквивалентного импеданса окружающей схемы, включая организацию цепи питания;
•	сложностью внутренней структуры современных ИМС и связанной с этим зависимостью уровня стойкости от внутреннего состояния элемента.
34
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
2.2.	Первичные эффекты в полупроводниковых приборах
Лавинный и туннельный пробой в р-п переходах
Электрический пробой, вызванный лавинным и туннельным механизмами, характерен для обратносмещен-ных р-п переходов. Лавинный пробой р-п перехода происходит вследствие лавинного умножения носителей тока под действием электрического поля большой напряженности (£КР ~ 105 В/см), при котором процесс ударной ионизации основных носителей заряда становится лавинным. Для конкретного р-п перехода лавинный процесс обычно характеризуется напряжением лавинного пробоя Z/проб- Лавинный пробой типичен для слаболегированных р-п переходов таких, как коллекторные и стоковые переходы элементов ИМС.
Величина напряжения лавинного пробоя определяется формой, концентрацией и профилем легирования перехода. В случае плоского резкого (ступенчатого) р-п перехода напряжение лавинного пробоя может быть определено по эмпирическому выражению [4]:
(F А1,5 ( N V0,75
uj (io*J ’	(21)
где Nb — концентрация примеси в слаболегированной области, см-3; Е& — ширина запрещенной зоны, эВ.
Расчетные зависимости напряжения пробоя от Nb для резких переходов в кремнии, германии и арсениде галлия приведены на рис. 2.2. Штриховой линией отмечен верхний предел, при котором справедливо выражение для лавинного пробоя. При более высоких концентрациях существенный вклад в пробой начинает вносить туннельный механизм.
2.2 Первичные эффекты в полупроводниковых приборах
35
Рис. 2.2. Зависимости напряжения лавинного пробоя от концентрации примеси в слаболегированной области ступенчатого перехода для различных полупроводников
Напряжение пробоя линейного (плавного) р-п перехода определяется из соотношения
( р \6’5 (п |л20\~2/5
Уг,р<>6 = 60 [ц]  |3]	'	<2-2>
где а — градиент концентрации примеси, см~4.
Соотношения (2.1) и (2.2) дают оценку сверху для электрической прочности р-п перехода поскольку не учитывают краевых эффектов. В реальных планарных р-п переходах, полученных диффузионным методом, что характерно для технологии ИМС, необходимо учитывать уменьшение напряжения пробоя вследствие влияния кривизны перехода. Типичная форма планарного перехода показана на рис. 2.3. Поскольку напряженность электрического поля на цилиндрических и сферических областях перехода выше, то напряжение пробоя определяется именно этими областями.
На основании результатов численного расчета получено [4], что для несимметричных резких цилиндриче-
36
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Рис. 2.3. Форма р-п перехода, полученного путем планарного диффузионного процесса (а) и образование областей при диффузии через прямоугольное окно (б)
ских переходов в кремнии справедливо следующее аналитическое выражение:
= —[t]2 + 2ti6/7] • 1пГ1 + 2т)"8/71-т|_6/7, (2.3)
^ПРОБ 2
а для сферических переходов
^проб.сф _ г]2 + 2,14т|6/7 - Гт|3 +Зт)|3/7]2/3,	(2.4)
^ПРОБ
где £/Проб.ц, 1/проб сф — напряжение пробоя цилиндрического и сферического переходов соответственно; Л =	>-j — радиус кривизны перехода (рис. 2.3);
И4Ш — ширина обедненного слоя р-п перехода.
Нормализованные зависимости напряжения лавинного пробоя цилиндрического и сферического резких пере
2.2. Первичные эффекты в полупроводниковых приборах	37
ходов от кривизны переходов приведены на рис. 2.4. Графики показывают существенное снижение стойкости с ростом кривизны перехода. Для плавных переходов с линейным распределением примесей зависимость напряжения пробоя от кривизны выражена заметно слабее.
Рис. 2.4. Нормализованные зависимости напряжений пробоя цилиндрического (7) и сферического (2) переходов от кривизны перехода
При напряженностях электрического поля в кремнии и германии, превышающих 106 В/м, возникает высокая вероятность туннельного перехода между зонами и начинают протекать заметные туннельные токи. Чтобы получить такое поле в р-п переходе необходима достаточно высокая концентрация примесей в прилежащих областях.
В [4] показано, что механизм пробоя в кремниевых и германиевых р-п переходах связан с туннельным эффектом, если напряжение пробоя меньше ^E^q, где q — заряд электрона. В переходах с напряжением пробоя, превышающим ЬЕ^/q, механизм пробоя носит лавинный характер. При напряжении пробоя, лежащем в интервале (4—byE^/q, имеет место смешанный механизм пробоя.
38 Часть 1 • Раздел 2 Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Поскольку ширина запрещенной зоны в кремнии, германии и арсениде галлия уменьшается с ростом температуры, то характерным признаком туннельного пробоя является отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя.
В биполярных ИМС туннельный механизм пробоя необходимо учитывать при анализе электрической прочности высоколегированных эмиттерных переходов. Пробивные напряжения таких р-п переходов обычно значительно меньше пробивных напряжений коллекторных и их величина составляет примерно 5—8 В. Такие напряжения характерны для смешанных механизмов пробоя — лавинного и туннельного.
В многопереходных приборах, таких как транзисторы, возможны дополнительные особенности протекания электрического пробоя, связанные со взаимодействием различных областей приборов.
В частности, в биполярных транзисторах необходимо учитывать явление зависимости напряжения пробоя коллекторного перехода при работе в активной области от сопротивления в цепи базы [5]. Это явление связано с эффектом усиления тока и может существенно снизить пробивное напряжение транзисторной структуры. При включении по схеме «общий эмиттер» для биполярного транзистора, работающего в активном режиме (рис. 2.5), пробивное напряжение между коллектором и эмиттером
( R + г	У/Пл
[Гкэ	1-П	кь + гь
иПРОБ VПРОБ 1 UN п	п
V	Rb + rb + R3+r3j
где — пробивное напряжение перехода коллектор-база; aN — коэффициент передачи тока эмиттера транзистора при отсутствии лавинного умножения; /?Б, гь, Яэ, гэ — значения внешних и внутренних сопротивлений цепей базы и эмиттера соответственно; п:1 — показатель
2.2 Первичные эффекты в полупроводниковых приборах
39
Рис. 2.5. Пробой биполярного транзистора по цепи коллектор-эмиттер
степени коэффициента лавинного умножения, зависящий от типа перехода, удельного сопротивления материала и лежащий в пределах 2—3,5 [5].
Для схемы на рис. 2.5	= R{R2/(RX + /?2), Лэ = Л3.
В такой схеме включения напряжение пробоя зависит в общем случае от величины режимного тока вследствие токовой зависимости коэффициента aN.
Напряжение пробоя коллекторного перехода возрастает с увеличением сопротивления в цепи эмиттера и в пределе становится равным напряжению лавинного пробоя отдельного коллекторного перехода. Наименьшего
значения напряжение пробоя достигает при бесконечно большом сопротивлении в цепи базы и составляет
ггКЭ	тгКБ	\1/"л
‘-'ПРОБ МИН ‘-'ПРОБ V UN)
Для высокочастотных транзисторов со сравнительно тонкой базой максимально допустимое напряжение коллектора может быть ограничено также напряжением смыкания, при котором коллекторный переход, расширяясь, перекрывает всю базовую область и смыкается с эмиттерным переходом. Происходит «прокол базы», приводящий к короткому замыканию по цепи коллектор-эмиттер, что может вызвать повреждение транзистора. В случае диффузионного перехода напряжение смыкания можно оценить по формуле [5]:
U = W3
К СМЫК 12е£°	Б0>
где И4о — толщина базы в равновесном состоянии.
40
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Для полевого транзистора с управляющим р-п переходом напряжение пробоя по цепи сток—исток зависит от режима работы и определяется выражением
псц = ис -IJ ’-'проб '-'проб с'зи,
где (/проб — напряжение пробоя стокового перехода; £/зи — напряжение на затворе.
На поведение МОП транзистора при электрических воздействиях существенное влияние оказывают «горячие носители», энергия которых существенно выше, чем энергия соответствующая температуре окружающей среды. Они образуются, как правило, в области максимального электрического поля, которая находится вблизи стокового перехода непосредственно под затвором. Свободные носители заряда, проходящие область сильного электрического поля около стока, могут набирать достаточно высокую энергию и вызывать эффекты горячих носителей. На рис. 2.6 показаны схематично некоторые из возможных процессов [6, 7].
Рис. 2.6. Процессы движения горячих носителей заряда в и-канальном МОП транзисторе
2 2 Первичные эффекты в полупроводниковых приборах
41
Некоторая часть горячих электронов проникает в окисный слой (процесс 7) и образует затворный ток. Высокоэнергетичные носители могут быть также причиной лавинного образования пар носителей (процесс 2). В этом лавинном процессе образуются дырки, которые собираются подложкой, образуя дрейфовую составляющую тока подложки (процесс 3). Такая локальная инжекция дырок вблизи стока под действием лавин
ного умножения может увеличить потенциал подложки и сместить в прямом направлении истоковый переход. Начинается инжекция электронов из истока в подложку
(процесс 4) и активизируется паразитный биполярный п-р-п транзистор (рис. 2.7).
Лавинная генерация дырок отражена источником тока, включенным между стоком и подложкой прибора. Напряжение смещения на переходе подложка—исток 6/|п, выполняющим роль эмиттера, отличается от напряжения подложка—исток {/эп в связи с тем, что между электродом подложки и переходом имеется некоторое сопротивление. Поэтому внешнее обратное смещение
Рис. 2.7. Эквивалентная схема МОП транзистора, работающего в режиме пробоя
на переходе подложка—ис-
ток не позволяет во всех возможных случаях предотвратить инжекцию носителей тока из истока в подложку.
В случае достаточно высокого коэффициента усиления полевого транзистора наступает лавинный пробой по цепи сток—исток при напряжении существенно ниже, чем напряжение пробоя перехода сток—подложка аналогично эффекту лавинного пробоя в цепи коллектор-эмиттер обычного биполярного транзистора.
42
Часть! • Раздел 2 Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Для МОП транзисторов с короткими каналами (менее 1—2 мкм) необходимо учитывать также эффект сквозного обеднения, приводящий к увеличению токов утечки в цепи стока. Сквозное обеднение происходит при таком взаимодействии обедненных областей стока и истока, которое снижает потенциальный барьер между ними, препятствующий протеканию тока. Обычно сквозное обеднение описывают как механизм плавного пробоя, так как в этом режиме ток утечки растет с ростом напряжения не так резко, как при лавинном пробое [6].
Сам по себе процесс электрического пробоя еще не вызывает необратимого повреждения р-п перехода, если в условиях ограничения тока исключается выделение значительной мощности в объеме полупроводника и переход в режим вторичного пробоя.
Поверхностный пробой
На процесс пробоя р-п переходов оказывает существенное влияние наличие зарядов на поверхности раздела системы Si—SiO2 в области локализации перехода. Основные источники таких зарядов: кислородные вакансии в структуре SiO2, ионы водорода, ионы металлов и в особенности высокоподвижные ионы натрия (которые создают преимущественно положительный заряд в слое двуокиси кремния). Все эти заряды под действием электрических полей могут перемещаться в слое двуокиси кремния по направлению к границе раздела с кремнием и обратно. Концентрация зарядов может существенно меняться в зависимости от обработки структур в различных средах при изготовлении. Значительные изменения в местоположении зарядов и их концентрации происходят при эксплуатации приборов (в том числе, в условиях радиационных воздействий) [8, 9].
В биполярных ПП все рассмотренные выше заряды, взаимодействуя с зарядами активных областей полупро
2 2 Первичные эффекты в полупроводниковых приборах
43
водниковых структур, искажают конфигурацию р-п переходов, вызывают образование инверсионных слоев, что в конечном счете приводит к нестабильности электрической стойкости приборов.
Структура с р-п переходом, защищенная окисной пленкой, изображена на рис. 2.8.
а)	б)
Рис. 2.8. Взаимодействие зарядов на поверхности окисла с зарядами в активных областях биполярной полупроводниковой структуры:
d— ширина р-п перехода; Ф — положительный заряд в окисле; - — электроны у поверхности кремния; 0 — отрицательный заряд в окисле; + — дырки у поверхности кремния; 1 — инверсный р слой
Локальное увеличение концентрации электронов приводит к уменьшению ширины р-п перехода в месте с повышенной концентрацией носителей. В структуре с обогащенной носителями приповерхностной областью при приложении обратного напряжения возрастает напряженность электрического поля в месте сужения р-п перехода, что приводит к росту обратного тока через переход и поверхностному пробою.
В случае накопления отрицательных зарядов на поверхности окисла (рис. 2.8, б) приповерхностная область полупроводника обогащается дырками. В зависимости от величины заряда в окисле и ряда других факторов обогащение приповерхностной области полупроводника дырками может быть столь значительным, что наступает
44
Часть! • Раздел 2 Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
инверсия проводимости полупроводника. Область, непосредственно примыкающая к р-п переходу, приобретает дырочную проводимость. В связи с этим площадь р-п перехода существенно увеличится, что в режиме обратного смещения приводит к значительному росту обратного тока и снижению пробивного напряжения. В случае распространения инверсионного слоя до места расположения омического контакта происходит закорачивание р-п перехода через инверсионный канал.
Таким образом, поверхностный пробой расположенного перпендикулярно поверхности р-п перехода может рассматриваться как частный случай лавинного или туннельного пробоя с учетом возможного сужения слоя объемного заряда перехода на поверхности.
Пробой диэлектриков
Одним из самых чувствительных к электрическим перенапряжениям является подзатворный окисел МОП транзисторов и ИМС. Для каждого диэлектрика существует значение критического электрического поля, при котором свободные электроны, появляющиеся у электрода с отрицательным потенциалом, ускоряются и вследствие ударной ионизации образуют электронную лавину. Быстрые электроны вызывают расплавление и разрушение диэлектрика в узких каналах [10]. Это разрушение имеет необратимый характер. Расплавление материала электродов приводит к закорачиванию их. Стойкость термически выраженного SiO,, определяемая процессами ударной ионизации и лавинного размножения носителей, составляет
^11 РОБ =
где ЕКР— критическая напряженность электрического поля, составляющая порядка (6—7) • 106 В/см при приложении стационарного напряжения; d — толщина окисла.
2 2 Первичные эффекты в полупроводниковых приборах
45
Такое поле создается в окисле толщиной 30 нм при напряжении всего 21 В. Для возникновения необратимого повреждения диэлектрика необходимо, чтобы величина инжектированного при пробое заряда превысила некоторую пороговую величину, составляющую порядка 10~2 Кл/см2.
Рассмотренный механизм пробоя представляет собой чисто электрический пробой и имеет место в совершенных окисных пленках, не имеющих дефектов. При наличии пор в окисле, через которые возможно шунтирование алюминиевого затворного электрода с кремниевой подложкой, наблюдается тепловой пробой, который происходит при напряжениях на 5—10 В меньших напряжения электрического пробоя. Выделение мощности при тепловом пробое приводит к выгоранию металлизации одного из электродов, то есть к обрыву контакта.
Перегорание металлизации
Перегорание маталлизации носит тепловой характер и связано с нагревом материала токопроводящих дорожек ПП и ИМС до точки плавления и сообщения ему энергии теплоты плавления. Для описания процесса повреждения и определения предельных уровней тока может быть использована тепловая модель, рассматриваемая далее для описания процесса вторичного теплового пробоя р-п перехода, с соответствующими параметрами материалов.
В частности, для алюминиевой маталлизации при отсутствии теплообмена с окружающей средой (адиабатическое приближение) решение теплового уравнения дает следующую оценку для тока разрушения [11]:
=	(2.5)
где /ПР — ток разрушения (плавления) металлизации, А;
46 Часть! • Раздел 2 Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
5М — площадь поперечного сечения, см2; /и — длительность воздействующего импульса тока, с.
Выражение (2.5) не учитывает теплообмен металлизации с расположенной ниже подложкой и справедливо для коротких импульсов тока, не превышающих по длительности [12]	2
О з См рм^м
И	*м
где См, рм, Ам — соответственно удельная теплоемкость, плотность и толщина металлизации; Км — теплопроводность металлизации.
Для алюминиевой металлизации толщиной 1 мкм коротким будет считаться импульс тока, не превышающий по длительности 3—10 нс. При более длительных импульсах необходимо учитывать распространение тепла в подложку, что несколько снижает температуру металлизации и повышает допустимые плотности тока по сравнению со значениями, определяемыми формулой (2.5).
Анализ экспериментальных данных показывает, что в большинстве практически важных случаев уровни токов, вызывающих перегорание металлизации, превосходят значения, необходимые для повреждения областей полупроводника [11]. Однако перегорание металлизации может явиться следствием развития в полупроводниковых областях ПП и ИМС, таких процессов как вторичный пробой, срабатывание паразитных четырехслойных структур и т.п. В этом случае повреждение металлизации носит уже вторичный характер. Результатом перегорания металлизации является обрыв связи, хотя всегда существует вероятность металлизации поверхности приборов и появления коротких замыканий.
Нарушение режима и тепловой разогрев
Воздействие импульсных электрических перенапряжений, не достигающих уровня повреждений, способно
2 2 Первичные эффекты в полупроводниковых приборах	47
тем не менее вызвать кратковременные и долговремен-ные нарушения работоспособности ПП и ИМС, связанные с нарушениями электрического и теплового режимов работы. Для расчета нарушений электрического режима могут использоваться известные программы автоматизированного анализа электронных устройств. Однако широкий диапазон токов и напряжений, возможных при воздействии импульсных перенапряжений, требует существенной доработки моделей элементов с учетом следующих факторов [13]:
•	значительная нелинейность электрических характеристик элементов при уровнях токов и напряжений вплоть до порогов разрушения;
•	необходимость учета в моделях временной зависимости параметров, связанной с тепловой инерцией;
•	возможность одновременного воздействия различных по параметрам импульсных электрических сигналов на разные выводы ПП и ИМС.
Импульсный нагрев внутренних областей ПП и ИМС протекающими токами до температур, меньших критических, не вызывает появления необратимых повреждений приборов, однако может стать причиной существенного увеличения времени восстановления его работоспособности. Действительно, если релаксация электрических перенапряжений в ПП и ИМС происходите© скоростью, определяемой скоростью диффузии и дрейфа неравновесных носителей заряда в полупроводнике, и занимает, как правило, не более долей микросекунды, то инерционность тепловых процессов существенно выше и может определять время восстановления параметров, особенно в прецизионных аналоговых приборах, ЦАП, АЦП и т.п.
Нарушения электрического и теплового режимов работы могут стать также причиной развития вторичных регенеративных эффектов таких, как срабатывание паразитных четырехслойных структур.
48
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Сбои и потеря информации
Импульсные электрические перенапряжения, наводимые ЭМП на соединительных цепях электронной аппаратуры, могут стать источником сбоев и потери информации в системе. Стойкость ИМС к сбоям подобного типа определяется их динамической помехоустойчивостью, которая для цифровых ИМС в режиме ложного срабатывания характеризуется амплитудой и длительностью импульса помехи.
При экспериментальном определении характеристик динамической помехоустойчивости ИМС учитываются два возможных варианта наведения помехи [14]:
•	запирающая помеха наводится на входе какой-либо логической схемы, входящей в цепочку последовательно включенных логических схем (сбой в комбинационной схеме);
•	запирающая помеха наводится на входе логической схемы, являющейся одним из плеч триггера или ячейки памяти (потеря информации).
Наибольшая чувствительность характерна для второго варианта действия помехи, поэтому на его примере
Рис. 2.9. Зависимость допустимой динамической помехи от ее длительности:
------положительная помеха при Т= 125 °C ------отрицательная помеха при Т= -60 °C
2.3 Вторичные эффекты
49
обычно оценивают динамическую помехоустойчивость ИМС. Характерная зависимость амплитуды допустимой динамической помехи от ее длительности для ИМС стандартной ТТЛ серии приведена на рис. 2.9 [15].
2.3. Вторичные эффекты
Срабатывание паразитных четырехслойных структур
Формирование элементов ИМС КМОП технологии сопровождается образованием паразитных четырехслойных (тиристорных) структур. В нормальном состоянии паразитные структуры заперты и не оказывают существенного влияния на работу КМОП ИМС. Однако при воздействии перенапряжений от ЭМП паразитные структуры могут переходить в активное состояние, защелкиваясь подобно тиристору (эффект «latch-up»). При этом происходит резкое увеличение тока по цепи срабатывания структуры, которое приводит к нарушению работоспособности прибора (нарушение функционирования) и может стать причиной повреждения ИМС вследствие возможного развития вторичного пробоя, перегорания металлизации и т.п. [16].
Характерные паразитные структуры КМОП ИС изображены на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Четырехслойные паразитные структуры КМОП ИМС
50
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Среди приведенных структур можно выделить две типовые. Структуры первого типа образуются во входных каскадах ИМС и включают в свой состав элементы входного защитного диода (структура 1 на рис. 2.10). Структуры второго типа характерны для внутренних и выходных каскадов КМОП ИМС (структуры 2 и 5 на рис. 2.10). Основное различие структур заключается в том, что при активизации входные структуры замыкают шины земли и питания на выход предыдущей ИМС, а внутренние — непосредственно друг на друга. В первом случае протекающий через структуру ток ограничен максимальным выходным током предыдущей ИМС, который определяется сопротивлением канала отпертого МОП транзистора (от десятков до сотен ом), а также сопротивлением входного защитного резистора (единицы килоом). Во втором случае ток через паразитную структуру ограничивается лишь величинами модулированных распределенных сопротивлений кармана и подложки, а также сопротивлением контактов.
Для анализа стойкости четырехслойных структур обычно пользуются электрической эквивалентной схемой, изображенной на рис. 2.11.
Характерной особенностью четырехслойных структур является немонотонный характер вольт-амперных характеристик, что отражает S-образная вольт-амперная характеристика структуры, приведенная на рис. 2.12. Границами характерных областей ВАХ являются точки включения (7ВКЛ, ^вкл) и удержания (/уд, t/уд), в которых выполняется условие dl/dU = <».
Для включения структуры необходимо одновременное выполнение следующих условий:
1.	Эмиттерные переходы транзисторов должны быть открыты для обеспечения инжекции в базовые области, например, за счет падения напряжения на распределенных сопротивлениях внутренних областей.
2.3. Вторичные эффекты
51
Рис. 2.11. Эквивалентная схема четырехслойной структуры
Рис. 2.12. Вольт-амперная характеристика четырехслойной структуры
2.	Характеристики структуры должны обеспечивать регенеративное усиление тока (условие положительной обратной связи).
3.	Значения протекающего через структуру тока и напряжения на ней должны быть больше удерживающих значений.
Основными механизмами защелкивания паразитных структур КМОП ИМС при воздействии импульсов электрических перенапряжений являются следующие.
Лавинный пробой обратносмещенных р-п переходов. Защелкивание возникает при напряжении помехи выше напряжения включения структуры. Требует напряжения наводки выше 40-70 В при наличии в цепи источника тока достаточной величины.
Инжекция носителей из открытых р-п переходов при изменении полярности приложенных к ним напряжений возникает, если входные (или выходные) напряжения
52
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
КМОП ИМС становятся выше значения напряжения питания или ниже нулевого уровня. При этом входные защитные диоды (или стоковые переходы) смещаются в прямом направлении и осуществляют инжекцию носителей в структуру, что может привести к ее защелкиванию. Для реализации данного механизма достаточно сравнительно невысоких перенапряжений порядка одного и более вольта.
Образование токов смещения барьерных емкостей р-п переходов при резких изменениях приложенных к ним напряжений (эффект du/dt). Ток смещения направлен таким образом, что создаваемое им падение напряжения на сопротивлениях /Js и /?р смещает эмитгерные переходы паразитных структур (транзисторов) в прямом направлении (рис. 2.11). Показателем стойкости к защелкиванию вследствие эффекта du/dt является максимальная скорость изменения напряжения, при которой еще не происходит включение структуры — Л'пор- Характерные значения jSTnoP находятся в диапазоне 0,001—1 В/нс.
Рис. 2.13. Зависимость удерживающего тока ИМС серии CD4000 от температуры
2.3. Вторичные эффекты
53
Для эффекта защелкивания характерна сильная чувствительность порогов срабатывания от температуры. Тепловой разогрев внутренних областей КМОП ИМС может облегчить условия срабатывания и инициировать процесс. В качестве примера на рис. 2.13 приведены зависимости значений удерживающих токов КМОП ИМС серии CD400 от температуры. Аналогично ведет себя и пороговый ток. Поэтому в условиях теплового разогрева снижается стойкость паразитных структур к электрическим перенапряжениям.
Тепловой вторичный пробой
Одним из основных вторичных эффектов, вызывающих повреждение ПП и ИМС, является тепловой вторичный пробой, обусловленный выделением значительной тепловой энергии в активных объемах элементов за короткий промежуток времени. Тепловой вторичный пробой вызывает резкое уменьшение обратного сопротивления р-п перехода при подаче на него напряжения, превышающего пробивное. Время от начала импульса напряжения до момента начала уменьшения сопротивления называется временем задержки. Чем больше полная мощность, рассеянная до вторичного пробоя, тем короче время задержки [5].
Анализ характера повреждения р-п перехода при вторичном пробое (образование расплавленных нитей, замыкающих переход) позволил предположить, что явление вторичного пробоя в обратносмещенном р-п переходе есть результат достижения температуры, соответствующей собственной проводимости, в локализованной области на слаболегированной стороне перехода. При такой температуре локальное сопротивление падает, а локальная плотность тока увеличивается. В результате повышается температура, пока не происходит плавление и, как следствие, короткое замыкание р-п перехода.
54
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Для оценки величины энергии, необходимой для разрушения р-п перехода, обычно используют выражение, полученное на основе решения уравнений теплопроводности в предположении неизменности тепловых констант полупроводника. Для прямоугольного импульса оно имеет вид [15]
£п« УСрР+5|(лСррА)1/2 + ^з	(2.6)
где Еп — уровень энергии повреждения; У, S — объем и площадь тепловыделения, соответственно; Ср — удельная теплоемкость полупроводника; р — плотность полупроводника; АГ—коэффициент теплопроводности; Гкр — критическая температура возникновения теплового пробоя; То — рабочая температура; t3 — время задержки наступления вторичного пробоя (длительность импульса воздействующего сигнала, при которой наступает повреждение); L — некоторый характерный размер, отражающий процесс распространения тепла в ПП и ИМС от области повреждения.
Зависимость энергии повреждения от длительности воздействующего импульса имеет три характерных участка:
1.	При воздействии относительно коротких импульсов длительностью /и < Срр( Y/S)~/K распространение тепла из рассматриваемой области незначительно и процесс нагрева во время возбуждения можно считать адиабатическим. Поэтому рост температуры практически линейно зависит от поглощенной энергии и повреждение происходит при постоянном уровне рассеянной энергии, не зависящем от длительности импульса. Для характерных размеров р-п переходов ПП и ИМС такой характер процессов обычно имеет место при длительности импульса электрического перенапряжения менее десятков и сотен наносекунд.
2.3. Вторичные эффекты
55
2.	При длительности импульса Срр( Y/S)2/K < < CppL2/K решение уравнения теплопроводности дает зависимость энергии повреждения Еп ~ f3l/2, поскольку одновременно с процессом тепловыделения идет процесс распространения тепла из рассматриваемой области. Эта зависимость получила название модели «Бунша— Белла» [15]. Это наиболее исследованная область повреждения, лежащая в диапазоне единиц и десятков микросекунд.
3.	При больших длительностях импульсов начинает существенно сказываться влияние контактов, боковых границ, тепловых стоков. В пределе, при > CppL2/K, вторичный пробой возникает при постоянном уровне мощности (постоянной скорости выделения энергии). Поэтому произведение LK представляет собой не что иное, как тепловое сопротивление ПП или ИМС относительно рассматриваемой области повреждения. Иногда вместо энергии повреждения для характеристики стойкости ПП и ИМС к вторичному пробою используют понятие мощности повреждения. Из выражения (2.6) следует, что мощность повреждения
Рп« ГСррг;| + 51(лСрр^)1/2(/3)Ч/2 + ЛХ (Гкр-Го).
На рисунке 2.14 приведена зависимость нормированной на единицу площади мощности повреждения кремниевых ПП и ИС от длительности воздействующего импульса [15]. Значения критической температуры возникновения вторичного теплового пробоя в кремнии можно определить по эмпирическому выражению [5]
Т 6400 к” 10,43+1пр’
где Ткр — критическая температура, К; р — удельное электросопротивление.
56
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
мкс
Рис. 2.14. Зависимость нормированной на единицу площади мощности повреждения кремниевых приборов от длительности воздействующего импульса
Тепловой вторичный пробой является основным видом повреждения р-п переходов ПП и ИМС при обратной полярности воздействующего импульса.
Токовый вторичный пробой
При воздействии импульса перенапряжения на р-п переход в прямом направлении для повреждения требуются, как правило, большие уровни по мощности или энергии. Связано это с более низким порогом отпирания и меньшим сопротивлением при работе в прямом направлении. Однако, если источник наводки имеет достаточно низкий импеданс, разрушение может происходить при прямом смещении, меньшем по абсолютной величине, чем это требуется при лавинном пробое в обратном направлении. Механизм повреждения при этом также имеет тепловую природу, но модели повреждения имеют существенные
2.4. Подпороговые и скрытые эффекты
57
особенности, связанные с высокими плотностями протекающих токов.
В частности, при работе эмиттерного перехода в прямом направлении падение напряжения на распределенном сопротивлении базы приводит к уменьшению напряжения смещения эмиттерного перехода вдоль нее. Поэтому происходит вытеснение эмиттерного тока к периметру эмиттера. Это вытеснение тока увеличивается с ростом напряжения смещения и вызывает локальный перегрев структуры уже при таких токах, какие были бы допустимы в случае равномерного распределения тока. Эффект вытеснения тока приводит к уменьшению электрической прочности р-п перехода в прямом направлении.
Эффект получил название токового пробоя, поскольку критическим параметром, определяющим повреждение перехода, является ток.
2.4.	Подпороговые и скрытые эффекты
Рассмотренные выше необратимые эффекты носят четко выраженный пороговый характер, что позволяет характеризовать стойкость к ним одним критериальным параметром (уровнем воздействия), в качестве которого выступает мощность, напряжение и т.п. в зависимости (или в независимости) от длительности импульса воздействия. Результатом необратимого эффекта, как правило, является катастрофический отказ, который проявляется на уровне электрических и/или функциональных параметров. Доказательством правомерности такого подхода служит большой объем накопленных экспериментальных данных на различных ПП и ИМС, подтверждающих пороговый характер отказа [5, 15,17 и др.].
Однако в последние годы появились факты, свидетельствующие о том, что при подпороговых уровнях воздействия происходит изменение параметров приборов.
58
Часть 1 • Раздел 2 Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Так, в частности, в условиях обратимого лавинного или туннельного пробоя была обнаружена деградация параметров приборов, Оказалось, что после нахождения п-р-п и р-п-р транзисторов в режиме пробоя эмиттерного перехода при ограничении величины тока пробоя возрастает базовый ток [18]. Относительное изменение базового тока линейно растет со временем пребывания в режиме пробоя, причем даже при длительности импульсов 1—10 мкс наблюдается заметная деградация коэффициента передачи тока базы, что исключает ионный механизм данного эффекта. Показано, в частности, что при пробое эмиттерного перехода на границе раздела Si—SiO2 вблизи мест выхода эмиттерного перехода на поверхность кристалла образуются поверхностные состояния, которые обусловлены бомбардировкой поверхности быстрыми электронами, образовавшимися при лавинном размножении. Увеличение скорости поверхностной рекомбинации вследствие появления новых поверхностных состояний приводит к росту соответствующей составляющей базового тока и спаду коэффициента передачи тока.
Деградация параметров в случае обратимого лавинного пробоя может иметь место в МОП транзисторах за счет влияния горячих носителей. Часть горячих электронов, проникающих в окисный слой (процесс 7 на рис. 2.8), при захвате на ловушки может вызывать необратимое локальное изменение порогового напряжения транзистора.
Результатом деградации параметров может быть отказ ПП и ИМС, связанный с выходом параметров за пределы допустимых уровней или нарушением функционирования внутренних элементов.
Помимо явных параметрических изменений, были обнаружены так называемые скрытые или латентные эффекты [17, 19]. Они происходят при уровнях воздействия, ниже порогов повреждения, и не обнаруживаются при электрических измерениях. Их влияние приводит к снижению надежности работы приборов при дальнейшей эксплуатации. Одной из физических причин суше-
2.5. Критерии стойкости полупроводниковых приборов
59
ственного (до 104—106 раз) снижения остаточного ресурса ПП и ИМС после воздействия импульса ЭП являются механические перенапряжения, приводящие к появлению в кристалле дислокаций и трещин. Снижение надежности может быть также связано с влиянием горячих носителей заряда, образующихся в МОП приборах при пробое и вызывающих деградацию окисла. С повышением степени интеграции необходимость учета влияния скрытых эффектов на надежность ИМС возрастает.
2.5.	Критерии стойкости полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
к импульсным электрическим перенапряжениям
Под стойкостью ПП и ИМС к импульсным ЭП понимается свойство прибора выполнять свои функции после воздействия на его выводы импульса (импульсов) перенапряжения с заданными параметрами. Для определения количественной оценки стойкости (по уровню воздействия) вводят понятие критерия стойкости, под которым понимают признак или граничное условие, связанное с параметрами, определяющими функционирование ПП и ИМС. Это могут быть допустимые пределы изменения выходных логических напряжений, допустимое увеличение входного тока утечки и т.п. В общем случае приходится рассматривать всю совокупность параметров ПП и ИМС, определяющих их функционирование, включая статические, динамические и функциональные параметры.
С точки зрения влияния на параметры ПП и ИМС все рассмотренные выше физические эффекты воздействия импульсов ЭП проявляются в следующих формах:
•	временная потеря работоспособности;
•	деградация параметров (электрических);
•	снижение надежности;
•	катастрофический отказ.
60
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
Обратимые (переходные) эффекты вызывают лишь временное нарушение функционирования ПП и ИМС, которое характеризуется временем потери работоспособности. Для определения времени потери работоспособности необходим, в общем случае, анализ переходных процессов в ПП и ИМС под действием наведенных электрических сигналов. Высокий уровень воздействующих электрических сигналов требует использования нелинейных электрических моделей элементов, адекватных в широком диапазоне токов и напряжений (до порога повреждения).
Зависимость времени потери работоспособности от конкретной схемы включения ПП и ИМС и формы воздействующих сигналов затрудняет определение показателей стойкости по данной группе эффектов для отдельных приборов и требует анализа поведения электронного устройства в целом.
Анализ физических эффектов в ПП и ИМС под действием импульсов ЭП позволил установить, что катастрофические отказы в приборах связаны со следующими параметрами сигналов, воздействующих на внутренние элементы ПП и ИМС, и их уровнями:
1.	Превышение энергии, выделенной в некотором внутреннем элементе за определенное время, предельного уровня (уровня повреждения):
'и
о
где Ij(t) — напряжение и ток на рассматриваемом элементе; /и — время действия сигнала; Еп(1ц) — уровень повреждения внутреннего элемента, зависящий от длительности воздействующего импульса.
Выражение для выделенной энергии можно упростить, учитывая, что до момента теплового вторичного пробоя напряжение на элементе остается практически постоянным и равным напряжению лавинного пробоя,
2.5. Критерии стойкости полупроводниковых приборов
61
а падение напряжения на прилежащих к р-п переходу областях сравнительно мало. Тогда для импульса прямоугольной формы
^ = ^проб/) — MQ
В общем случае Uj и 1} создаются всеми внешними по отношению к рассматриваемому элементу источниками энергии, включая и источники питания.
Рассмотренный критерий используется для определения уровней стойкости ПП и ИМС, связанных с эффектами теплового вторичного пробоя полупроводниковых областей.
Иногда уровень стойкости к данным эффектам определяют по мощности рассеиваемой в элементе в течение заданного времени, то есть
p=u^>pM.
Оба этих критерия равноправны и являются, по сути своей, энергетическими.
2.	Превышение тока, протекающего через выделенный внутренний элемент, предельного уровня (уровня повреждения):
где /п — предельный уровень допустимого тока.
Таким критерием описывается эффект токового вторичного пробоя в ПП, перегорание металлизации в ПП и ИМС.
3.	Превышение напряжения, приложенного к некоторому внутреннему элементу, предельного значения:
Ц>иП,
где Un — предельный уровень допустимого напряжения.
Такой критерий используется для определения уровня стойкости по механизмам пробоя диэлектрика и, в ряде случаев, обратносмещенных р-п переходов.
62
Часть 1 • Раздел 2. Влияние электромагнитных полей на аппаратуру
4.	Превышение напряжения, приложенного к внутреннему элементу, некоторого порогового значения при одновременной возможности обеспечения через элемент заданного порогового значения тока:
— Unor '	— AlOP ’
где С1]ОР, /пор — пороговые значения напряжения и тока на элементе, необходимые для развития данного эффекта.
Таким критерием описывается защелкивание паразитных четырехслойных структур под действием импульсов перенапряжения, где £/Пор = бвкл структуры, а /ПОр = /уд-
5.	Превышение скорости изменения напряжения на некотором внутреннем элементе предельного значения:
dU/dt>(dU/dt)m,
где (dU/dt)m — предельная скорость изменения напряжения на элементе.
Такой механизм характерен для включения некоторых типов паразитных четырехслойных структур в КМОП ИМС. Для развития процесса защелкивания необходимо, чтобы ток и напряжение на структуре были больше некоторых удерживающих значений Uya, /уд.
Аналогичными параметрами описывается стойкость ПП и ИМС к импульсам ЭП, связанная с деградацией электрических параметров и снижением надежности, но в отличие от катастрофических отказов эти зависимости носят не пороговый, а непрерывный характер.
Практика показывает, что представленная система параметров достаточно полно описывает поведение ПП и ИМС в составе РЭА, подвергаемой действию ЭМП. Однако совершенствование элементной базы и появление новых типов элементов может привести к необходимости расширения системы параметров.
Раздел третий
Технические параметры и характеристики активных и пассивных элементов защиты
3.1. Рекомендации по определению исходных требований к параметрам и характеристикам элементов защиты
Порядок определения исходных требований к параметрам и характеристикам элементов зашиты должен проводиться в последовательности, указанной на рис. 3.1.
На первом этапе определяются амплитудно-временные характеристики ЭМП искусственного и естественного происхождения с целью подготовки исходных данных для расчета величин ЭП в цепях аппаратуры.
На втором этапе определяются цепи, узлы аппаратуры, которые являются приемниками энергии ЭМП и требуют защиты от воздействия ЭМП, а также основные параметры этих узлов, необходимые при проведении расчета электрических перегрузок.
На третьем этапе проводится расчет параметров и характеристик электрических перегрузок, возникающих в цепях аппаратуры при воздействии ЭМП искусственного и естественного происхождения с целью определения требований к техническим параметрам элементов защиты.
Расчет параметров и характеристик перегрузок, возникающих в цепях аппаратуры при воздействии ЭМП искусственного и естественного происхождения, проводится с помощью специальных разработанных методик. В основе методик используются эквивалентные схемы проводников, кабелей, антенн, которые учитывают геометрические размеры проводников, их материалы, взаимное расположение проводников, характеристики
Рис. 3.1. Алгоритм определения исходных требований к техническим параметрам и характеристикам элементов защиты
Часть 1 • Раздел 3. Параметры и характеристики элементов защиты
3.1. Исходные требования к параметрам элементов защиты
65
векторов напряженности электрической и магнитной со-ставляющих ЭМП и т.д.
В результате расчета должны быть получены следующие параметры наведенного импульса:
•	амплитуда импульса напряжения при разомкнутой нагрузке С/^макс;
•	амплитуда импульса тока при короткозамкнутой нагрузке /кЗМАКС;
•	длительность фронта импульса тока при короткозамкнутой нагрузке ?Ф кз;
•	длительность импульса тока при короткозамкнутой нагрузке ги кз;
•	длительность фронта импульса напряжения при разомкнутой нагрузке /фхх.
На четвертом этапе проводится выбор параметров и характеристик защищаемых цепей, необходимых для определения требований к техническим параметрам и характеристикам элементов и (или) устройств защиты. В результате должны быть определены следующие параметры режимов работы аппаратуры при отсутствии импульсов перегрузки:
•	максимальное постоянное напряжение цепи (/макс (для цепей постоянного тока);
•	максимальная амплитуда переменного напряжения (/МАКС (для цепей переменного тока);
•	допустимая емкость элемента защиты (для цепей переменного тока высокой частоты);
•	допустимое сопротивление элемента защиты /?доп или допустимый ток утечки элемента защиты.
Значение емкости (Сдоп) для цепей усилителей переменного и импульсного токов может быть определенно из следующего выражения:
Сдоп < (ф/2,2-Лвых,	(3.1)
где ЛВых — выходное сопротивление генератора (усилителя); гф — допустимое значение фронта импульса.
66 Часть 1 • Раздел 3. Параметры и характеристики элементов защиты
Для резонансных усилителей значение емкости оказывает влияние на частоту их настройки, что необходимо учитывать при определении Сдоп- Требования к Лдоп определяются допустимым значением потребляемого тока элемента защиты при отсутствии импульсов перегрузки.
На пятом этапе определяется допустимое время срабатывания элемента защиты из выражения:
t	^ПЕР.МАКС f	/э
‘СРАБДОП^ ,,	'‘ФХХ’
^ХХ МАКС
где t/пЕРМАкс — максимальное значение перегрузки по напряжению.
По значениям параметров наведенного импульса перегрузки с учетом режима работы аппаратуры определяют требования к элементам защиты. Далее рассматривают параметры и характеристики существующих элементов защиты с целью проверки возможности удовлетворения их требованиям по защите с помощью одного прибора или их комбинаций.
Во всех случаях при установлении требований к элементам защиты проводится определение предпочтительности применений существующих ограничителей напряжения для защиты цепей аппаратуры от электрических перегрузок.
Если требования к устройству защиты не удовлетворяются существующими элементами защиты и их комбинациями, то проводится подготовка данных на разработку новых типов элементов защиты, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к ним со стороны устройств защиты.
В случае невозможности удовлетворения требованиям к устройству защиты применением отдельных элементов защиты проводится проверка возможности удовлетворения этим требованиям с учетом возможности схемотехнических решений. Если требования к техническим па
3 1 Исходные требования к параметрам элементов защиты
67
раметрам устройства защиты с учетом схемотехнических решений после их реализации не выполняются, то должна проводиться корректировка системо-технических, схемотехнических и конструктивных решений, принятых в защищаемой аппаратуре.
Технические параметры и характеристики элементов защиты должны удовлетворять следующим общим требованиям:
•	уровень напряжения во время действия импульса переходного процесса в точках подключения элементов защиты должен быть максимально близким к рабочему напряжению, действующему до перегрузки;
•	импульсная мощность элементов защиты должна быть больше, чем мощность ЭП;
•	напряжение на элементах защиты в режиме ЭП не должно превышать уровень безопасного напряжения для элементов защиты;
•	быстродействие элементов зашиты должно быть максимально возможным для обеспечения эффективной защиты цепей РЭА при больших скоростях нарастания напряжения;
•	элементы зашиты не должны ухудшать параметры и характеристики защищаемых цепей при отсутствии ЭП;
•	динамическое сопротивление элементов защиты в режиме ограничения должно быть максимально возможным;
•	диапазон рабочих напряжений элементов зашиты должен быть достаточно широким и составлять ряды, позволяющие эффективно оптимизировать выбор нужных типов элементов защиты для защиты конкретной цепи РЭА;
•	габариты и вес элементов защиты должны быть минимальными;
•	устойчивость элементов защиты к воздействию механических, климатических и специальных факторов должна соответствовать требованиям к РЭА;
68
Часть 1 • Раздел 3. Параметры и характеристики элементов защиты
• пассивные элементы защиты (помехоподавляющие фильтры и конденсаторы, ферритовые изделия, радиоэкранирующие и радиопоглощающие материалы) должны обладать высоким уровнем помехоподавле-ния в широком диапазоне частот и большой величиной затухания.
3.2. Основные параметры и характеристики элементов защиты
3.2.1. Полупроводниковые ограничители напряжения
Основными параметрами и характеристиками полупроводниковых ограничителей напряжения являются:
•	прямое (обратное) рабочее напряжение £/раб.Пр (t/рАБ.оБр) — значение прямого (обратного) напряжения, при котором не происходит пробой ограничителя напряжения при заданных параметрах и режимах;
•	прямое (обратное) напряжение пробоя £/ПРобпр ((/пробобр) значение прямого (обратного) напряжения, при котором ток, протекающий через ограничитель напряжения, равен прямому (обратному) тестовому току;
•	прямое (обратное) напряжение ограничения (70ГРПР ((/огр.обр) — амплитудное значение прямого (обратного) напряжения, обусловленное прохождением через ограничитель напряжения прямого (обратного) тока ограничения при заданных параметрах и режимах;
•	прямой (обратный) рабочий ток /рлб.пр (Лабобр) — значение прямого (обратного) тока, протекающего через ограничитель напряжения при приложении постоянного прямого (обратного) рабочего напряжения при заданных условиях;
•	прямой (обратный) тестовый ток пробоя /ПРТ (4>брт) — значение тока в начальной области пробоя, протекаю
3.2 Основные параметры и характеристики элементов защиты
69
щего через ограничитель напряжения при измерении прямого (обратного) напряжения пробоя;
•	прямой (обратный) импульсный ток ограничителя 4>гр.пр (4>гробр) — амплитудное значение тока, протекающего через ограничитель напряжения при приложении прямого (обратного) напряжения, превышающего напряжение пробоя;
•	средняя (постоянная) прямая (обратная) рассеиваемая мощность Рпрср (Л)бр.ср) — произведение мгновенных значений прямого (обратного) тока и прямого (обратного) напряжения ограничителя напряжения, усредненное по всему периоду;
•	импульсная прямая (обратная) рассеиваемая мощность РПРИ (Робри) — произведение амплитудных значений импульсного прямого (обратного) напряжения и тока при заданных параметрах;
•	прямое (обратное) дифференциальное сопротивление Гцин.пр (Гцин.обр) — отношение малого приращения прямого (обратного) импульсного напряжения ограничения к малому приращению прямого (обратного) импульсного тока ограничения при заданных параметрах и режимах;
•	общая емкость С — значение емкости между выводами ограничителя напряжения при заданном режиме;
•	температурный коэффициент прямого (обратного) напряжения пробоя С/Проб.пр (^пробобр) — отношение относительного изменения прямого (обратного) напряжения пробоя к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении прямого (обратного) тестового тока пробоя;
•	коэффициент ограничения на уровне прямого (обратного) напряжения пробоя Аюгр.пробпр (^огр.проб.обр) отношение максимального допустимого прямого (обратного) напряжения ограничения к максимальному допустимому прямому (обратному) напряжению пробоя;
70
Часть 1 • Раздел 3. Параметры и характеристики элементов защиты
•	коэффициент ограничения на уровне максимально допустимого прямого (обратного) рабочего напряжения Когррабпр (^огррабрбр) — отношение максимально допустимого прямого (обратного) напряжения ограничения к максимально допустимому прямому (обратному) рабочему напряжению;
•	время срабатывания в прямом (обратном) направлении ?српр («ср.обр) — интервал времени, в течение которого мгновенное значение напряжения, в течение которого мгновенное значение напряжения, вызванное прохождением прямого (обратного) импульса тока ограничения, превышает максимально допустимое прямое (обратное) напряжение ограничения;
•	допустимое количество импульсов пробоя Мшп.проб-Дополнительными параметрами и зависимостями для полупроводниковых ограничителей напряжения являются:
•	длительность импульса тока ограничения /и ОГР;
•	длительность переднего фронта импульса тока ограничения /ф.оп>;
•	частота повторения импульсов/и;
•	скважность Q;
•	скорость нарастания напряжения dU/df,
•	скорость нарастания тока dt/dt,
•	зависимость прямого (обратного) импульсного напряжения ограничения от импульсного тока ограничения #ОГР.НР(ОБР)И = /(Л>ГР.ПР(ОБР)и)>
•	зависимость максимально допустимого прямого (обратного) импульсного тока ограничения от температуры окружающей среды Лщобр» и макс =/( ^окр);
•	зависимости максимально допустимого прямого (обратного) импульсного тока ограничения от длительности импульса и его формы при различной частоте повторения /пр(обр)и макс =/(4>гри./и);
3.2. Основные параметры и характеристики элементов защиты
71
•	зависимости максимально допустимой постоянной (средней) прямой (обратной) рассеиваемой мощности от температуры окружающей среды Лтрюбркрмакс = =/(ГОКр);
•	зависимость допустимого числа импульсов перегрузки от импульсного прямого (обратного) тока ограничения Л^=/(7ОГРПР(ОБР));
•	зависимость общей емкости от обратного рабочего напряжения Сд =/(^ра15.обр);
•	зависимость прямого (обратного) импульсного напряжения ограничения от скорости нарастания прямого (обратного) напряжения (тока) (4>грпр(обр) ~J\dU/df),
• зависимость времени срабатывания в прямом (обратном) направлении от скорости нарастания прямого (обратного) напряжения (тока) /ср.пр(обр) = f(dU/dt), fidl/dt).
3.2.2.	Разрядники
Основными параметрами разрядников (газоразрядных) являются:
•	статическое напряжение пробоя <7Проб.стат —• значение напряжения пробоя междуэлектродного промежутка при медленном нарастании постоянного напряжения на его электродах (меньше 100 В/с);
•	динамическое напряжение пробоя С/пробдин — значение напряжения пробоя междуэлектродного промежутка при быстром нарастании постоянного напряжения на его электродах (больше 500 В/мкс);
•	напряжение поддержания разряда Цюд.разр — значение падения напряжения на разряднике при протекании через него заданного тока;
•	напряжение погасания Uuor — максимальное постоянное напряжение на электродах разрядника от источника с ограниченным током, при котором разрядник
72
Часть 1 • Раздел 3. Параметры и характеристики элементов защиты
самостоятельно восстанавливает свои изоляционные свойства после прекращения импульса электрического перенапряжения;
•	рабочее напряжение постоянное и переменное на электродах t/PAb, при котором гарантируется отсутствие электрического пробоя в разряднике в течение длительного времени;
•	время запаздывания пробоя /зап.проб — интервал времени от момента подачи на разрядник напряжения до момента возникновения разряда;
•	коммутируемый заряд Q — количество электричества, проходящее через разрядник за импульс;
•	коэффициент ограничения на уровне статического напряжения пробоя А^ГРПР0БСтат — отношение допустимого статического напряжения пробоя к рабочему напряжению;
•	коэффициент ограничения на уровне максимально допустимого рабочего напряжения А'0ГР|>аь — отношение допустимого динамического напряжения к рабочему напряжению.
Дополнительными параметрами и зависимостями для разрядников являются:
•	сопротивление изоляции /?из;
•	междуэлектродная статическая емкость ССГАТ;
•	ток анода в импульсе /АИ;
•	длительность импульса тока анода тимп;
•	длительность фронта импульса тока анода тф;
•	длительность спада импульса тока анода тсп;
•	частота повторения импульсов Я;
•	допустимое количество импульсов пробоя;
•	вольт-секундная характеристика С41робдин=/(6ап проб);
•	зависимость времени запаздывания пробоя от скорости нарастания напряжения на электродах разрядника /зап проб =f{dU/dt}',
•	зависимости амплитуды импульса тока и длительности от количества импульсов пробоя /АИ, тИмп — ЯМ-
3.2. Основные параметры и характеристики элементов защиты
73
3.2.3.	Варисторы
Основными параметрами и характеристиками варисторов являются:
•	классификационное напряжение £/к — напряжение на варисторе при пропускании через него постоянного тока заданной величины;
•	классификационный ток /к — ток, проходящий через варистор, при заданной величине постоянного напряжения;
•	коэффициент нелинейности d — отношение статического сопротивления варистора RCM к его динамическому сопротивлению Rd в заданной точке ВАХ
6. = Rcl/RA = UdIIIdU',
•	асимметрия напряжения Av — изменение значения напряжения на варисторе при изменении напряжения проходящего через варистор заданного тока;
•	асимметрия тока — изменение значения проходящего через варистор тока при изменении полярности прикладываемого к варистору заданного напряжения;
•	напряжение ограничения UorP — амплитуда напряжения на варисторе при пропускании через него импульса тока заданной формы и амплитуды;
•	время срабатывания ГСраб — время запаздывания ограничения перенапряжения при заданном фронте импульса напряжения;
•	защитный коэффициент К3 — отношение напряжения ограничения к классификационному напряжению;
•	температурный коэффициент тока TKI — относительное изменение тока варистора при изменении температуры окружающей среды на 10 °C при неизменном приложенном напряжении;
•	температурный коэффициент напряжения TKU — относительное изменение классификационного напряжения варистора при изменении температуры
74
Часть 1 • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты
окружающей среды на 10 °C и при неизменном токе, протекающим через варистор;
•	коэффициент асимметрии тока Ккс — отношение разности проходящих через варистор токов при изменении полярности прикладываемого напряжения к наименьшему значению одного из этих токов.
Эксплуатационными параметрами и зависимостями ддя варисторов являются:
•	сопротивление изоляции /?из;
•	электрическая прочность изоляции;
•	номинальная мощность рассеяния Рном.расс5
•	предельное рабочее напряжение Un;
•	предельный рабочий ток 4;
•	емкость Св;
•	амплитуда импульса напряжения (/имп;
•	амплитуда импульса тока /имп;
•	длительность импульса тока ти;
•	период следования импульсов Ти;
•	допустимая рассеиваемая энергия импульса И7;
•	средняя мощность рассеяния Рср;
•	допустимое количество импульсов;
•	зависимость номинальной мощности рассеяния от температуры;
•	зависимость предельного рабочего напряжения (тока) от температуры;
•	вольт-фарадная характеристика;
•	зависимость допустимой амплитуды импульсного напряжения (тока) от длительности импульсов и их количества;
•	зависимость проводимости от частоты.
3.2.4.	Помехоподавляющие фильтры и конденсаторы
Основными параметрами и характеристиками помехоподавляющих фильтров и конденсаторов являются:
•	номинальное напряжение UH;
3.2 Основные параметры и характеристики элементов защиты
75
•	номинальный проходной ток /н;
•	ток утечки /у;
•	номинальная емкость Сн;
•	реактивная мощность РРЕК;
•	тангенс угла потерь tgS;
•	сопротивление изоляции Лиз;
•	индуктивность LH;
•	постоянная времени тПось
•	вносимое затухание;
•	зависимость вносимого затухания от частоты.
3.2.5.	Ферритовые изделия
Основными параметрами и характеристиками ферритовых изделий являются:
•	начальная магнитная проницаемость Цн — значение магнитной проницаемости на начальной или основной кривой намагничивания по индукции при стремлении напряженности магнитного поля к нулю, деленную на магнитную постоянную;
•	тангенс угла магнитных потерь tg8M — отношение мнимой части к действительной части комплексной магнитной проницаемости;
•	граничная /ГР — частота синусоидального магнитного поля, при которой действительная часть комплексной магнитной проницаемости уменьшается до значения, составляющего 70% от начальной магнитной проницаемости;
•	точка Кюри 0 — критическая температура, выше которой ферромагнетик становится парамагнетиком;
•	коэрцитивная сила Нс — величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля.
76
Часть! • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты
3.2.6.	Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы
Основными параметрами и характеристиками радиопоглощающих и радиоэкранирующих материалов являются:
1.	Физико-химические параметры покрытий:
1.1.	Удельное объемное электрическое сопротивление pv.
1.2.	Тангенс угла диэлектрических потерь tgS.
1.3.	Диэлектрическая проницаемость ё.
1.4.	Магнитная проницаемость ц.
1.5.	Адгезия к конструкционным материалам Оотр-
1.6.	Коэффициент линейного температурного расширения а.
1.7.	Коэффициент влагопроницаемости Р.
1.8.	Модуль упругости при растяжении Ер.
2.	Радиотехнические параметры и характеристики покрытий:
2.1.	Коэффициент отражения по мощности Гр.
2.2.	Эффективная площадь рассеяния <з.
2.3.	Величина вносимого ослабления сигнала В.
2.4.	Поглощаемая мощность Рп.
2.5.	Длина волны X.
2.6.	Угол падения волны на материал 0.
3.2.7.	Электрические соединители со встроенными элементами защиты
Основными параметрами и характеристиками электрических соединителей со встроенными элементами защиты являются:
•	эффективность экранирования Э;
•	вносимое затухание в полосе частот подавления Д
•	диапазон частот подавления Г;
•	классификационное напряжение £/к;
3.3. Данные по техническим параметрам элементов защиты
77
•	амплитудное значение импульсов перенапряже-ния t/A;
•	амплитудное значение тока в импульсе /А;
•	допустимое количество импульсов пробоя N;
•	импульсная или средняя рассеиваемая мощность Ри(Лр).
3.3.	Данные по техническим параметрам активных и пассивных элементов защиты с учетом перспектив их развития
Основные сведения по техническим параметрам элементов защиты (активных и пассивных) и устройств на их основе с учетом перспектив развития представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Основные данные о технических параметрах элементов защиты (активных и пассивных) и устройств на их основе с учетом перспектив развития
№ п/п	Группа элементов защиты	Наименование параметров, единиц измерения	Значения параметров	
			достигнутые	перспективные
1	Разрядники газоразрядные	1.1.	Напряжение пробоя статическое, В 1.2.	Напряжение пробоя динамическое, кВ при dU/dt = 10-15 кВ/мкс dU/dt = 1-5 кВ/мкс dU/dt - 0,5 кВ/мкс 1.3.	Время запаздывания напряжения пробоя, нс при dU/dt— 10-15 кВ/мкс dU/dt = 1-5 кВ/мкс dU/dt = 0,5 кВ/мкс	60-10000 0,8 0,1-15 0,07-12 До 100 150-300 200-500	30-200000 0,15-80 0,06-450 0,04-400 До 40 До 100 До 150
Часть 1 • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты
Продолжение табл. 3.1
№ п/п	Группа элементов защиты	Наименование параметров, единиц измерения	Значения параметров	
			достигнутые	перспективные
2	Полупроводниковые ограничители напряже-	2.1. Импульсная мощность 0,2-0,3 кВт: диапазон напряжений пробоя,В	15-140	5-200
	НИЯ	общая емкость, пФ	До 30	До 10
		2.2. Импульсная мощность 0,5 кВт: диапазон напряжений пробоя, В		6,2-62
		общая емкость, пФ	—	До 30
		2.3. Импульсная мощность 1,5 кВт: диапазон напряжений пробоя,В	5-200	5-700
		общая емкость, пФ	90-100	До 60
		2.4. Импульсная мощность, 5 кВт: диапазон напряжений пробоя, В	16-39	5-1200
		общая емкость, пФ	До 150	До 90
		2.5. Импульсная мощность 10 кВт: диапазон напряжений пробоя, В		200-1700
		общая емкость, пФ	—	До 90
		2.6. Импульсная мощность 30 кВт: диапазон напряжений пробоя, В	200-700	200-2300
		общая емкость, пФ	До 90	До 90
		2.7. Импульсная мощность 60 кВт: диапазон напряжений пробоя, В		200-2800
		общая емкость, пФ	—	До 150
3.3 Данные по техническим параметрам элементов защиты
79
Продолжение табл. 3.1
№ п/п	Группа элементов защиты	Наименование параметров, единиц измерения	Значения параметров	
			достигнутые	перспективные
		2.8. Импульсная мощность 100 кВт: диапазон напряжений пробоя, В общая емкость, пФ	—	200-3100 До 200
3	Варисторы	3.1.	Классификационное напряжение, В 3.2.	Диапазон токов, А 3.3.	Энергия рассеяния одиночных импульсов, Дж	10-1500 9-1200 1-1200	(1—5)-10—4 (1-10)10-3 (0,15- 2)106
4	Помехоподавляющие конденсаторы и фильтры 4.1. Конденсаторы 4.2. Фильтры	4.1.1.	Номинальная емкость, пФ	i 4.1.2.	Номинальное напряжение, В 4.1.3.	Проходной ток, А 4.1.4.	Вносимое затухание, дБ 4.2.1. Номинальное напряжение, В 4.2.2.	Проходной ток, А 4.2.3.	Минимальная частота подавления помех, ГГц 4.2.4.	Вносимое затухание, дБ	3,3-107 50-1600 4-300 До 20 50-500 5-25 До 10 67	1-Ю7 25-2500 До 1600 До 40 До 1600 0,06—1600 До 20 90
5	Ферритовые изделия	5.1.	Начальная магнитная проницаемость 5.2.	Тангенс угла потерь на граничных частотах 5.3.	Граничная частота, Гц	10-104 0,01-0,9 106—108	5—2 104 0,5-1,0 106-Ю9
80
Часть 1 • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты
Продолжение табл. 3.1
№ п/п	Группа элементов защиты	Наименование параметров, единиц измерения	Значения параметров	
			достигнутые	перспективные
		5.4. Вносимое затухание, дБ	2-30	2-40
		5.5. Диапазон частот помехоподавления, Гц	I06—109	1О6-1О10
6	Помехоподавляющие материалы 6.1. Радиоэх-	6.1.1. Вносимое		
	ранирующие	затухание в диапазон		
	материалы	частот [0 МГц — 10 ГГц, дБ	40-60	100-130
		6.1.2. Удельная плотность, г/см3 6.1.3. Магнитная	2,7-20	<10
		проницаемость	4-20 000	До 80 000
	6.2. Радиопо-	6.2.1. Вносимое		
	глощающие	затухание, дБ	15-40	До 80
	материалы	6.2.2. Удельная плотность, г/см3 6.2.3. Электрическая	0,5-1,0	0,2-0,34
		прочность, кВ/мм	0,2-0,3	4-10
7	Электрические соединители 7.1. Элект-	7.1.1. Эффективность		
	рические	экранирования, дБ	—	50
	соединители,	7.1.2. Вносимое		
	экранирован-	затухание, дБ	—	90
	ные с ФНЧ	7.1.3. Частота подавления, МГц	__	100
	7.2. Электрические соединители с элемента-	7.2.1. Классификационное напряжение, В 7.2.2. Время срабатывания, нс	—	100
	ми защиты цепей от импульсов		—	30-50
				
3.4. Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов 81
Окончание табл, 3,1
№ п/п	Группа элементов защиты	Наименование параметров, единиц измерения	Значения параметров	
			достигнутые	перспективные
	перенапряжения	7.2.3. Диапазон токов, А	—	1,0-ю3
8	Комбинированные устройства защиты	8.1. Импульсная мощность, кВт 8.2. Диапазон напряжений пробоя, В	—	0,6-100 5-1200
Справочные данные по активным и пассивным элементам защиты, СВЧ защитным устройствам и особенностям их применения приведены в разд. 6.
3.4.	Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов
Для защиты цепей аппаратуры и ее элементов от различного рода перегрузок по напряжению используют газоразрядные и полупроводниковые ограничители. К га-зоразразрядным ограничителям относятся разрядники, к полупроводниковым — полупроводниковые ограничители напряжения, металлооксидные варисторы и полупроводниковые приборы общего применения.
По сравнению с другими классами ограничителей напряжения, разрядники имеют весьма высокие напряжения, большое значение допустимого тока и малые межэлектродные емкости, что позволяет использовать их для защиты цепей аппаратуры от ЭМП искусственного и естественного происхождения, когда энергия, выделяемая в ограничителе, достаточно велика. Но применение только одних разрядников из-за значительного времени их срабатывания не решает проблемы защиты многих
82 Часть 1 • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты
ПП и ИМС, поскольку для них недопустимы начальные выбросы напряжений, пропускаемые разрядником. Величина выброса напряжения у разрядников в значительной степени зависит от скорости нарастания фронта воздействующего импульса (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Зависимость напряжения пробоя от времени запаздывания разрядников для различных скоростей нарастания фронта импульса напряжения
При больших скоростях нарастания фронта импульса величина выброса напряжения может возрасти в 5...6 раз по сравнению со статическим напряжением возникновения разряда [8]. Этот недостаток разрядников в меньшей степени проявляется у варисторов и совсем отсутствует у полупроводниковых ограничителей напряжения (рис. 3.3).
Полупроводниковые ограничители напряжения и варисторы выгодно отличаются от разрядников тем, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения под-
3.4. Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов 83
Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики ограничителей напряжения различных классов
держания разряда), поэтому при применении полупроводниковых ограничителей защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников. Наличие низкого напряжения поддержания разряда у разрядников ограничивает их применение для защиты цепей постоянного тока, в которых напряжение источника выше напряжения поддержания разряда.
Полупроводниковые ограничители и варисторы имеют диапазон напряжений 0,7...2000 В, что позволяет использовать их для защиты различных по назначению радиотехнических цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам ПП и ИМС. Эффективность ограничения переходных процессов с помощью полупроводниковых ограничителей и варисторов определяется их динамическим сопротивлением на рабочем участке вольт-амперной характеристики
i=kUd,
где i — мгновенный ток; U — мгновенное напряжение; к — постоянная прибора; d — показатель нелинейности.
84 Часть! • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты
Коэффициент d определяет степень приближения характеристики защитного прибора к идеальной: чем выше d, тем меньше динамическое сопротивление прибора и тем лучшими свойствами ограничения он обладает [20]. На рис. 3.4 показаны ВАХ различных классов полупро-
Рис. 3.4. Вольт-амперные характеристики резистора (/), варистора из карбида кремния (2), селенового элемента (5), варистора из окиси цинка (4) и полупроводникового ограничителя напряжения (5)
Для активного сопротивления d — 1, для варистора из карбида кремния d< 5, у селенового элемента d ~ 10, у полупроводниковых ограничителей напряжения d = — 50... 100, то есть их ВАХ в наибольшей степени приближается к идеальной характеристике. Это означает, что в широком диапазоне токов перегрузки напряжение на ограничителе, а следовательно, на защищаемой цепи при d > 25 будет изменяться незначительно. Например, при d = 10 и отношении токов 10 000: 1 (10 А — 1 мА) напряжение на ограничителе изменится в 2,5 раза, при d = 25 — не более чем в 1,45 раза, а при
3.4. Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов 85
а = 50...100 — всего в 1,22...1,1 раза [20]. Наличие у полупроводниковых ограничителей напряжения высокого показателя нелинейности определяет дополнительное их преимущество по сравнению с варисторами и полупроводниковыми приборами общего применения. По значению допустимого тока полупроводниковые ограничители напряжения и варисторы обладают примерно одинаковыми возможностями, однако характеристики последних заметно ухудшаются после воздействия каждого импульса перегрузки (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Зависимости токов утечки варистора до (7) и после воздействия импульса тока 39 А (2), 330 А (3), 3000 А (4) с длительностью 15 мкс
Полупроводниковые ограничители напряжения имеют также высокое сопротивление в непроводящем состоянии, что выгодно отличает их от варисторов и полупроводниковых приборов общего применения. Недостатком полупроводниковых ограничителей всех видов является большая межэлектродная емкость, что ограничивает их применение в цепях высокой частоты. Для его устранения последовательно с этими приборами включают малоемкостные импульсные диоды. Но применение последних
86
Часть 1 • Раздел 3. Параметры и характеристики элементов защиты
совместно с полупроводниковыми ограничителями сни-жает быстродействие защитного устройства примерно в 1000 раз.
Сравнительная оценка областей применения ограничителей напряжения на различных физических принципах действия должна предусматривать учет свойств, параметров и характеристик не только самих ограничителей напряжения, но и параметров и характеристик защищаемых цепей, а также кратковременных перегрузок, возникающих в цепях аппаратуры.
Для сравнения ограничителей напряжения в числе основных параметров и характеристик сопоставления в первую очередь необходимо использовать:
•	электрические — рабочее напряжение, ток анода в импульсе, длительность импульса тока анода, время срабатывания, межэлектродная емкость;
•	технико-экономические — массогабаритные показатели, стоимостные показатели;
•	технико-эксплуатационные — допустимое число пробоев, устойчивость к воздействию термомеханических и специальных факторов.
Сравнительные данные по основным электрическим параметрам ограничителей напряжения различных классов приведены на рис. 3.6, из которого видно, что перспективные уровни рабочих напряжений и импульсных токов, для различных групп ограничителей напряжения значительно различаются.
Если максимальное рабочее напряжение (статическое напряжение пробоя) для разрядников достигает 10 кВ (в перспективе 40 кВ), то рабочее напряжение для полупроводниковых ограничителей напряжения достигает 200 В (в перспективе — 3100 В) и у варисторов 2000 В. Значения импульсных токов у разрядников достигают 200 кА, для полупроводниковых ограничителей напряжения до 1 кА и у варисторов до 5 кА. Относительно низкие значения рабочего напряжения полупроводниковых
3 4. Сравнительная оценка ограничителей напряжения различных классов 87
40 кВ
____________।___________।___________।__________।____________।
10° ю1 ю2 ю3 ю4 ю5
Диапазон рабочих напряжений, В
10°
10°
__L-
101
—1_________I__________I_________I
ю2 ю3 ю4 ю5
Диапазон импульсных токов, А
Разрядники
__I__________I__________I___________I
10г ю3 ю4 10®
Диапазон межэлектродных емкостей, пФ
	Варисторы
ПП ограничители напряж.	
Разрядники
ю'11
10’10
10
Диапазон времени срабатывания, с
Рис. 3.6. Уровни электрических параметров ограничителей напряжения на различных физических принципах действия
88 Часть 1 • Раздел 3 Параметры и характеристики элементов защиты ограничителей напряжения и варисторов существенно снижают значения импульсной коммутируемой мощности. Этот недостаток может быть в ряде случаев устранен путем последовательного и параллельного их соединения.
Существующие отечественные ограничители напряжения в отдельности не позволяют надежно защищать цепи, в состав которых входят ПП и ИМС, от ЭМП искусственного и естественного происхождения. Выходом из этого положения является комбинированное использование ограничителей напряжения, то есть сочетание полупроводниковых ограничителей напряжения с разрядниками.
Раздел четвертый
Технические параметры и характеристики комбинированных устройств защиты
4.1.	Рекомендации по выбору элементов комбинированных устройств защиты
При проектировании комбинированных устройств защиты и выборе ее элементов должны соблюдаться следующие требования к их параметрам и характеристикам:
•	КУЗ не должны ухудшать параметры и характеристики защищаемых цепей при отсутствии импульсов ЭП;
•	быстродействие элементов защиты КУЗ должно быть максимально возможным (единицы наносекунд) для обеспечения эффективной защиты цепей аппаратуры при ожидаемых скоростях нарастания фронта импульсов ЭП;
•	максимально допустимый импульсный ток КУЗ должен быть не менее максимального тока, наведенного в цепи аппаратуры от воздействия ЭМП;
•	уровень рабочих напряжений элементов защиты КУЗ должен выбираться из условия обеспечения минимально возможного коэффициента защиты при соблюдении наименьшего влияния элементов защиты КУЗ на параметры полезного сигнала в цепи;
•	допустимое количество импульсов КУЗ должно быть не менее возможного количества импульсов ЭП;
•	надежность элементов защиты должна быть выше надежности защищаемых ими схем, узлов и блоков РЭА. В простейшем случае защищаемая цепь РЭА представляет собой источник питания постоянного тока. К элементной базе КУЗ такой цепи должны предъявляться в основном требования по рабочему напряжению и допустимому импульсному току при заданных форме
90
Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
и длительности импульсов ЭП. Для защиты высокочастотного тракта (до 300 МГц) фактором, характеризующим применение элементов защиты КУЗ, является общая емкость этого элемента, а в ряде случаев и индуктивность его выводов.
При защите СВЧ тракта может потребоваться разработка специального КУЗ, в том числе коаксиальной или волноводной конструкции. При решении задачи по защите какого-либо конкретного устройства РЭА от импульсов ЭП может потребоваться проведение достаточно большой работы по проектированию (электрическому и конструктивному) КУЗ с использованием значительного количества показателей, характеризующих импульс ЭП и защищаемую цепь.
Для определения требований к техническим параметрам и характеристикам КУЗ необходимо иметь исходные данные о параметрах защищаемой цепи аппаратуры. К исходным параметрам защищаемой цепи аппаратуры относятся:
•	уровень постоянного или амплитудного значения напряжения;
•	рабочая частота (для высокочастотного сигнала) или длительность фронта импульса напряжения (для импульсных сигналов);
•	входное или выходное сопротивление (для согласованного тракта);
•	коэффициент бегущей волны или коэффициент затухания.
Рассмотренный подход по определению исходных требований к техническим параметрам и характеристикам КУЗ был использован для разработки компьютерной информационно-поисковой системы «Зашита», содержащей базу данных по элементам зашиты цепей РЭА [21].
Информационно-поисковая система «Зашита» предназначена для предварительного выбора элементов зашиты для КУЗ и получения подробной информации
4.1. Выбор элементов комбинированных устройств защиты	91
о выбранных элементах. Система содержит два главных программных модуля (рис. 4.1):
•	программу поиска элементов защиты для КУЗ по требованиям к параметрам ЭП и защищаемой цепи;
•	информационную базу данных по элементам защиты разных классов.
Рис. 4.1. Алгоритм поиска элементов защиты для КУЗ
В программе поиска имеются два способа последующего выхода в базу данных: при известных и неизвестных типах элементов защиты. При известном типе элемента защиты осуществляется прямой выход из программы поиска в информационную базу для получения необходимой информации о нем, а при неизвестных — производится их предварительный поиск по заданным исходным
92
Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
требованиям к параметрам импульсов ЭП и защищаемой цепи. Импульс ЭП задается тремя параметрами: формой (экспоненциальной, колоколообразной и прямоугольной), амплитудой и длительностью на уровне 0,5 от амплитудного значения. Программа предусматривает 7 вариантов защищаемой цепи:
•	цепь постоянного тока с заданным уровнем напряжения;
•	согласованную цепь переменного тока с заданными амплитудой напряжения, рабочей частотой, входным сопротивлением и КБВ;
•	рассогласованную цепь переменного тока с заданными амплитудой напряжения, рабочей частотой, входным сопротивлением и КБВ;
•	цепь, содержащую источник постоянного тока с наложенным переменным напряжением, с заданными уровнями постоянного и переменного напряжений, рабочей частотой, входным сопротивлением и КБВ;
•	цепь, содержащую источники постоянного и переменного напряжения, с заданными уровнями постоянного и переменного напряжений, рабочей частотой, входным сопротивлением и коэффициентом затухания;
•	цепь импульсного напряжения со скважностью, большей 2, с заданными амплитудой импульса тока, длительностью фронта и выходным сопротивлением;
•	цепь импульсного напряжения со скважностью, равной 2 (типа «Меандр»), с заданными амплитудой импульса тока, длительностью фронта и выходным сопротивлением.
Основной составной частью программы поиска является процедура выбора элемента защиты для КУЗ по требованиям к параметрам импульсов ЭП и защищаемой цепи. Ее реализация осуществляется путем сравнения параметров импульсов ЭП и преобразованных данных о защищаемой цепи с преобразованными базовыми данны
4.1. Выбор элементов комбинированных устройств защиты
93
ми об элементах защиты для КУЗ, к которым относятся: рабочее напряжение, допустимый импульсный ток при нормированной длительности, либо его функциональная зависимость от длительности импульса и максимальная общая емкость элемента защиты. Преобразование данных о защищаемой цепи заключается в определении максимальной емкости, подключение которой к цепи обеспечивает заданные значения КБВ, коэффициента затухания и длительности фронта импульса.
Допустимая общая емкость рассчитывается по формулам:
•	согласованный тракт
г <	
доп 2nfKBB-Z0’
•	рассогласованный тракт
С <	1~к2_____.
ДОП“2яЖв-/?вых’
•	импульсный сигнал
с <___________
’-доп - ? л „	,
А2Лвых
где АГбв — коэффициент бегущей волны; Zo — входное сопротивление; К — коэффициент затухания; Лвых — выходное сопротивление; /ф — длительность фронта импульсного сигнала в цепи.
Для обеспечения правомерности выбора элементов защиты по максимально допустимому импульсному току в программе предусмотрен пересчет амплитудного значения токового импульса по величине, учитывающей его форму и длительность.
В результате выполнения процедуры выбора определяется вся номенклатура элементов защиты для КУЗ, удовлетворяющих требованиям по параметрам импульса ЭП и защищаемой цепи, либо устанавливается факт их
94
Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
отсутствия, о чем выдается соответствующая информация. При наличии элементов защиты для КУЗ, удовлетворяющих требованиям, производится их ранжировка по значениям разности между преобразованными базовыми данными и требованиями к защищаемой цепи и импульса ЭП. Четыре элемента защиты, имеющие наименьшую разность, определяются в качестве предпочтительных для защиты конкретной цепи аппаратуры. Помимо поиска одиночных элементов защиты для КУЗ программа предусматривает поиск их простейших схемных комбинаций, таких как последовательное соединение нескольких одноименных (и разнотипных) элементов или последовательное включение элементов защиты с малоемкостными диодами. После определения предпочтительности элементов защиты может быть использована информационная база системы и получена подробная информация об общих данных и НД на поставку элементов, а также об их электрических и эксплуатационных характеристиках с указанием специфических особенностей применения. Информационная база данных системы содержит информацию по четырем группам элементов защиты: полупроводниковым ограничителям напряжения, варисторам, разрядникам и полупроводниковым приборам. Информационная база данных включает данные о 31 ограничителе напряжения, 18 варисторах, 52 разрядниках и 82 полупроводниковых приборах общего применения.
4.2.	Основные параметры и характеристики комбинированных устройств защиты и СВЧ защитных устройств
Основные параметры и характеристики устройств защиты:
•	рабочее напряжение КУЗ, С/РАБ, В;
•	максимальное допустимое импульсное напряжение на входе КУЗ при воздействии импульса ЭП, С/вхи МАКС, кВ;
4.2. Параметры и характеристики комбинированных устройств защиты
95
•	импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, С/выхи МАКС, В;
•	уровень напряжения (рабочего сигнала) в диапазоне частот, при котором не должно происходить срабатывание КУЗ, UypC, В;
•	максимальный допустимый импульсный ток КУЗ при заданной длительности /и МАКС, А;
•	максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при заданной длительности, ^ком и, кВт;
•	длительность импульса тока КУЗ, ти МАКС;
•	рабочая полоса частот, АГраб, МГц;
•	потери рабочего сигнала в диапазоне частот, Бпот, дБ;
•	вносимое затухание в диапазоне частот, В3, дБ;
•	волновой импеданс, Z, Ом;
•	коэффициент бегущей волны;
•	коэффициент стоячей волны;
•	время срабатывания, tCP, нс;
•	время восстановления, /вос, мкс.
Основные параметры и характеристики СВЧ защитных устройств:
•	рабочая полоса частот, АГРЛБ, МГц;
•	потери пропускания, t/np, дБ;
•	пороговая мощность, Рпор, Вт;
•	просачивающаяся мощность, Рпр, мВт;
•	просачивающаяся мощность плоской части, РПл, мВт;
•	мощность пика, Рп, Вт;
•	максимальная импульсная (непрерывная средняя) мощность, /’и.макс, Вт;
•	мощность зажигания, Рзаж, Вт;
•	время готовности, /ГОт, нс;
•	время восстановления, ZB0C, мкс.
96
Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
4.3.	Данные по техническим параметрам и характеристикам комбинированных
устройств защиты и СВЧ защитных устройств
Основные сведения о технических параметрах и характеристиках комбинированных устройств защиты РЭА и СВЧ защитных устройств от ЭМП представлены в табл. 4.1
Значения основных параметров КУЗ должны выбираться из рядов:
•	Рабочее напряжение, В:
0,6; 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 9,0; 12; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 50; 60; 80; 100; 150; 200; 250; 400; 600; 800; 1000; 1250; 1500; 2000; 4000; 6000; 8000;16 000; 20 000; 40 000; 60 000; 80 000; 100 000; 150 000; 200 000.
•	Импульсный ток при длительности импульса 1 мс, А: 50;100;150;200;250;500;1000; 1500;2000; 2500; 4000; 6000; 10 000; 20 000; 40 000; 60 000; 800 000; 100 000; 150000; 200 000.
•	Импульсная коммутируемая мощность при длительности импульса 1 мс, кВт:
0,1; 0,15; 0,3; 0,5; 10; 15; 30; 50; 50; 60; 100; 150; 300; 500.
•	Рабочая полоса частот, МГц:
1,0; 10; 30; 50; 100; 300.
• Максимальные значения подводимой импульсной и средней мощности, Вт:
1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,5; 5,0; 7,5; 10.
Значение параметра, превышающее 10 Вт, получают умножением на 10, 100, 1000 и т.д.
• Значения максимальной просачивающейся мощности, мВТ:
5,0; 10; 25; 50; 100; 300; 500; 1000; 5000.
Допустимые сочетания значений энергии пика и просачивающейся мощности плоской части должны соответствовать табл. 4.2.
Таблица 4.1
Основные данные о технических параметрах и характеристиках КУЗ
Наименование защищаемой цепи	Группа элементов защиты, входящих в состав КУЗ	Наименование параметров КУЗ, единиц измерения	Значения параметров КУЗ
КУЗ для защиты источников пита-	ПП ограничители напряжения на основе кремния;	Рабочее напряжение, В Максимальный допустимый импульсный	6-80
НИЯ постоянного тока	ПП ограничители напряжения на основе арсенида галлия; ПП ограничители напряжения на основе фосфида геллия; ПП ограничители напряжения на основе карбида кремния	ток при длительности импульса 20 мкс, А Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт Время срабатывания, нс	1,5-1000 10-100 0,5-15 1-20
КУЗ для защиты источников пита-	Варисторы; ПП симметричные ограничи-	Рабочее напряжение, В Максимальный допустимый импульсный	200-700
ния переменного тока	тели напряжения на основе ПП широкозонных материалах (арсенада галлия, фосфида галлия, карбида кремния)	ток при длительности импульса 20 мкс, А Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт Время срабатывания, нс	20-100 240-840 30-50 <10
КУЗ для защиты силовых кабелей	Разрядники (газоразрядные) Разрядники (вакуумные)	Рабочее напряжение, В Максимальный допустимый импульсный	30-700
электроснабже-	Варисторы	ток при длительности импульса 20 мкс, кА	1-25
4.3. Данные по параметрам комбинированных устройств защиты
Наименование защищаемой цепи	Группа элементов защиты, входящих в состав КУЗ
ния (однофазные и трехфазные)	ПП симметричные ограничители напряжения на основе ПП широкозонных материалах (фосфида галлия, карбида кремния)
КУЗ для защиты вторичных источников питания	Разрядники (газоразрядные) Разрядники (вакуумные) Варисторы ПП ограничители напряжения на основе ПП широкозонных материалах (фосфида галлия, карбида кремния)
КУЗ для защиты многоканальных линий связи	Разрядники (газоразрядные) Разрядники (вакуумные) Варисторы ПП ограничители напряжения на основе ПП широкозонных
Продолжение табл. 4.1
Наименование параметров КУЗ, единиц измерения	Значения параметров КУЗ
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	50-1200
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт	50-150
Время срабатывания, нс	1-20
Рабочее напряжение, В	250-350
Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, кА	10-20
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	300-400
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт	100-150
Время срабатывания, нс	<20
Рабочее напряжение, В	120-1200
Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, кА	15
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	360-3600
Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
	материалах (арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния)
КУЗ для защиты низкочастотных информационных цепей	ПП ограничители напряжения на основе кремния, ПП ограничители на основе широкозонных ПП материалах (арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния)о
КУЗ для защиты высокочастотных информационных цепей	ПП ограничители напряжения на основе кремния, ПП ограничители на основе широкозонных ПП материалах (арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния)
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт Рабочая полоса частот, МГц Время срабатывания, нс	100-150 До 50 <2
Рабочее напряжении, В	6-580
Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, А	50-200
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	8-820
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт	10-50
Рабочая полоса частот, МГц	До 1,0
Время срабатывания, нс	10-20
Рабочее напряжении, В	5-12
Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, А	100-300
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	7-16
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт	10-15
Рабочая полоса частот, МГц	До 50
Время срабатывания, нс	<10
4.3. Данные по параметрам комбинированных устройств защиты

Наименование защищаемой цепи	Группа элементов защиты, входящих в состав КУЗ
КУЗ для защиты приемников р/с СДВ-ДВ диапазонов	Разрядники (газоразрядные) ПП ограничители напряжения на основе кремния ПП ограничители напряжения на основе широкозонных ПП материалах (арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния)
КУЗ для защиты приемников р/с КВ-УКВ диапазонов	Разрядники (газоразрядные) ПП ограничители напряжения на основе кремния ПП ограничители напряжения на основе широкозонных ПП материалах (арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния)
Окончание табл. 4.1
Наименование параметров КУЗ, единиц измерения	Значения параметров КУЗ
Рабочее напряжении, В	До 10
Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, А	До 1000
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	До 20
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт	5-10
Рабочая полоса частот, МГц	До 10
Время срабатывания, нс	<10
Рабочее напряжении, В	4-50
Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, кА	10-30
Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В	8-150
Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт	5-20
Рабочая полоса частот, МГц	1-150
Время срабатывания, нс	10-100
Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
КУЗ для защиты передатчиков р/с СДВ-ДВ диапазонов	Разрядники (газоразрядные) Разрядники (вакуумные)	Рабочее напряжении, В Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, кА Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В Максимальная допустимая импульсная коммутируемая мощность КУЗ при длительности импульса 20 мкс, кВт Рабочая полоса частот, МГц Время срабатывания, нс	До 1800 До 200 До 2000 До 500 До 1,0 <10
КУЗ для защиты передатчиков р/с КВ и УКВ диапазонов	Разрядники (газоразрядные) Разрядники (вакуумные)	Рабочее напряжении, В Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, А Импульсное напряжение на выходе КУЗ при воздействии импульса ЭП, В Максимальная допустимая мощность при длительности импульса 20 мкс, кВт Рабочая полоса частот, МГц Время срабатывания, нс	32-40 000 100-5000 150 000 10-500 1-150 1-60
КУЗ для защиты передатчиков р/с СВЧ диапазона	СВЧ защитные устройства	Рабочее напряжение, В Максимальный допустимый импульсный ток при длительности импульса 20 мкс, А Импульсное напряжение на выходе КУЗ, В Рабочая полоса частот, МГЦ Время срабатывания, нс Максимальная допустимая мощность при длительности импульса 20 мкс, кВт	До 350 До 100 До 800 До 10 <1,0 Свыше 300
4.3. Данные по параметрам комбинированных устройств защиты
102 Часть 1 • Раздел 4. Параметры комбинированных устройств защиты
Таблица 4.2
Допустимые сочетания значений энергии пика и просачивающейся мощности плоской части
Энергия пика, Дж, не более	Просачивающаяся мощность плоской части, мВт, не более						
	5	10	25	50	100	250	500
0,05 • 10"7	4-	4-	4-	—	—	—	—
0,1 ю-7	—	4-	4-	+	—	—	—
0,16 10"7	—	4-	4-	4-	—	—	—
0,3-10-7	—	—	4-	4-	4-	—	—
0,5 • IO"7	—	—	—	4-	4-	4-	—
1,0 10~7	—	—	—	4-	4-	4-	4-
Примечание: (+) — допустимые значения параметров.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Защита аппаратуры от воздействия электрических перегрузок и высокочастотных помех
Раздел пятый
Рекомевдуемые средства защиты аппаратуры от воздействия электрических перегрузок и высокочастотных помех
5.1.	Методология разработки защиты аппаратуры от воздействия ЭМП
Выбор методов и средств защиты аппаратуры от воздействия ЭМП должен проводиться с учетом предъявляемых к аппаратуре требований по стойкости и выполняемых объектом функции. Создание идеальной защиты объекта от воздействия ЭМП возможно в принципе, но практическая реализация подобной защиты может оказаться чрезмерно сложной и дорогостоящей. Поэтому целесообразно стремиться к достижению такой степени защиты, которая при наименьших затратах обеспечивает выполнение аппаратурой возложенных на них функций.
Проектирование защиты включает следующие основные этапы.
1.	Оценку путей проникновения ЭМП в систему (объект).
2.	Разделение системы (объекта, аппаратуры) на зоны с определенными (допустимыми) уровнями ЭМП и оценку необходимого ослабления полей корпусами подсистем в различных зонах.
3.	Выявление возможных нарушений в аппаратуре за счет токов (напряжений), вызванных действием ЭМП
104
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
на АФУ, кабельные линии, межблочные (межстоечные) соединения, схемные соединения.
4.	Выбор методов и средств защиты аппаратуры и реализация технических решений по защите.
5.	Аналитическую и экспериментальную опенку эффективности защиты.
6.	Проведение испытаний объекта или его подсистем на стойкость к действию ЭМП, выявление и устранение возможных несовершенств зашиты.
Разработка и реализация технических решений по защите аппаратуры должна проводиться на всех этапах (стадиях) разработки РЭА и их составных частей, начиная с этапа разработки технического задания и заканчивая этапом разработки серийных образцов.
Поддержание качества защиты на необходимом уровне в процессе эксплуатации РЭА должно предусматриваться соответствующими инструкциями.
Средства защиты можно разделить на конструкционные, структурно-функциональные и схемотехнические.
Конструкционные методы и средства защиты заключаются в выборе оптимальной конструкции аппаратуры, применении экранирования объекта, аппаратуры или отдельных ее устройств.
Структурно-функциональные методы защиты заключаются в выборе функциональных принципов построения аппаратуры и структуры сигнала с целью повышения стойкости к действию ЭМП.
Схемотехнические способы защиты обычно подразумевают применение элементов защиты схем от действия импульсных напряжений и токов.
Конструкционные и структурно-функциональные методы защиты достаточно широко применяются на практике. Ниже изложены вопросы обеспечения электромагнитной стойкости аппаратуры с использованием элементов защиты.
5.1. Методология разработки защиты аппаратуры от воздействия ЭМП	105
В качестве элементов схем активной защиты от воздействия электрических перегрузок по напряжению и току используются специализированные элементы защиты: полупроводниковые ограничители напряжения, варисторы, разрядники (газоразрядные), дефензоры, а также полупроводниковые приборы общего применения (стабилитроны, импульсные диоды, диоды с барьером Шоттки, выпрямительные диоды с лавинной характеристикой и т.д.), которые в книге объединены общим термином — ограничители напряжения.
В качестве элементов схем пассивной защиты для подавления (ослабления) ЭМП используются помехоподавляющие конденсаторы и фильтры, ферритовые поглощающие изделия, радиоэкранирующие и радиопоглощающие материалы, электрические соединители со встроенными элементами защиты. Особую группу представляют сверхвысокочастотные защитные устройства, которые обеспечивают защиту входных цепей приемника от СВЧ сигналов собственного передатчика, сигналов соседних радиолокационных станций и других внешних СВЧ сигналов, способных вызвать нарушение работы приемного устройства. В качестве элементов СВЧ ЗУ используются резонансные разрядники, полупроводниковые ограничители (импульсные СВЧ диоды, p-i-n диоды, полупроводниковые диодные ограничители) и ферритовые ограничители.
Классификация способов защиты РЭА от воздействия импульсов электрических перегрузок, наводимых в цепях аппаратуры ЭМП, с помощью схемотехнических методов приведена на рис. 5.1.
Защита цепей аппаратуры от воздействия импульсов ЭП может осуществляться:
•	шунтированием входа цепей аппаратуры (параллельная защита);
•	отключением входа цепей аппаратуры от источника ЭП (последовательная защита);
Рис. 5.1. Классификация способов защиты РЭА от воздействия импульсов ЭП с помощью элементов защиты
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
5.1. Методология разработки защиты аппаратуры от воздействия ЭМП 107
•	совместным применением указанных выше способов защиты (комбинированная защита).
Способы шунтирующей защиты подразделяются на три группы:
•	способы подавления (ослабления) ЭП с помощью пассивных элементов зашиты (помехоподавляющих фильтров, конденсаторов и ферритовых изделий);
•	способы, ограничивающие импульс ЭП на уровне полезного сигнала.
Элементами, способными осуществлять эту группу способов шунтирующей защиты, являются ограничители напряжения с Г-образными вольт-амперными характеристиками, полупроводниковые ограничители напряжения, стабилитроны и варисторы; способы глубокого шунтирующего ограничения для импульсов ЭП (по напряжению) большой мощности и продолжительности могут быть реализованы с помощью разрядников, тиристоров и динисторов.
Одним из наиболее рациональных способов шунтирующей защиты является способ многорежимного использования полупроводниковых приборов с Г-образной вольт-амперной характеристикой: многоразового для ограничения импульсов ЭП (по напряжению) сравнительно небольшой амплитуды и одноразового для глубокого необратимого шунтирования редко встречающихся ЭП (по напряжению) большой амплитуды (свыше 100 кВ).
Способы защиты, использующие отключение входов цепей аппаратуры от источников импульсов ЭП (перегрузок по току), подразделяются на две группы:
•	способы ограниченного (частичного) увеличения входного сопротивления защищаемой цепи аппаратуры от источника импульсов ЭП (по току), которые могут быть реализованы с помощью элементов защиты с N-образной ВАХ (например, на дефензорах, терморезисторах) и могут быть использованы для защиты цепей аппаратуры от перегрузок по току;
108
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
•	способы полного отключения защищаемой цепи аппаратуры от источников импульсов ЭП (перегрузок по току).
Механизм действия указанных способов основан на разрыве электрической цепи. Эти способы необходимы для защиты аппаратуры от перегрузок по току большой амплитуды (более 100 А). Простейшими элементами, пригодными для реализации этой группы способов защиты, являются плавкие размыкатели. К недостаткам плавких размыкателей относятся одноразовость и необратимость механизма их работы, недостаточное быстродействие, а также они не исключают опасных перегрузок при небольших увеличениях тока и напряжения. Недостатки размыкателей могут быть частично преодолены с использованием: предохранителей, токопроводящие участки которых образуют электродинамический контур; предохранителей, представляющих собой металлическую пленку, размещенную на поверхности ленты Мебиуса; а также схем форсированных предохранителей, выполненных на основе транзисторов и тиристоров. Увеличение числа выполняемых защитных операций может быть достигнуто путем объединения разрушаемых плавких перемычек в матрицы, снабженные электронными схемами автоматического замещения израсходованных элементов.
Способы полного отключения защищаемой цепи могут быть реализованы также с помощью схем защиты от токовых перегрузок на основе транзисторов и тиристоров.
Способы комбинированной защиты основаны на схемотехнических решениях, в которых применяются последовательно-параллельное включение с Г- и N-образными ВАХ. Перспективным сочетанием таких элементов является использование разрядников и дефензоров с полупроводниковыми ограничителями напряжения. Эффективная защита цепей аппаратуры от внешних импульсов ЭП (по напряжению) может быть основана на новых
5.2. Параллельные одноступенчатые способы защиты
109
физических принципах действия и прежде всего при использовании комбинированных устройств защиты. Схемы защиты в зависимости от уровней энергии импульсов ЭП могут быть построены с помощью применения одного, двух или трех элементов защиты, выполненных на различных физических принципах действия.
Одноступенчатые схемы защиты следует использовать при малых уровнях энергии импульсов ЭП (до 1 Дж), наводимых ЭМП, в экранированной РЭА. Двухступенчатые схемы защиты следует использовать при средних уровнях энергии импульсов ЭП (до 10 Дж), наводимых ЭМП, на антеннах приемных и передающих устройств коротковолновых станций. Трехступенчатые схемы защиты применяются при больших уровнях энергии импульсов ЭП (свыше 10 Дж), наводимых ЭМП на протяженных линиях связи или антеннах длинноволновых приемных и передающих устройств [3].
Анализ методов и средств защиты РЭА от воздействия импульсов ЭП показывает, что одним из перспективных путей защиты РЭА от ЭМП является создание комбинированных устройств защиты
Необходимость разработки КУЗ выбрана тем, что в настоящее время отсутствуют универсальные элементы защиты, обладающие оптимальными характеристиками по всем важнейшим параметрам (по предельной коммутируемой мощности в импульсе, быстродействию, общей емкости и т.д.).
5.2.	Параллельные одноступенчатые способы защиты
5.2.1.	Защита цепей постоянного тока
Для защиты цепей постоянного тока от импульсов ЭП по напряжению должны использоваться полупроводниковые ограничители напряжения или стабилитроны с несимметричной вольтамперной характеристикой.
110 Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
Несимметричность их ВАХ позволяет производить защиту от импульсных ЭП произвольной полярности на разных потенциальных уровнях, что характерно для цепей постоянного тока. Пороговое напряжение у этих приборов ниже напряжения ограничения, что обеспечивает их автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса ЭП. Время их включения меньше времени самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока.
Типовая схема включения полупроводниковых ограничителей напряжения или стабилитронов для защиты источников питания постоянного тока и потребителей постоянного тока от импульсов ЭП по напряжению приведена на рис. 5.2. Ограничители напряжения в этих случаях должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания. Особенно это важно при относительно протяженных линиях питания, например, когда источник и потребитель находится в разных блоках.
Рис. 5.2. Схема защиты источников питания и потребителей постоянного тока
В случае отсутствия защиты на одном из концов линии наведенный импульс напряжения будет приложен к незащищенному входу или выходу блока аппаратуры. Для защиты от опасных перенапряжений в ключевых схемах, в цепях которых имеется индуктивная нагрузка,
5.2. Параллельные одноступенчатые способы защиты
111
ограничители напряжения включаются параллельно за-щищаемому элементу, как это показано на рис. 5.3,а, либо параллельно нагрузке — рис. 5.3,5. Для надежной защиты ключевых элементов от опасных перегрузок по напряжению, можно рекомендовать схему защиты, приведенную на рис. 5.3,в.
Рис. 5.3. Схема защиты цепей с индуктивной нагрузкой
При защите потребителей тока с разнополярными источниками питания (рис. 5.4) ограничители напряжения рекомендуется включать в каждую шину питания. В источниках вторичного питания защиту рекомендуется осуществлять по входным и по выходным цепям. Это показано в качестве примера на рис. 5.5. В данной схеме ограничитель напряжения VD1 выполняет роль защиты
Рис. 5.4. Схемы зашиты интегральных микросхем по цепи питания
112
Часть 2 • Раздел 5 Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
трансформатора Тр1 и транзисторов VT1, VT2. Ограничитель VD4 служит для зашиты выходной цепи преобразователя и снижения уровня коммутационных помех, вызванных непосредственно работой преобразователя [20].
5.2.2.	Защита цепей питания переменного тока
Отличительной особенностью защиты цепей питания переменного тока от цепей постоянного тока является необходимость использования элементов защиты с симметричной ВАХ. Для этих целей могут быть применены варисторы или симметричные ограничители напряжения, которые включаются параллельно защищаемой
5.2. Параллельные одноступенчатые способы защиты
113
цепи (рис. 5.6, 5.7). Подобное включение варисторов позволяет защищать цепи переменного тока от наведенных импульсов ЭП по напряжению каждой фазы относительно заземленного провода, а также между линейными проводами.
В приемниках электрической энергии, фазы которых включены треугольником, элементы защиты включаются между линейными проводами и между каждой фазой и заземленным проводом (рис. 5.7) [20].
Рис. 5.6. Схема защиты трехфазной цепи с заземленной нейтралью
Рис. 5.7. Схема защиты трехфазной цепи с изолированной нейтралью
114 Часть 2 • Раздел 5 Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
В трехфазных источниках и приемниках переменного тока, соединенных звездой с изолированной нейтралью, элементы защиты должны включаться между каждым линейным и заземленным проводом, а также между нейтралью и земляным проводом (корпусом источника и приемника тока (рис. 5.8,а)) или между каждой фазой и нейтралью с одновременной защитой нейтрального провода (рис. 5.8,5) относительно корпуса источника и приемника тока. Защита однофазных цепей переменного тока от импульса ЭП по напряжению, возникающих на входе и выходе трансформатора, может быть осущест-
........................’• б) ..........................
Рис. 5.8. Зашита трехфазных цепей, соединенных звездой, с изолированной нейтралью
5 2. Параллельные одноступенчатые способы защиты
115
влена с помощью встречно включенных несимметрич-ных ограничителей напряжения VD1, VD2 и VD4, VD5 (рис. 5.9). Дополнительно включенные в схему ограничители напряжения VD3, VD6 служат для защиты цепи питания от импульсных напряжений, наведенных на линии относительно корпуса (заземленной шины) аппаратуры. Для этих же целей может быть применена схема, приведенная на рис. 5.10, с использованием варисторов.
Рис. 5.9. Схема защиты однофазных цепей переменного тока с помощью несимметричных ограничителей напряжения
Рис. 5.10. Схема защиты однофазных цепей с помощью варисторов и ограничителей напряжения
Дополнительно включенный в схеме рис. 5.10 симметричный полупроводниковый ограничитель напряжения VD1 позволяет снизить уровень ограничения напряжения нагрузки относительно рабочего напряжения, поскольку коэффициент ограничения варисторов выше, чем у полупроводниковых ограничителей напряжения [20]. При наличии в цепях переменного тока выпрямительных диодов, включенных по мостовой схеме, их защита по
116
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
Рис. 5.11. Схема защиты трансформатора и диодов одним однополярным ограничителем напряжения
обратной ветви ВАХ и ограничение наводок в выходной цепи может быть осуществлена одним несимметричным ограничителем напряжения при его включении в диагональ моста (рис. 5.11). Однако быстродействие устройства защиты в этом случае будет определяться временем включения выпрямительных диодов. Кроме того, выпрямительные диоды должны иметь допустимый импульсный прямой ток не ниже тока электрической перегрузки [20].
5.2.3.	Защита информационных цепей и цепей переменного тока высокой частоты
Для защиты подобных цепей могут быть применены ПП ограничители напряжения, стабилитроны, варисторы и импульсные диоды. Выбор типов элементов и их параметров зависит от характера сигналов, действующих в цепях (однополярных или двухполярных) и частоты их повторения. Так например, для защиты цепей с однополярными сигналами могут быть применены схемы включения несимметричных ограничителей, приведенные на рис. 5.12 и 5.13. В этом случае элементы защиты включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных.
При наличии в цепи двухполярных сигналов вместо несимметричных ограничителей используются элементы защиты с симметричной ВАХ. При малых уровнях двух-
5.2. Параллельные одноступенчатые способы защиты
117
Рис. 5.12. Схема защиты интегральных микросхем и микропроцессоров по линии передачи данных
Рис. 5.13. Схема защиты микропроцессора по входным-выходным цепям и цепям питания
полярных рабочих сигналов могут быть использованы импульсные диоды, включенные в цепь встречно-параллельно (рис. 5.14,а). Для однополярных сигналов схема включения диодов показана на рис. 5.14,6 Количество последовательно соединенных диодов в этом случае определяется уровнем напряжения входного сигнала. Обычно рекомендуется соединять последовательно не более
118 Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
двух-трех корпусных диодов, так как при большем их числе возрастает индуктивное сопротивление подобной конструкции цепи защиты. Поэтому в цепях высокой частоты с высоким уровнем сигналов используются малоемкостные ограничители напряжения, в которых в одном корпусе встроены ограничитель напряжения и малоемкостной диод.
Рис. 5.14. Схема защиты целей высокой частоты с двухполярными (а) и однополярными (б) сигналами
В этих случаях могут также использоваться ограничители напряжения с большей емкостью р-п переходов, но последовательно с ними необходимо включать малоемкостные импульсные диоды, как это показано в качестве примера защиты симметричных линий связи на рис. 5.15 [20].
5.2. Параллельные одноступенчатые способы защиты
119
Рис. 5.15. Схема защиты симметричных линий связи высокой частоты:
а — с четырьмя ограничителями напряжения;
б — с двумя ограничителями напряжения
На рисунке 5 Л 6, а—в приведены схемы защиты входных цепей усилителей высокой частоты от импульсов ЭП произвольной полярности.
В схеме рис. 5.16,а двухсторонняя защита достигается встречно-параллельным включением двух импульсных диодов при уровне ограничения импульса наводки (0,7—3) В и уровне полезного сигнала с амплитудой не более 0,3 В. В схеме рис. 5.16,6 повышение порога срабатывания защиты и, соответственно, допустимого
120 Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
уровня полезного сигнала обеспечивается смещением ВАХ диодов с помощью дополнительного источника Е1 и резистивных делителей напряжения (Rl, R2), шунтированных емкостью конденсатора С1. Эта же задача в схеме рис. 5.16, в решается с помощью стабилитронов или несимметричных ограничителей напряжения.
Рис. 5.16. Защита входных и выходных цепей усилителей:
а — включение диодов без смещения; б — включение диодов со смещением от источника напряжения; в — включение диодов со смещением с помощью стабилитрона
При наличии последовательно включенных диодов собственная емкость стабилитронов не оказывает существенного влияния на входе (выходе) транзисторов при
5.3. Последовательная защита источников питания
121
высокой частоте усиливаемых сигналов. В данных схемах возможно также применение малоемкостных ограничителей напряжения, удовлетворяющих требованиям по величине допустимой емкости [20].
5.3.	Последовательная защита источников питания
Последовательные схемы защиты используются от токовых перегрузок источников электропитания и нагрузок. В ряде случаев последовательные способы защиты могут быть применены и для защиты этих цепей от перегрузок по напряжению, когда амплитудное значение импульса перегрузки не превышает предельно допустимой величины напряжения элемента защиты. Электрическая схема устройства последовательной защиты потребителя от перегрузки по току с применением транзистора показана на рис. 5.17. В данной схеме при повышении тока в нагрузке увеличивается падение напряжения на измерительном резисторе Ян, которое поступает на пороговую схему управления (СУ). Схема управления переводит транзистор в закрытое состояние [20]. Для защиты потребителей от перегрузок по напряжению может быть применена схема, показанная на рис. 5.18.
Рис. 5.17. Схема защиты потре- Рис. 5.18. Схема защиты по-бителя от токовых перегрузок требителя от перегрузок по напряжению
122
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
В этой схеме СУ срабатывает при увеличении напряжения питания выше заданного порогового уровня и шунтирует эмиттерно-базовый переход транзистора, в результате чего транзистор выключается. Схема уп-
Рис. 5.19. Схема защиты потребителя переменного тока от перегрузок по напряжению
фензором показана на р
равления содержит ждущий мультивибратор, который через заданный интервал времени повторно включает транзистор. Аналогично выполнена схема защиты нагрузки источника переменного тока на симметричном тиристоре (рис. 5.19) [20].
Схема простейшего электронного предохранителя с де-;. 5.20. В схеме дефензор VT2
запускается от релаксационного генератора, выполненного на однопереходном транзисторе VT1. При превышении тока в нагрузке выше порога срабатывания де-фензора последний срабатывает и отключает нагрузку от
Рис. 5.20. Электронный предохранитель на дефензоре с автоматическим включением
5.3. Последовательная защита источников питания
123
источника питания. Уровень порога срабатывания дефензора может устанавливаться изменением тока удержания с помощью резистора R2. Стабилитрон VD1 служит для стабилизации тока удержания.
Применение дефензоров в каскадных схемах (рис. 5.21) позволяет создавать самозащищенные транзисторные схемы, работающие в линейных или ключевых режимах. Установив ток включения на заданный порог, в случае использования каскадной транзисторной схемы в линейном режиме, можно защитить от превышения тока или напряжения. В ключевом каскадном включении при установлении тока включения дефензора ниже максимального тока ключевого транзистора можно предотвратить его отказ при коротком замыкании нагрузки Лн.
Рис. 5.21. Каскадная схема включения дефензора
Применение дефензоров в каскадных схемах позволяет создавать электронные предохранители с более высокими значениями напряжений электрических перегрузок [20]. К недостаткам способов последовательной защиты следует отнести большое время включения элементов защиты, которое может составлять единицы микросекунд. Кроме того, эти способы могут быть реализованы при низких уровнях допустимых импульсов ЭП по напряжению, не превышающих нескольких сотен вольт.
124 Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
В связи с этим применение рассмотренных последовательных схем защиты предпочтительно только при воздействии низких уровней импульсов ЭП для цепей питания аппаратуры. Вместе с тем последовательные способы защиты могут быть успешно использованы в комбинации с параллельными способами защиты.
5.4.	Многоступенчатые способы защиты
Многоступенчатые способы защиты применяют в том случае, когда поглощаемая энергия одним элементом защиты превышает установленный для него допустимый уровень, или когда уровень ограничения наведенного импульсного напряжения оказывается выше допустимого значения для данной цепи. Обычно используются две или три ступени защиты. Первая ступень защиты служит для ограничения энергии, поступающей на последующие ступени защиты. Так например, эффективность схем последовательных способов защиты, приведенных на рис. 5.22, 5.23, значительно повышена, так как параллельно их входу подключены варистор или полупроводниковый ограничитель напряжения. При этом снижаются требования к элементам последовательной защиты по допустимым величинам напряжений и токов импульсных перегрузок. Кроме того, импульс напряжения перегрузки, а соответственно и ток, поступающий
Рис. 5.22. Многоступенчатая схема защиты цепей питания нагрузки постоянного (а) и переменного (б) токов
5.4 Многоступенчатые способы защиты
125
Рис. 5.23. Трехступенчатая схема защиты цепей нагрузки постоянного (а) и переменного (б) токов
на входную цепь нагрузки (Лн), до момента времени включения элементов последовательной защиты, будет также ограничен.
На рисунке 5.22,а показана простейшая двухступенчатая параллельно-последовательная схема защиты нагрузки источника питания постоянного тока с применением ограничителя напряжения и дросселя фильтра. Включение дросселя в схеме позволяет значительно снизить величину тока через ОН при условии, когда длительность наведенного импульса (/н) меньше постоянной времени цепи
t = Ддр/Яд,
где L№ — индуктивность дросселя, Ra — динамическое сопротивление ОН.
Подобная схема может быть применена и для защиты источников питания переменного тока (рис. 5.22,б) при условии /и < 1//с, где/с — частота тока источника питания.
Недостатком схем, показанных на этих рисунках, является необходимость применения дросселя фильтра с высоковольтной межвитковой изоляцией. Для устранения этого недостатка может быть применена схема зашиты, приведенная на рис. 5.23. В схеме рис. 5.23,а основная доля энергии наведенного импульса поглощается варистором. Уровень ограничения первой ступени
126
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
защиты при максимальном токе варистора составляет ве-личину (1,8—2,0) рабочего напряжения цепи (Uvц). Дальнейшее снижение уровня ограничения до (1,2— 1,3)£7РЦ осуществляется с помощью дросселя фильтра и ограничителя напряжения при условии, что импульс тока наводки, проходящей через ОН (УД1), много меньше максимально допустимого значения. Это условие обеспечивается, когда /и < L№/R№ [20].
В схеме рис. 5.23,б с разрядником до момента его включения наведенный импульс ограничивается с помощью дросселя фильтра и ограничителя УД I. После пробоя разрядника входная цепь нагрузки полностью шунтируется его низким сопротивлением. Поскольку время задержки пробоя разрядника (t3 Р) составляет величину (0,05... 1,0) мкс, то ток через УД1 при наличии дросселя за это время возрастает незначительно. Эти условия обеспечивают уровень ограничения за время t3 Р, близкий к уровню рабочего напряжения входной цепи нагрузки, даже при малых значениям индуктивности дросселя фильтра.
Подобные схемы защиты могут быть применены и для защиты незаземленных линий питания, а также относительно низкочастотных симметричных информационных цепей и линий связи (рис. 5.24,а, б). В этих схемах использованы трехэлектродные разрядники, а вместо дросселя фильтра — трансформатор, обмотки которого включены встречно. Такое включение обмоток трансформатора позволяет ослабить синфазные токи. Для улучшения массогабаритных показателей высокочастотные дроссели фильтра и трансформатора обычно выполняют на сердечниках из феррита [20].
На рисунке 5.25 показаны способы зашиты цепей, в которых элементы защиты с S- и Г-образными характеристиками включены последовательно между собой, а свободными выводами — параллельно защищаемой цепи. Такое включение элементов защиты позволяет: снизить уровень ограничения импульса перегрузки
5.4. Многоступенчатые способы защиты
127
Рис. 5.24. Трехступенчатая параллельно-последовательная схема защиты цепей питания с незаземленной шиной и симметричными линиями связи
Рис. 5.25. Способы защиты цепей питания и линий связи с последовательно соединенными элементами защиты с S- и Г-образными ВАХ
VD6
VD2
VD3
VD7
VD8
128
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
до 1,2—1,5 от рабочего напряжения в цепи; использовать эти схемы как в низкочастотных, так и высокочастотных цепях (так как емкость элементов защиты с S-образной характеристикой значительно ниже приборов с Г-образ-ной характеристикой); применять их для защиты цепей постоянного тока с автоматическим отключением от цепи после окончания импульса перегрузки. Для обеспечения уровня ограничения импульса перегрузки, равного (1,2—1,5) 6/ру, в схемах рис. 5.25 напряжение пробоя разрядников (/проб или напряжение включения динисторов
выбирают из условия (/ПРОБ ((/вкл) > (/ру.макс- Затем по ВАХ варистора выбирают рабочее напряжение, при котором его ток не превышает ток прерывания разряда у разрядников (0,1 А) рис. 5.25,а, б.
В схемах рис. 5.25, в,г рабочее напряжение ограничителей напряжения может быть принято равным (/проб или определено по ВАХ, при котором величина его тока ниже тока удержания динистора.
В схеме рис. 5.25,г динисторы (УД2, УДЗ) и диоды (УД4, УД5) могут быть исключены и заменены симметричным тиристором. К недостаткам схем защиты рис. 5.25 следует отнести наличие времени запаздывания пробоя разрядников и включения динисторов. Поэтому эти способы защиты рекомендуется использовать только в случае наведенных импульсов электрической перегрузки с большей длительностью (20]. С целью исключения выбросов напряжения на выходе схем защиты, образованных из-за задержки времени пробоя разрядников или включения динисторов, дополнительно включают еще одно звено защиты, как это показано в качестве примера в схеме на рис. 5.25, в пунктиром (20]. Многоступенчатые способы защиты рекомендуется применять во входных и выходных цепях приемопередающих станций и средств связи с протяженными линиями, когда энергия наводимого импульса достаточно велика. На рисунке 5.26 показана двухступенчатая схема высокочастотного усилителя,
5.4 Многоступенчатые способы защиты
129
вход которого соединен с антенной приемного устрой-ства. В схеме при возникновении в антенне импульса напряжения большой амплитуды в начальный момент срабатывает один из полупроводниковых диодов, так как его уровень ограничения ниже напряжения пробоя разрядника, а быстродействие выше (первая ступень). По истечении времени запаздывания разрядника, когда напряжение возрастает до порога срабатывания, он включается и шунтирует входную цепь антенны (вторая ступень). Время прохождения импульса ЭП через диод равно времени запаздывания пробоя разрядника, которое мало, поэтому поглощенная диодом энергия не велика и основная доля напряжения поглощается разрядником.
Рис. 5.26. Схема защиты входной цепи приемника
Если уровень энергии, поглощаемой диодом, превышает допустимый, то в цепь включают дополнительный разрядник с меньшим напряжением возникновения разряда по сравнению с основным (на рис. 5.26 он показан пунктиром). В этом случае защита будет трехступенчатой [20]. Аналогично осуществляется защита выходных каскадов передающих устройств. Только в этих схемах импульсные диоды включают последовательно с ограничителем напряжения. Одним из вариантов трехступенчатого способа защиты протяженной многоканальной линии связи и необслуживаемого усилительного пункта, когда все усилители на линии питаются последовательно от одного источника, показан на рис. 5.27.
130
Часть 2 • Раздел 5 Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
Рис. 5.27. Схема защиты линейного усилителя в НУП
Основными элементами первой ступени защиты в этой схеме со стороны входа являются полупроводниковые диоды, со стороны выхода — диоды и ограничители напряжения. Когда импульс напряжения между электродами разрядника Р2 достигает напряжения пробоя, последний срабатывает и шунтирует цепь. При дальнейшем увеличении импульса напряжения на линии конденсатор Сф заряжается до напряжения пробоя мощного разрядника Р1, последний срабатывает и полностью шунтирует вход блока усилителя. Как видно на рис. 5.27, цепи зашиты выхода усилителя аналогичны входной цепи. Элементы L1 и С2 служат для разделения высокочас-
Рис. 5.28. Упрощенная схема защиты симметричных линий связи: а — линия связи низкой частоты; б—линия связи высокой частоты
5.5. Защита цепей аппаратуры с помощью помехоподавляющих фильтров 131
тотного полезного сигнала и постоянного напряжения. Стабилитрон УДЗ используется в качестве делителя напряжения дистанционного питания. Одновременно он выполняет функции защиты усилителя по цепи питания.
В симметричных протяженных линиях связи элементы защиты включают в каждую цепь линии симметрично относительной общей шины заземления, как показано на рис. 5.28,а,б для случаев защиты низкочастотных и высокочастотных цепей [20].
5.5.	Защита цепей аппаратуры с помощью помехоподавляющих фильтров и активных элементов защиты
Помехоподавляющие фильтры используются для защиты от коммутационных помех, радиопомех, излучаемых РЛС, и других помех относительно небольшой амплитуды.
По своей структуре фильтры делятся на: С-типа, L-типа, П-типа и Т-типа. Выбор фильтра одного из указанных типов зависит от требуемого уровня ослабления помехи в заданном диапазоне частот, сопротивления источника и нагрузки, а для сетевых фильтров, кроме того,— максимально допустимого тока нагрузки.
Фильтры С-типа применяют в тех случаях, когда сопротивление источника и нагрузки выше сопротивления фильтра по переменному току. Крутизна среза характеристики вносимых потерь составляет 20 дБ на декаду за частотой среза.
Фильтры L-типа следует применять в системах, где сопротивление источника и сопротивление нагрузки существенно различны. Фильтр должен устанавливаться таким образом, чтобы индуктивность была обращена к низкоомной нагрузке. Выше частоты среза крутизна характеристик вносимых потерь составляет 40 дБ на декаду.
132
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
Фильтры P-типа следует применять в тех случаях, когда сопротивления источника и нагрузки относительно равны по величине и могут считаться высокими по сравнению с сопротивлением фильтра переменному току. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимых потерь составляет 60 дБ на декаду.
Фильтры Т-типа применяют в тех случаях, когда сопротивление источника и нагрузки оба малы (например, в источниках электропитания). За частотой среза крутизна характеристики вносимых потерь составляет 60 дБ на
Рис. 5.29. Схема защиты цепей постоянного тока с ограничителем напряжения и фильтрами П-типа (а) и Т-типа (б)
Рис. 5.30. Схемы защиты цепей переменного тока с варисторами и фильтрами П-типа (а) и Е-типа (б) и симметричным ограничителем напряжения и фильтрами L-типа (в) и П-типа (г)
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 133
декаду. Общим недостатком фильтров является их низкая электрическая прочность, не превышающая нескольких сотен вольт, что не всегда позволяет их использовать для защиты цепей от воздействия импульсных перегрузок, наводимых ЭМП. Для устранения этого недостатка параллельно входу фильтра включают активный элемент защиты — варистор, полупроводниковый ограничитель напряжения или разрядник. Возможные варианты подобных схем защиты представлены на рис. 5.29 и 5.30 [20].
5.6.	Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты
В качестве элементов КУЗ выбираются активные и пассивные ЭРИ из условий обеспечения защиты при максимально возможных амплитудно-временных параметрах напряжений и токов, наводимых в цепях аппаратуры от воздействия мощных электромагнитных полей различного происхождения.
В настоящее время известен целый ряд КУЗ цепей аппаратуры от воздействия электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения.
На рисунке 5.31,а показана простейшая двухступенчатая параллельно-последовательная схема защиты нагрузки источника питания постоянного тока с применением варистора (Я/), полупроводникового ограничителя напряжения (УДТ) и дросселя фильтра (£). Основная доля энергии наводимого импульса ЭП поглощается варистором. Дальнейшее снижение уровня ограничения осуществляется с помощью дросселя фильтра и ПП ограничителя напряжения, когда длительность наведенного импульса ЭП меньше постоянной времени цепи т = = LM,/Rry, где £ДР — индуктивность дросселя, /?д — динамическое сопротивление ограничителя напряжения (ОН). В этой схеме для защиты нагрузки источника питания постоянного тока на напряжение 100 В от воздей
134 Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
ствия импульса ЭП используется варистор типа СН-2-1, ПП ограничитель напряжения 2С603А. Вместо ограничителя напряжения 2С603А можно использовать ПП ограничители напряжения типа 2С802В с рабочим напряжением до 50 В с последовательным их включением.
На рисунке 5.31, б приведена двухступенчатая параллельно-последовательная схема защиты нагрузки источника питания переменного тока с применением разрядника Р1, симметричного ПП ограничителя напряжения VD1 и дросселя фильтра L. До момента включения разрядника наведенный импульс ЭП ограничивается с помощью дросселя фильтра и ограничителя VD1. После срабатывания разрядника входная цепь полностью шунтируется его низким сопротивлением. Поскольку время задержки пробоя разрядника составляет величину 0,15 мкс, то ток через VD1 при наличии дросселя за это время возрастает незначительно. Это обеспечивает уровень ограничения разрядника близким к уровню рабочего напряжения входной цепи, даже при малых значениях индуктивности дросселя фильтра (единицы микрогенри). В этой схеме для защиты нагрузки источника питания переменного тока на напряжение 220 В от воздействия импульсов ЭП используется симметричный ограничитель напряжения типа 10С2 с рабочим напряжением 240 В. Для обеспечения стойкости КУЗ к ИИ можно вместо ограничителя напряжения 10С2 использовать варистор типа СН-2-2 с рабочим напряжением 380 В.
L	L
Рис. 5.31. Схема КУЗ для источников постоянного (а) и переменного (б) токов от воздействия импульсов ЭП
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 135
Простейшими комбинированными устройствами защиты являются сетевые переходные колодки, служащие для подключения компьютеров и любой другой радиотехнической аппаратуры для ее питания от источников переменного тока. Каждая розетка такой колодки снабжена индивидуальным защитным устройством, состоящим из дросселя фильтра и варистора (рис. 5.32,а).
Рис. 5.32. Схема КУЗ для защиты входных цепей питания компьютеров (а) и радиотехнической аппаратуры (б) от воздействия импульсов ЭП
Другой вариант электрической схемы комбинированного устройства для защиты входных цепей электропитания аппаратуры представлен на рис. 5.32,6. Этот вариант КУЗ выполняет те же функции, что и предыдущий. Однако наличие в схеме Т-образного фильтра, позволяет осуществлять защиту входных цепей питания аппаратуры от высокочастотных помех свыше 500 кГц.
Дополнительное введение релейной схемы защиты способствует отключению аппаратуры от сети при длительных перегрузках по току. В этих схемах защиты цепей
136
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
питания переменного тока используются варисторы типа СН-2-1 с рабочим напряжением 330 В.
Схема КУЗ для защиты силовых кабелей от воздействия импульсов ЭП представлена на рис. 5.33. В качестве элементов защиты в схеме используются варистор (5/) и тиристоры (VT1, VT2). Варистор выполняет функцию порогового элемента д ля включения тиристоров и частичной зашиты цепи в начальный момент времени нарастания импульса ЭП. При дальнейшем нарастании импульса ЭП через некоторое время включаются тиристоры, которые полностью шунтируют цепь.
Основные условия работы схемы защиты:
^ОП>(В) < ^4дОП(УГ1,\ГГ2)5 с??7/ЛдОГ1(уп;ут2) > dU/dt, где ^ОГР(В> ~ уровень ограничения варистора; ^Л.дои <vri, vt2) — допустимое напряжение на анодах тиристоров; dU/dtlvm(Vuym — допустимая скорость нарастания напряжения на тиристорах; dU/dt — скорость нарастания импульса ЭП.
Рис. 5.33. Схема КУЗ для защиты электропитания
Для ограничения скорости нарастания напряжения на тиристорах в схему включены дроссель и конденсатор с емкостью 0,25 мкФ. В схеме защиты используются сильноточные высоковольтные тиристоры типа 2Т1250,
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 137
которые при длительности импульса тока 10 мс способны коммутировать токи до 30 кА.
На рисунке 5.34 приведена электрическая схема устройства защиты систем электроснабжения, управления и связи от импульсов ЭП, выполненная на основе
вышеуказанных типов разрядников. В этих разрядниках применены искровые промежутки с магнитным гашением дуги. Магнитное поле в искровом промежутке (ИП) создается катушками (КМ), которые включены последовательно с искровыми промежутками. При пробое искровых промежутков через катушки протекает ток и на зажимах катушек могут возникать обходные искровые промежутки — ОИП. Для создания резкого неравномерного распределения напряжения по искровому промежутку в разрядниках применены нелинейные шунтирующие сопротивления ШС и конденсаторы К.
Однократная пропускная способность вентильных разрядников типа РВТ и РВРД при длительности импульса тока 1 мс — составляет (6...40) кА.
Одним из перспективных направлений по защите СЭС от
Рис. 5.34. Схема КУЗ на основе разрядников РВТ и РВРД для защиты систем электроснабжения
мощных импульсов ЭП является использование энергии взрывчатых веществ. Взрывчатое вещество характе-
ризуется способностью аккумулировать в малом объеме большую энергию, выделять ее в заданный момент времени, развивать огромную мощность. Все это позволяет
138
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
создавать новый тип защитных устройств, отличающих-ся от существующих прежде всего повышенным быстродействием, большой коммутационной способностью при малых габаритах. Исследования по коммутации и отключения токов взрывом указали на возможность создавать устройства защиты от импульсов ЭП на базе взрывных коммутаторов.
Электрическая схема разработанного КУЗ на базе ВК на напряжение 0,4; 6,0; 10 кВ и пропускную способность по току до 30 кА при длительности 10 мс приведена на рис. 5.35.
взрывных коммутаторов
По своему функциональному назначению КУЗ на базе ВК можно разделить на два узла: датчик инициирования (ДИ) и взрывной защитный коммутатор. ДИ состоит из трех искровых промежутков Pt, Р? и Л. Промежуток Рх датчика выбирается из расчета допустимого напряжения в сети. Промежуток Р2 закорочен взрывающимся проводником. Промежуток Р3 устанавливается на минимальное пробивное напряжение. С появлением
5.6 Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 139
в сети импульса ЭП пробивается искровой промежуток Р, и через закороченный Рг происходит инициирование детонатора. Далее срабатывает промежуток Р3 и шунтирует детонатор. ВК состоит из размыкателя Р, замыкателя 3 и электродетонатора Дс зарядом ВВ и предназначен д ля сверхбыстрого соединения токопровода с землей или оболочкой кабеля и отключения источника от потребителя. В исходном состоянии Р — замкнут, а 3 — разомкнут. При срабатывании ДЯ и инициировании Д под действием ударной волны и высокого давления деформируются токоведушие части и происходит замыкание 3, а также размыкание Р, который образует промежуток с высокой электрической прочностью, отделяя потребителя от сети, что полностью исключает попадание импульса ЭП на электрооборудование.
Одним из наиболее перспективных направлений в конструктировании устройств защиты аппаратуры от электрических перегрузок является использование параллельного включения нелинейных резисторов. Отечественной промышленностью создан целый ряд устройств защиты с нелинейными резисторами на напряжение 0,4; 6 и 10 кВ. Данным устройствам защиты присвоено название — устройства защиты автономные. Основные технические характеристики УЗА приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Основные технические характеристики УЗА
Основные параметры	Ф0402	Ф0403	Ф6002	Ф1002	Ф1003
Рабочее напряжение, кВ	0,4	0,4	6,0	10	10
Максимальное напряжение ограничителя, кВ	1,5	1,5	23	34	34
Максимальное значение тока в цепи «жила—металл опокров», кА	50	50	25	10	10
Длительность импульса тока, нс	10	10	10	10	10
140 Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
Устройства защиты на базе нелинейных резисторов типа РНС-60-ЗУ обеспечивают надежную защиту систем электроснабжения классов 0,4; 6 и 10 кВ от импульсов ЭП.
На рисунке 5.36 приведена схема комбинированного устройства защиты блока линейного усилителя аппаратуры многоканальной системы связи К-3600 от воздействия импульсов ЭП. КУЗ имеет две ступени защиты. В качестве второй ступени — мостовая схема с применением импульсных диодов с малой емкостью. Мостовая схема, в которой в диагональ моста включен диод, позволяет повысить уровень порога ограничения и пропустить сигнал с большой амплитудой.
L
Рис. 5.36. Схема КУЗ для защиты блока линейного усилителя многоканальной системы связи К-3600 от воздействия импульсов ЭП
В этой схеме используются импульсные диоды типа 2А515А и ограничитель напряжения типа 2С501А.
Электрическая схема устройства защиты входов аппаратуры от воздействия импульсов ЭП, наводимых в линиях для передачи информационных сигналов действием электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения, представлена на рис. 5.37.
В этой схеме в качестве первой ступени защиты линии применены мощный варистор, во второй ступени — ПП ограничитель напряжения. Резисторы выполняют роль балластных сопротивлений и рассчитываются по
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 141
формуле /? = ( £4>гр1 —	где £4>n>i и Uom уро-
вень ограничения первого и второго звена, соответственно, /и он — допустимый импульсный ток элемента защиты второго звена. Их величина не превышает единиц Ом, что не оказывает влияния на параметры рабочих сигналов.
Рис. 5.37. Схема КУЗ для защиты входных цепей аппаратуры от воздействия импульсов ЭП
Напряжение информационных сигналов в линиях передачи составляет от 10 до 70 В, поэтому в качестве элементов защиты второй ступени выбраны ограничители напряжения типа 2С503ВС с рабочим напряжением 50 В. Один из вариантов схем защиты входов аппаратуры кабельной линии связи при низкой и высокой частоте сигналов приведен на рис. 5.38. В подобных линиях
Рис. 5.38. Схема КУЗ для защиты входных цепей аппаратуры от воздействия импульсов низкой (а) и высокой (б) частоты информационных сигналов
142
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
связи элементы защиты включаются симметрично относительно общей шины заземления, как это показано на рис. 5.38,а,б. Включение в схеме (рис. 5.38,б) малоем
костных диодов последовательно с ограничителями напряжения позволяет повысить частотный диапазон КУЗ до 10 МГц.
На рисунке 5.39 представлена схема КУЗ для защиты входа приемника р/с КВ и УКВ диапазонов от грозовых разрядов. В основу работы этой схемы положен принцип
Рис. 5.39. Схема включения разрядников для защиты входных цепей приемника радиостанции КВ и УКВ диапазонов от грозовых разрядов
включения двух разрядников. При таком включении разрядник Р2 выбирается с малым статическим напряжением пробоя по сравнению с разрядником Р1. Рассматриваемый способ защиты может быть использован для построения КУЗ от грозовых разрядов, когда скорость нарастания импульсов ЭП невелика (до 1 кВ/мкс). В этом случае динамическое напря
жение пробоя разрядника Р2 будет незначительно отличаться от статического напряжения пробоя и выброс напряжения составит 100—400 В для самых низковольтных
разрядников.
При высоких скоростях нарастания наведенного напряжения (до 100 кВ/мкс), свойственного ЭМП, динамическое напряжение пробоя разрядника может быть в 5—10 раз превышать статическое напряжение пробоя и достигать нескольких киловольт для низковольтных разрядников. Поэтому для защиты цепей аппаратуры связи КВ и УКВ диапазонов от воздействия ЭМП вместо разрядника Р2 необходимо использовать импульсные диоды. Величина выброса напряжения у диодов не превышает нескольких десятков вольт, а их общая емкость
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 143
составляет величину от 1 до 50 пФ. Схема построения та-кого КУЗ приведена на рис. 5.40. Принцип работы схемы
сводится к следующему. Прг первоначально включается импульсный диод УД] или УД2, так как их время включения и пороговое напряжение меньше времени запаздывания пробоя разрядника Р1. В процессе нарастания тока в катушке индуктивности за счет ЭДС самоиндукции возникает напряжение. Когда напряжение возрастает до напряжения пробоя
воздействии импульса ЭП
Рис. 5.40. Схема включения разрядника и импульсных диодов для защиты цепей приемника радиостанции КВ диапазона
разрядника, он включается и шунтирует цепь протекания тока через диод УД1 или УД2. При включении разрядника ток в катушке индуктивности изменяет свою полярность и протекает через диод УД! или УД2 в обратном направлении, что приводит к восстановлению его обратного сопротивления. Для повышения уровня порогового напря
жения ограничения последовательно с диодом включают дополнительно импульсные диоды или ПП ограничители напряжения с заданным уровнем напряжения пробоя.
К недостаткам этой схемы необходимо отнести сле
дующее:
•	импульсные диоды обладают малыми значениями допустимого импульсного тока. Для увеличения допустимого импульсного тока возможно параллельное включение диодов. Но в этом случае потребуется для выравнивания токов в параллельных цепочках последовательно с каждым диодом включение дополнительного резистора или индуктивности, что несколько ухудшает характеристики устройства;
•	применение фильтра низких частот типа «Г» обеспечивает недостаточный спад характеристики вносимых
144
Часть 2 « Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
потерь выше частоты среза, не превышающий 20 дБ на декаду;
•	разрядники включаются при высоких значениях dU/dt (от 5 кВ/мкс), что необходимо учитывать при выборе индуктивности и диодов.
Для устранения вышеуказанных недостатков в схемах КУЗ применяют полосовые многозвенные фильтры, которые усложняют схему, но в то же время за счет ограничения высокочастотных составляющих спектра воздействия позволяют снизить токовую нагрузку на диоды.
На рисунке 5.41 приведена многоступенчатая схема КУЗ для защиты приемника радиостанции УКВ диапазона от воздействия импульсов ЭП с применением полосового многозвенного фильтра, которая обеспечивает высокую эффективность защиты входных цепей р/с. В этой схеме используются импульсные диоды типов 2Д631А, 2Д709, 2Д510А.
Рис. 5.41. Схема КУЗ для защиты входных цепей приемника радиостанции УКВ диапазона
Для снижения уровня тока через диоды в схеме, приведенной на рис. 5.42, последовательно с ними может быть включен позистор, проводимость которого резко снижается при прохождении тока. Простейший вариант позистора выполнен в виде вольфрамовой нити. Однако такой позистор имеет максимальный коэффициент изменения сопротивления не более 10. Полупроводнике-
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 145
вые позисторы имеют кратность изменения сопротив-ления 103, но при крутых фронтах импульсов ЭП может наблюдаться варисторный эффект. Указанных недостатков лишены сверхпроводящие элементы. В основу работы сверхпроводящего элемента на основе пленок Nb и NbN положен принцип изменения условий распространения электромагнитной волны в структурах, содержащих сверхпроводящие пленки, за счет резкого изменения поверхностного импеданса пленки при S-N переключении. Сверхпроводящий S-N элемент включен в фидерную линию между входом приемника и разрядником Р1 (рис. 5.43).
Рис. 5.42. Схема КУЗ с применением позисторов для зашиты входных цепей приемника радиостанции КВ и УКВ диапазонов
Рис. 5.43. Схема включения сверхпроводящего элемента для защиты входных цепей приемника радиостанции КВ и УКВ диапазонов
Реализация сверхпроводящего элемента защиты в виде отрезка согласованной линии передачи дает возможность в отсутствии сигнала помехи в S-состоянии получить малые вносимые потери по полезному сигналу (меньше 0,1 дБ) в широкой полосе частот до 100 МГц. Сигнал помехи за время 3 • 10-10 с переключает S-N элемент в N-состояние (режим зашиты), что обеспечивает ослабление сигнала до 60 дБ. Сверхпроводящий элемент обеспечивает защиту в течение (0,1—1) мкс до срабатывания разрядника и на время переходных процессов после его срабатывания (5—10) мкс.
146
Часть 2 • Раздел 5. Рекомендуемые средства защиты аппаратуры
Более сложной задачей является защита передающих устройств р/с КВ и УКВ диапазонов от воздействия импульсов ЭП. Для обеспечения надежной работы передающего тракта р/с нельзя использовать разрядники с низким напряжением пробоя. В то же время повышение пробивного напряжения разрядника приводит к перенапряжениям, превышающим допустимые уровни. Использование в передающих трактах р/с ПП ограничителей напряжения может оказаться недопустимым из-за невысокой добротности, что будет приводить к их выгоранию от мощного передатчика. Поэтому для передатчиков р/с, особенно высокочастотных и большой мощности, наиболее приемлемыми элементами будут управляемые газоразрядные и вакуумные разрядники. В этом случае для создания достаточной эффективной защиты наиболее перспективным представляется способ управляемого включения средств защиты с использованием линии задержки. В общем виде такой способ реализуется устройством защиты, состоящим из линии задержки, подключенной ее выходом к входу защищаемой аппаратуры, шунтирующего блока (управляемого разрядника), подключенного параллельно входу защищаемой аппаратуры, и блока запуска, включенного между входом линии задержки и шунтирующим блоком (к управляющему электроду разрядника). Указанный способ позволяет исключить влияние времени запаздывания напряжения пробоя управляемого разрядника на уровень ограничения напряжения. На рис. 5.44 представлена схема КУЗ передатчика р/с УКВ диапазона от воздействия мощных импульсов ЭП.
На рисунке 5.45 представлена еще одна схема КУЗ для защиты передатчика КВ диапазона от воздействия импульсов ЭП. Отличительной особенностью схемы является использование в ней трехзвенного полоскового фильтра, в котором для ограничения импульсов ЭП во втором звене включена мостовая схема на импульсных
5.6. Защита аппаратуры с помощью комбинированных устройств защиты 147
С,А
Рис. 5.44. Схема КУЗ с применением управляющих газоразрядных и вакуумных разрядников и линии задержки для защиты выходных цепей мощного передатчика радиостанции УКВ диапазона от воздействия импульсов ЭП
С1 L1	L2 С2
Рис. 5.45. Схема КУЗ для защиты выходных цепей передатчика радиостанции КВ диапазона от воздействия импульсов ЭП
диодах с малой общей емкостью (УД1... УД4). В диагональ моста встроен ограничитель напряжения УД5 с заданным порогом напряжения пробоя. Величина порогового напряжения УД5 определяется из уровня выходного рабочего напряжения передатчика. В этой схеме используются импульсные диоды типа 2Д254А и ПП ограничитель напряжения типа 2С514А.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
Справочные данные по активным и пассивным элементам защиты, СВЧ защитным устройствам
Раздел шестой
Активные и пассивные элементы защиты на различных физических принципах действия и СВЧ защитные устройства
6.1.	Полупроводниковые ограничители напряжения
Полупроводниковые ограничители напряжения — это кремниевые диоды с резкой выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. Они ограничивают импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжение пробоя. Для повышения пробивного напряжения используют кремний с высоким удельным сопротивлением, что значительно увеличивает динамическое сопротивление высоковольтных ограничителей. Для снижения влияния удельного сопротивления базы на напряжение пробоя используются трехслойные р-п-п* диодные структуры.
Полупроводниковые ОН обладают самым высоким быстродействием из всех ограничителей подобного функционального назначения. Время срабатывания для несимметричных ОН составляет единицы пикосекунд, а для симметричных ограничителей напряжения — единицы наносекунд.
Другой важной характеристикой полупроводниковых ОН является барьерная емкость р-п перехода, которая определяет возможность их применения в цепях высо
6 1. Полупроводниковые ограничители напряжения
149
кой частоты. Ее величина для кремниевых р-п переходов составляет от 100 до 2000 пФ. Для снижения емкости ОН последовательно с ним включают импульсный диод с малой собственной емкостью и встраивают их в один корпус. Вольт-амперная характеристика ограничителя напряжения и его основные электрические параметры приведены на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Вольт-амперная характеристика несимметричного ограничителя напряжения:
1/раб.п₽ — прямое рабочее напряжение;
t/проБ.пр — прямое напряжение пробоя;
Кит пр —прямое напряжение ограничения;
/огрпр — прямой рабочий ток;
/пр.т — прямой тестовый ток;
/огрпрмакс — максимально допустимый прямой импульсный ток ограничения;
i/рАБовр —обратное рабочее напряжение;
i/проБовр —обратное напряжение пробоя;
К>гробр — обратное напряжение ограничения;
/раб обр — обратный рабочий ток;
/обрт — обратный тестовый ток;
/огробрмакс — максимально допустимый обратный импульсный ток ограничения
Справочные данные по полупроводниковым ограничителям напряжения
Таблица 6.1 £
Тип прибора	Электрические параметры						Предельные эксплуатационные данные				
	£6троб, В	С4)ГР.И, В	tfap пост, В	аОПРОБ, %/°с	Л)БРП, мкА	fCP, С	/огр.и, А	А>бр пост, Вт	РоБРИ, кВт	Число имп. при А)рб.и, Вт	СоБЩ, пФ
2С401 А	6,1-7,5	10,8	1,0	0,57	10,0	10“’	139	1,0	1,5	100	5-Ю-4
2С401 БС	6,8-8,2	11,7	1,0	0,061	10,0	10"’	128	1,0	1,5	100	104
2С408 А	5,89-6,51	8,5	1,0	0,07	3,0	10-'2	150	1,0	1,5	100	1,3-104
2С414А	3,5-4,3	7,5	1,0	0,1	8,0	10“12	200	1,0	1,5	100	20-Ю3
2С416А	7,22-7,98	11	1,0	0,061	10,0	—	100	1,0	1,5	500	60
2С501 А	13,5-16,5	22	1,0	0,084	5,0	10-’	68	1,0	1,5	100	6104
2С501 Б	27-33	43,5	1,0	0,097	5,0	10"9	34,5	1,0	1,5	100	2.5-104
2С503 АС	10,8-13,2	17	1,0	0,078	5,0	10‘9	9,0	1,0	1,5	500	2,4-104
2С503 БС	29,7-36,3	47	1,0	0,098	5,0	10-’	31,5	1,0	1,5	500	1.3 104
2С503 ВС	35,1-42,9	56	1,0	0,1	5,0	10“9	86,5	1,0	1,5	500	0,9 -IO"4
2С514А	58,9-65,1	80	1,0	0,09	5,0	10-12	17,7	1,0	1,5	500	1200
2С514Б	64,6-71,4	85	1,0	0,104	5,0	10“12	16,3	1,0	1,5	500	1200
2С514В	77,9-86,1	100	1,0	0,105	5,0	10“12	13,3	1,0	1,5	500	1100
2С517А	14,3-15,8	21,2	1,0	0,084	5,0	—	71	1,0	1,5	500	60
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
2С517 Б	20,9-23,1	29,4	1,0	0,092	5,0	—	49	1,0	1,5	500	80
2С517В	37,1-41,0	51,7	1,0	0,1	5,0	—	28	1,0	1,5	500	80
2С517Г	71,3-78,8	99	1,0	0,105	5,0	—	14,6	1,0	1,5	500	80
2С521 А	11,1-12,3	16,8	1,0	0,078	5,0	—	88	1,0	1,5	500	100
2С602 А	108-116	135	1,0	0,096	5,0	10-12	9,9	1,0	1,5	500	800
2С603 А	143-158	207	1,4-2,0	0,11	5,0	10-'2	7,2	1,0	1,5	500	500
2С603 Б	190-210	274	1,4-2,0	0,11	5,0	10-'2	5,5	1,0	1,5	500	400
2С604А	105-116	146	1,4-2,0	0,107	5,0	—	9,9	1,0	1,5	500	90
2С 604 Б	190-210	263	1,4-2,0	0,108	5,0	—	5,5	1,0	1,5	500	90
2С801 А	29,7-36,3	47	0,7-0,8	0,098	5,0	10~12	21	2,0	5,0	500	2800
2С802 А	15,2-16,8	21	0,7-1,0	0,086	5,0	ю~12	45	2,0	5,0	500	7500
2С802Б	34,2-37,8	46	0,7-1,0	0,099	5,0	10-'2	20	8,0	5,0	500	2400
2С803 А	64,6-71,4	92	0,7-1,0	0,13	5,0	1(Г12	10	2,0	5,0	500	2400
2С803 Б	77,9-86,1	113	0,7-1,0	0,13	5,0	10“12	8	2,0	5,0	500	2400
2С901 А	105-116	152	0,7-1,0	0,13	5,0	10-12	6	2,0	5,0	500	2400
2С901 Б	190-210	274	0,7-1,0	0,13	5,0	10~12	3	2,0	5,0	500	2400
340С10-02	360	500	100	—	5,0	10-'2	20	2,0	10	500	2400
340С30-02	360	500	100	—	5,0	Ю-'2	60	2,0	30	500	2400
600С10-02	630	850	100	—	5,0	10-'2	12	2,0	10	500	2400
600С30-02	630	850	100	—	—	—	35	2,0	30	500	2400
6.1 Полупроводниковые ограничители напряжения
152
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
При выборе ОН необходимо учитывать, что при всех условиях эксплуатации аппаратуры номинальное напряжение защищаемых цепей с учетом допустимых отклонений не должно превышать максимально допустимого постоянного (импульсного) обратного напряжения применяемого ограничителя напряжения. Это напряжение составляет 80% от номинального напряжения пробоя. Энергия импульса перенапряжения определяет требуемую мощность ОН. При этом допускается последовательное и параллельное соединение приборов; в последнем случае требуется подбор по напряжению пробоя ОН.
Справочные данные по полупроводниковым ограничителям напряжения приведены в табл. 6.1.
В перспективе планируется расширение ряда ограничителей напряжения с импульсной мощностью 1,5 кВт до 400 В, ограничителей напряжения с импульсной мощностью 5 кВт до 700 В, ограничителей напряжения с импульсной мощностью 15—60 кВт до 1200 В и разработка ряда малоемкостных ограничителей напряжения с импульсной мощностью 1,5 кВт, с емкостью меньше 30 пФ и напряжением пробоя от 7,5 В до 200 В.
6.2.	Варисторы (нелинейные резисторы)
Варисторами называются полупроводниковые резисторы, основное свойство которых заключается в способности резко изменить свое электрическое сопротивление при изменении подаваемого на них напряжения.
Варисторы обладают резко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) и высокой импульсной устойчивостью. ВАХ варисторов соответственно симметричны при напряжениях и токах различной полярности и направлений, вследствие чего варисторы работоспособны в цепях как постоянного, так и переменного токов. Принципы работы варисторов определяется существованием на их вольт-амперной характе-
6.2 Варисторы (нелинейные резисторы)
153
ристике трех областей (рис. 6.2). На данном рисунке: I— область малых токов (предпробойная область) с зависимостью тока от напряжения близкой к омической,
сопротивление варистора в этой области имеет большую величину; II— область средних токов, реализующая варисторный эффект за счет очень быстрого нарастания тока (от 10-5 до 103 А) при сравнительно небольших изменениях напряжения; III— область больших токов, где зависимость тока от напряжения вновь близка к омической.
Область средних токов является рабочей областью
Рис. 6.2. Вольт-амперная характеристика варисторов на основе ZnO
варисторов и используется
для защиты узлов РЭА от импульсных электрических
перенапряжений.
Закон зависимости тока от напряжения в рабочей об
ласти варисторов достаточно точно аппроксимируется степенной функцией I = киа, где к — коэффициент, зависящий от свойства материалов, 1/Ом; а — коэффициент нелинейности варисторов.
Современные твердотельные варисторы рассеивают энергию во всем объеме поликристаллического материала, но имеют меньшую нелинейность ВАХ по сравнению с полупроводниковыми ограничителями напряжения.
Конструктивно варисторы выполняются в виде дисков. шайб, стержней, а также пленок на изоляционном основании. Отечественные варисторы условно разделяются на три основные группы: низковольтные варисторы малой мощности (до 5 Вт); низковольтные мощные варисторы (свыше 5 Вт); высоковольтные варисторы (свыше 1000 В). Отечественная промышленность не выпускает
154
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Справочные данные
Тип Прибора	Электричес		
	/^, мА	(/К,В	^ИМП, в
СНЫ-1	10	560-1300	1300-2000
СН-2-1 СН1-2-2	1,0	15-270	60-800
CHJ-11	2,0	120	300
СН1-14	0,05	7500-8500	10 000-12 000
СН1-15	10	10	30
СН1-16А	0,05	8500	—
СН1-16Б	0,02-0,06	5400	—
СН2-1	1,0	120-1200	360-3600
СН2-2А, Б, В, Г	1,0	300-1500	—
СН2-2Д	1,0	560-820	—
BP-1	1,0	68-220	—
BP-2	1,0	220-470	—
BP-3	1,0	3,10	—
BP-4	1,0	22-68	—
BP-5	1,0	3; 5,6; 10	—
BP-6	1,0	6,8	—
варисторы на основе титаната стронция, чип-варисторы для поверхностного монтажа, остеклованные толстопленочные многослойные варисторы, варисторы на класси-фикационные напряжения более 1500 В и менее 10 В для защиты интегральных микросхем от импульсных электрических перенапряжений. В перспективе планируется разработка вышеуказанных варисторов предприятиями России. Справочные данные по варисторам приведены в табл. 6.2.
6 3. Разрядники газоразрядные
155
Таблица 6.2 по варисторам
кие параметры				Предельные эксплуатационные данные		
Допустимое отклонение t/K,%	ли		св> пФ	Лгр» Вт	W, Дж	Допустимая амплитуда импульсного напряжения, В
±10	3,5—4,0	±10	2,0	1,0	—	1300-2200
±10	3,0-3,5	±10	25, 100, 150	0,8	—	400-900
±10	4,0	±10	100	0,25	—	—
±50	4,5	—	—	3,0	—	—
±10	2,5	±10	—	0,1	—	—
±50	4,5	—	—	3,0	—	—
±50	4,0	—	—	2,0	—	5800
±5, 10, 20	25-30	±10	—	—	4,7-7,6	—
±5, 10, 20	30	±10	—	—	22-114	—
±5, 10	30	±10	—	—	13-20	—
±10, 20	22	±10	—	—	3,1-10	—
±10	30	—	—	—	—	—
±10, 20±30	2,3-3,2	—	—	—	—	10
±10	15	—	—	—	0,56-2,3	—
±30	2,3	—	—	—	0,61-6,8	9-20
±30	2,5	—	—	—	9,0	20
6.3.	Разрядники газоразрядные
Разрядники относят к самостоятельной группе газоразрядных приборов. Они представляют собой без-накальные двух- или трехэлектродные приборы, способные под воздействием приложенного напряжения резко изменять свою проводимость и пропускать большие токи. По сравнению с другими приборами аналогичного назначения (полупроводниковыми ограничителями
156
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
напряжения, варисторами и др.) они имеют ряд преимуществ:
•	высокий КПД при больших уровнях коммутируемых энергий;
•	высокие рабочие напряжения и токи коммутации при малых габаритных размерах и массе приборов;
•	способность работать в широком интервале изменения температуры окружающей среды;
•	устойчивость к значительным токовым перегрузкам;
•	простота конструкции и технологии производства.
К недостаткам разрядников необходимо отнести большое время запаздывания пробоя. Разработанные за последние годы мощные защитные неуправляемые разрядники имеют время запаздывания 0,15—1,3 мкс при скорости нарастания напряжения на электродах разрядников от 1,0 до 25 кВ/мкс.
При снижении скорости нарастания напряжения на электродах разрядников это время увеличивается.
Рис. 6.3. Зависимость времени запаздывания пробоя от крутизны нарастания напряжения на разряднике
На рисунке 6.3 приведена типичная зависимость времени запаздывания напряжения пробоя от крутизны нарастания напряжения на электродах разрядника.
6.3 Разрядники газоразрядные
157
При конструировании аппаратуры с использованием разрядников необходимо в первую очередь выбрать тип разрядника. Разрядники должны выбираться с учетом следующих параметров: допустимой коммутируемой энергии; максимально допустимой амплитуды и длительности импульса тока; собственной индуктивности; сопротивления изоляции, межэлектродной емкости; термостойкости; устойчивости к воздействию механических и климатических нагрузок; долговечности.
При выборе неуправляемого разрядника кроме перечисленных требований необходимо учитывать напряжение пробоя и его максимально возможный разброс в течение всего срока службы.
Следует также учитывать, что на его долговечность влияет энергия, выделяемая в разряднике, поэтому частота повторения и энергия в импульсе должны выбираться такими, чтобы средняя мощность, коммутируемая разрядником, не превышала допустимого значения.
В зависимости от назначения РЭА выбор типа разрядника может определяться не всеми перечисленными выше параметрами, а лишь некоторыми и наиболее важными. В устройствах, где разрядник предназначен для защиты аппаратуры от опасных перегрузок по напряжению, должно быть предусмотрено ограничение разрядного тока до значения, не превышающего максимально-допустимого для выбранного типа разрядника.
В перспективе планируется создание разрядников с малым временем запаздывания напряжения пробоя до 40 нс при скорости нарастания напряжения на электродах разрядника до 5 кВ/мкс, на диапазон статических напряжений пробоя от 60 до 10 000 В, с импульсными токами от 500 А до 10 000 А при длительности тока анода до 35 мс.
Справочные данные по разрядникам приведены в табл. 6.3.
158
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Справочные данные
Тип прибора	Электрические параметры						
	i/проьст, В	i/пРОБДИН при dU/dt, В	^ПОД Р, В	Лиз, МОм	СсТАТ, пФ	'зап при dU/dt, мкс	^ВОСТ’ с
4378Д	80-100	—	—	100	10	—	180
Р-350	310- 390	—	—	5000	10	—	300
Р-460	400— 520	—	—	5000	10	—	60
РБ-3	270— 250	—	—	100	—	—	—
Р-4	70-80	—	—	100	—	—	—
РБ-5	340— 460	—	210	200	—	—	—
Р-5	170— 220	—	—	100	—	—	—
Р-7	270— 330	—	—	20	10	500 мс	—
Р-8	450— 550	—	—	20	10	800 мс	—
Р-9	900— 1100	—	—	20	10	1000 мс	—
Р-10	1350-1650	—	—	20	10	2500 мс	—
Р-12	128— 192	—	—	1000	—	1000 мс	—
Р-13	8500— 11 500	—	—	10	—	0,4	—
Р-14	10 200- 13 800	—	—	10	—	0,4	—
Р-15	11 900— 16 100	—	—	10	—	0,4	—
Р-16	14400— 19 600	—	—	10	—	0,4	—
Р-17	17 000— 23 000	—	—	10		0,4	—
6.3. Разрядники газоразрядные
159
Таблица 6.3 по разрядникам
Предельные эксплуатационные данные						
t^IOCTP, В	1ои .А Ain	Ти, мкс	Тф, мкс	Тсп, мкс	£и, имп/мин	Q за импульс, Кл
—	0,03	2 с	—	—	3 мин	—
—	3	2с	—	—	3 мин	—
—	3	2с	—	—	3 мин	—
—	—	—	—	—	5 имп/с	—
—	—	—	—	—	—	—
570- 630	—	—	—	—	1 имп/с	—
—	—	—	—	—	50 имп/с	—
—	—	—	—	—	2 имп/с	—
—	—	—	—	—	2 имп/с	—
—	—	—	—	—	2 имп/с	—
—	—	—	—	—	2 имп/с	—
—	60	1,0	—	—	—	—
—	800	4,0	—	—	1000 имп/с	—
—	800	4,0	—	—	1000 имп/с	—
—	800	4,0	—	—	1000 имп/с	—
—	800	4,0	—	—	1000 имп/с	—
—	800	4,0	—	—	1000 имп/с	—
160
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Тип прибора	Электрические параметры						
	f/пров ст, В	^ПРОЕДИН при dU/dt, В	бЪодр, В	Лиз, МОм	СсТАТ, пФ	<злп при dU/dt, мкс	*ВОСГ’ с
Р-34	700— 1300	3000	450	100	—	—	—
Р-35	320— 380		—	5000	5,0	—	300
Р-Р-46	80-125			10	1,0	—-	—
Р-56	75-125	1000 при 1 кВ/мкс	—	10	2,2	1,0 при 4 кВ/мкс	—
Р-59	200— 300	2500 при 5 кВ/мкс	150	100	8,0	0,5 при 5 кВ/мкс	0,5
Р-60	2200— 3300	12 500 при 25 кВ/мкс	150	100	8,0	0,5 при 25 кВ/мкс	0,5
Р-61	3500— 5000	12 500 при 25 кВ/мкс	150	100	8,0	0,5 при 25 кВ/мкс	0,5
Р-61М	6000- 8000	—	—	1000	7,0- 8,0	—	0,5
Р-63	200— 300	2300 при 4 кВ/мкс	—	500	1,0	0,5 при 4 кВ/мкс	—
Р-64	600- 900	3000 при 4 кВ/мкс	500	500	10	0,6 при 4 кВ/мкс	—
Р-71	180— 280	1500 при 1 кВ/мкс	100	100	15	1,3 при 1 кВ/мкс	—
Р-72	850— 1150	1800 при 1 кВ/мкс	—	1000	2,0	0,8 при 1 кВ/мкс	—
Р-73	70-110	800 при 1 кВ/мкс	—	1000	2,0	0,7 при 1 кВ/мкс	—
Р-74	180- 300	30 500 при 4 кВ/мкс	—	500	15,0	0,7 при 4 кВ/мкс	—
Р-75	700— 1300	4000 при 4 кВ/мкс	500	500	15,0	0,5 при 4 кВ/мкс	—
Р-77	170— 320	1500 при 1 кВ/мкс	—	100	25,0	1,0 при 1 кВ/мкс	250 мс
Р-78	600- 800	5000 при 4 кВ/мкс	150	1000	8,0	1,0 при 4 кВ/мкс	—
Р-79	900— 1200	2000 при 2 кВ/мкс	1000	100	8,0	0,5 при 2 кВ/мкс	—
6.3. Разрядники газоразрядные
161
Продолжение табл. 6.3
Предельные эксплуатационные данные						
МюСТР, В	/ои . А /sin	Ти, мкс	Тф, мкс	Тсп, мкс	имп/мин	Q за импульс, Кл
—	1000	-60	—	—	5 имп/с	—
—	2500 15	60 5 с	—	—	—	—
—	2500 0,8	—	20	40	0,1 имп/с	—
50	2500 0,8	30	20	40	0,1 имп/с	—
50	3000 50	25 мс	200	90 мс	1,0	90
800	3000 50	25 мс	200	90 мс	1,0	90
1300	3000 50	25 мс	200	90 мс	1,0	90
4000	3000	25 мс	—	60 мс	1,0	90
—	1000 10	25 мс	50	200	0,1 имп/с	—
500	1000 10	0,25 мс 3 с	50	200	0,1 имп/с	—
50	3000	0,25 мс	200	90 мс	1,0	90
—	1000 10	140 1 с	50	—	6,0	—
—	1000 10	140	50	—	6,0	—
—	1000 10	250 Зс	50	200	6,0	—
500	1000 10	250 Зс	50	200	1,0	—
50	30 000	15 мс	2,5	48 мс	1,0	450
500	1000 30	0.25 мс 1 с	50	—	6,0	—
500	200 000	30	10	30	0,2	4,0
162
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Тип прибора	Электрические параметры						
	^ПРОБСТ, В	t/пРОБДИН при dU/dt, В	t/под Р, В	Лиз, МОм	СсТАТ, пФ	'зап при dU/dt. мкс	ZBOC7’ С
Р-80	1400— 1700	3000 при 2 кВ/мкс	1000	100	8,0	2,0 при 2 кВ/мкс	—
Р-81	230— 300	900 при 1 кВ/мкс	25	1000	2,0	0,7 при 1 кВ/мкс	—
Р-83	170— 230	900 при 1 кВ/мкс	—	1000	2,0	0,7 при 1 кВ/мкс	—
Р-84	220— 290	1560 при 4 кВ/мкс	25	1000	3,0	0,4 при 4 кВ/мкс	—
Р-84Н	215— 300	1500 при 4 кВ/мкс	25	1000	10,0	—	—
Р-86	8000— 12 000	3500 при 25 кВ/мкс	400	100	15,0	0,55 при 25 кВ/мкс	—
Р-87	80-90	1000 при 1 кВ/мкс	—	1000	2,0	1,5 при 1 кВ/мкс	—
Р-88	120— 180	1000 при 1 кВ/мкс	—	1000	2,0	1,5 при 1 кВ/мкс	—
Р-91	65-95	800 при 1 кВ/мкс	—	1000	5,0	0,15 при 4 кВ/мкс	—
Р-92	80-120	800 при 1 кВ/мкс	—	1000	5,0	0,15 при 4 кВ/мкс	—
Р-93	130— 190	800 при 1 кВ/мкс	—	1000	5,0	0,15 при 4 кВ/мкс	—
Р-94	200— 300	800 при 1 кВ/мкс	—	1000	5,0	0,15 при 4 кВ/мкс	—
Р-95	250— 350	800 при 1 кВ/мкс	150	1000	5,0	0,15 при 4 кВ/мкс	—
Р-96	480— 720	800 при 1 кВ/мкс	150	1000	5,0	0,15 при 4 кВ/мкс	—
Р-98	3400— 4600	1 000 при 20 кВ/мкс	2000	1000	1,0	0,3 при 20 кВ/мкс	—
Р-99	9500— 12 500	22 000 при 20 кВ/мкс	8500	1000	1,0	0,4 при 20 кВ/мкс	—
Р-101	5800— 7200	18 000 при 25 кВ/мкс	—	1000	15,0	0,5 при 25 кВ/мкс	—
6 3. Разрядники газоразрядные
163
Окончание табл. 6.3
Предельные эксплуатационные данные
i/nOCTP. В	/оц . А /sin	Ти, мкс	Тф, мкс	Тсп, мкс	/й, имп/мин	Q за импульс, Кл
700	200 000	30	10	30	0,2	4,0
75	5000 5,0	20 1 с	8,0	—	0,33	210
—	1000 10	140 1 с	50	—	6,0	—
—	5000 10	250 1 с	50	—	5,5 • 10-3 имп/с	0,625
75	1000 10	250 1 с	50	—	5,5 • 10-* имп/с	0,125
5500	200 000	60	5,0	—	1,0	4,0
—	1000 10	140	50	—	6,0	0,163
—	1000 10	140 1 с	50	—	6,0	7,09
—	1000 14	125 1 с	50	—	0,1 имп/с	0,125
—	1000 14	125 1 с	50	—	0,1 имп/с	0,125
—	1000 14	125 1 с	50	—	0,1 имп/с	0,125
—	1000 14	125 1 с	50	—	0,1 имп/с	0,125
150	1000 14	125 1 с	50	—	0,1 имп/с	0,125
150	1000 14	125 1 с	50	—	0,1 имп/с	0,125
2000	600	5,0	—	—	3 имп/с	—
8500	600	5,0	—	—	3 имп/с	—
5000	15	0,2 с	—	—	0,1 имп/с	3,0
164
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
6.4.	Биполярные полупроводниковые тетроды (дефензоры)
Биполярный тетрод (дефензор) представляет собой кремниевый четырехэлектродный прибор, который обладает семейством N-образных вольт-амперных характеристик. Прибор имеет два устойчивых состояния: открытое и закрытое. Электроды прибора: анод, катод, электрод запуска и электрод удержания. Переключение прибора в открытое состояние осуществляется при помощи импульсной команды, подаваемой на электрод запуска. Сохранение устойчивого открытого состояния обеспечивается током электрода удержания. Переключение в закрытое состояние осуществляется уменьшением тока электрода удержания.
Вершины N-образных вольт-амперных характеристик прибора называются точками выключения. Значение тока в точке выключения /выкл связано с током электрода удержания /у через коэффициент усиления 5С1:
ДыКЛ = -®СТ Д •	(6.1)
Увеличение тока анода до значения тока выключения при заданном токе электрода удержания приводит к автоматическому выключению тока анода и тока электрода удержания.
Дефензор выполняет следующие функции: включается импульсной командой по электроду удержания, автоматически выключается при достижении равенства (6.1) и может быть построен на заданный ток выключения 4ыкл путем выбора соответствующего значения тока электрода удержания /у.
Дефензор является прибором прямой проводимости (л-р-птипа) и на анод подается напряжение положительной полярности. Эквивалентная схема структуры дефензора представлена на рис. 6.4. Условное обозначение прибора в схемах приведено на рис. 6.5.
6.4. Биполярные полупроводниковые тетроды (дефензоры)
165
Рис. 6.4. Эквивалентная схема прибора 2Б201 (упрощенная):
Т1 — п-р-п транзистор силовой структуры;
Т2-р-п-р транзистор силовой структуры;
ТЗ, Т4—п-р-п транзисторы запускающей структуры;
R1—R3 — шунты (50—70 Ом, 200—400 Ом, 1-2 кОм)
Рис. 6.5. Условное обозначение биполярного тетрода (дефензора)
Дефензор обладает рядом свойств, присущих транзисторам и тиристорам. Подобно транзисторам он имеет малое сопротивление насыщения, возможность отключения нагрузки в цепи постоянного тока, высокое быстродействие и стойкость к импульсным помехам по цепи анода. Подобно тиристорам он имеет два устойчивых состояния, а переключение его из одного состояния в другое носит импульсный характер.
166
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Собственными свойствами дефензора являются: автоматическое выключение тока анода и одновременное автоматическое выключение тока в цепи электрода удержания при возникновений токовой перегрузки.
Кремниевые планарные биполярные дефензоры типов 2Б201А,Б,В предназначены для защиты электрических цепей от токовых перегрузок в аппаратуре.
Биполярные дефензоры изготавливаются в металлокерамическом корпусе типа 4110.4-2 по ГОСТ 17467-79.
Габаритные размеры приборов: длина 25 мм, ширина 9,5 мм; высота 3,1 мм.
Масса прибора не более 3 г.
Тип прибора указывается на корпусе.
Электрические параметры:
•	остаточное напряжение, В, при /А = 5 А, /у = 0,5 А, не более 0,5;
•	постоянный ток утечки, мА, при ил — 14.макс, не более 0,5;
•	ток электрода удержания в точке выключения, мА, при /А = 5 А, £у = 6 В, не менее 100;
•	импульсный ток запуска, А, при /А = 5 мА — не более 10;
•	время включения, мкс, не более 0,3;
•	время выключения, мкс, не более 2,0.
Предельные значения допускаемых электрических режимов эксплуатации представлены в табл. 6.4.
Таблица 6.4 Электрические режимы эксплуатации дефензоров
Тип прибора	2Б201А	2Б201Б	2Б201В
Максимально допустимое напряжение анода, В, в диапазоне температур от —60 °C окружающей среды до +125 °C корпуса	30	50	100
6.5. Полупроводниковые приборы общего применения
167
Окончание табл. 6.4
Тип прибора	2Б201А	2Б201Б	2Б201В
Максимально допустимое импульсное напряжение анода, В, произвольной формы и длительности в диапазоне температур от -60 °C окружающей среды до +125 °C корпуса	20	40	80
Максимально допустимое постоянное (импульсное) напряжение электрода удержания, В	6,0	6,0	6,0
Максимально допустимый постоянный ток электрода удержания, А	1,0	1,0	1,0
Максимально допустимый импульсный ток электрода удержания, А	2,5	2,5	2,5
Максимально допустимый импульсный ток запуска, мА	100	100	100
Максимально допустимый импульсный ток анода, А	10	10	10
6.5.	Полупроводниковые приборы общего применения
6.5.1.	Диоды выпрямительные, лавинные и Шоттки
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного (двухполярного) тока в ток одной полярности, а также для защиты цепей аппаратуры постоянного и переменного токов от импульсных электрических перегрузок по напряжению. Типичная ВАХ выпрямительного диода приведена на рис. 6.6.
Основными электрическими параметрами и параметрами режимов эксплуатации, обеспечивающими рабочую область ВАХ для диодов этой группы, являются:
•	прямое постоянное (среднее или импульсное) напряжение при протекании постоянного (периодически
168
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Рис. 6.6. Типичная ВАХ выпрямительного лавинного диода
изменяющегося или импульсного) прямого тока (/ПР (^tircp или 6'[|РИ);
•	максимально допустимое постоянное (импульсное) обратное напряжение Термакс- Для обеспечения нормального (длительного) функционирования диодов оно выбирается из условия Термакс ~ (0,5-0,8)(/проб;
•	постоянный обратный ток при приложении (/0БР = = (/оЕРМАКО
•	максимально допустимый постоянный (средний) и импульсный ток 7црмакс (/hp.cp.makc), /при макс-Разновидностью выпрямительных диодов, допускающих в течение ограниченного интервала времени работу в области электрического лавинного пробоя на обратной ветви ВАХ, являются лавинные диоды. Эта особенность
6 5. Полупроводниковые приборы общего применения
169
работы лавинных диодов позволяет эффективно применять их в качестве элементов защиты цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению.
Параметрами, характеризующими частотный диапазон эксплуатации выпрямительных диодов, являются время обратного восстановления и верхнее значение рабочей частоты, при которых не требуется снижения электрических режимов эксплуатации (например, значения среднего прямого тока).
Современные кремниевые выпрямительные диоды выпускаются на предельные токи до 30 А, обратные напряжения — до 1000 В при частотах до 200 кГц, время обратного восстановления — десятые доли микросекунд. Силовые полупроводниковые диоды выпускаются на токи до 4 кА, повторяющиеся импульсные обратные напряжения 100—4000 В при частотах до 1,5 кГц (для арсенида галлиевых силовых диодов — до 100 кГц), время обратного восстановления — несколько микросекунд.
Полупроводниковый диод, в котором используется переход металл—полупроводник, называется диодом Шоттки. В нем перенос заряда осуществляется основными носителями заряда, а общая емкость мала.
Маломощные диоды Шоттки изготавливаются на основе кремния и арсенида галлия проводимости «-типа. Силовые диоды Шоттки изготавливаются на основе кремния «-типа на рабочие токи до нескольких сотен ампер, время обратного восстановления 20—50 нс.
Основной недостаток диодов Шоттки — малое значение обратного напряжения.
Справочные данные по выпрямительным, лавинным диодам и диодам Шоттки приведены в табл. 6.5.
Справочные данные по выпрямительным, лавинным диодам и диодам Шоттки
Таблица 6.5
Типы приборов	Электрические параметры						Предельные эксплуатационные данные						
	£/п р пост, В	{/при, В	641РОБ, В	Тобрвос, МКС	Тпр ВОС, мкс	Л)БР, мА	{/поспим ОБР, в	/пост (СР), А	/и, А	/и одн, А	/ОБРИ, А	А?р, Вт	/сл, Гц
2Д206А, Б, В КД206А, Б, В	0,6— 1,2	0,7-1,5	500-1250	10	10	0,7	400— 600	5,0	100	500	2,0	10	1000
2Д210А, Б, в, Г КД210А, Б, в, г	2,0	—	—	—	—	4,5	800— 1000	10	50	—	1,5	20	1000
2Д921А, Б	0,8-1,6	—	30-35	—	—	0,5 мкА	18-21	0,1	0,2	—	—	—	—
2Д922А, Б, В КД922А, Б, В	0,8-1,0	—	30-35	—	—	0,5 мкА	18-21	0,05	0,1	0,3	—	—	—
КД923А	0,3- 0,34	—	—	—	—	5,0 мкА	14	0,1	0,2	—	—	—	—
2Д924А	0,3— 0,36	—	—	—	—	5,0 мкА	18	0,2	0,4	—	—	—	—
2Д925А, Б	0,3- 0,38	—	—	—	—	1-4,0 мкА	30	0,1	0,2	2,5	—	180 мВт	—
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
2ДЛ112-10 ДЛ112-10 ДЛ112-16 2ДЛ112-25 ДЛИ 2-25	—	1,35	1,25 х X %БРИ П, МКС	5,9- 6,7	—	0,4	400— 1500	10-25	270— 340	—	—	1500	—
2ДЛ123-320 ДЛ 123-320	—	1,7	1,25 х х t/оБРИ П, МКС	20	—	/ОБРИ 25А	400— 1400	320	6000	—	—	8000	—
2ДЛ132-50 ДЛ132-50 ДД132-63 2ДЛ132-80 ДЛ132-80	—	1,32	1,25 х х t/оБРИ П, МКС	9,3- 10,2	—	0,8	400— 1500	50-80	1300— 1500	—	—	3800	—
2ДЛ133-500 ДЛ 133-50	—	1,8	1,25х х Г/обри.п, мкс	25	—	25	40— 1400	500	8000	—	—	8000	—
2ДЛ161-200 ДЛ 161-200	—	1,45	1,25 х х t/оБРИ П, МКС	25	—	25	400— 1400	200	6000	—	—	16 000	—
2ДЛ171-320 ДЛ171-320	—	1,45	1,25 х х £/обр.и п, мкс	25	—	25	400— 1400	320	8200	—	—	16 000	—
2ДЩ112-32х 2ДЩ112-40х	—	1,15	—	32 нс	—	250	20-40	32-40	600	—	—	—	—
2ДШ122-50х 2ДШ122-63х	—	1,25	—	32 нс	—	250	20-40	50-63	850— 950	—	—	—	—
6 5. Полупроводниковые приборы общего применения
Типы приборов	Электрические параметры					
	£4i р пост, В	£41РИ, В	Ml РОБ, В	Тобрвос, мкс	Тпр ВОС, мкс	Л)БР, мА
2МДШ145-32х 2МДШ145-40х	—	1,15	—	32 нс	—	250
ЗДЧ104-1 Ох ЗДЧ 104-10 ЗДЧ 104-25 ЗДЧ104-25х	—	2,0	—	0,2- 0,5	10	10-600
ЗДЧ 122-20 ЗДЧ122-20х ЗДЧ 122-50 ЗДЧ122-50х	—	2,0	—	0,2-0,5	—	10
ЗДЧЗО4-25 ЗДЧЗО4-25х	—	1,8	0,2-0,5	—	10	100— 250
ЗДШ122-25 ЗДШ122-25х	—	0,9	—	0,063	—	50
2Ц108А, Б, В КЦ108А, Б, В	—	6- 12,0	—	0,6-0,9	—	0,15-1,0
2Ц110А, Б	—	10- 12	0,6-0,9	—	0,1	10 GOO- 15 000
Окончание табл. 6.5
Предельные эксплуатационные данные
£4юспи) ОБР, в	/пост (СР), А	/и, А	/и одн. А	/ОБРИ, А	Рср, Вт	fen, Гц
20-40	32-40	600-750	—	—	—	—
10-25	150- 300	—	—	—	—	—
100— 600	20-50	300- 700	—	—	—	—
25	350	—	—	—	—	—
20	70	25	500	—	—	—
2000- 6000	0,1	5,0	—	—	—	50 000
0,1	2,0	—	—	—		1000
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
6.5 Полупроводниковые приборы общего применения
173
6.5.2.	Диоды импульсные
Импульсные диоды применяются в импульсных и коммутационных устройствах с сигналами переключения различных длительностей вплоть до наносекунд-ного диапазона.
Как «идеальный» ключевой элемент импульсный диод должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии, бесконечно большое в закрытом, а также мгновенно переходить из одного состоянии в другое.
При конструировании импульсных диодов используются полупроводниковые структуры, которые обеспечивают импульсные электрические параметры возможно более близкие к «идеальным», а сам набор этих параметров должен быть таким, чтобы по их значениям можно было судить, насколько данный диод близок к «идеальному».
Основным параметром импульсного диода, характеризующим его инерционность при работе в режиме переключения из проводящего состояния в закрытое, является время обратного восстановления /Вособр, которое определяется как интервал времени от момента прохождения тока через ноль до момента достижения обратным током заданного значения. Обычно /вос — (0,1— 0,3)/ОБР.
Другими параметрами, характеризующими процесс восстановления обратного напряжения, являются заряд переключения 0П, который накапливается в базе диода за время после переключения до установления равновесия, а также общая емкость диода Сд.
Для характеристики прямого переходного процесса (переключения из закрытого состояния в открытое) используются два параметра: импульсное прямое напряжение и время прямого восстановления, то есть интервал времени, в течение которого прямое напряжение на диоде устанавливается от нулевого значения до заданного ^ВОС ПР-
Справочные данные по импульсным диодам
Таблица 6.6
Тип прибора	Электрические параметры				Предельные эксплуатационные данные					
	2дифф, Ом	/оБР.ПОСТ, мкА	Хоьрвосс, мкс	Cd, пФ	СоБРИ, в	Собрпост, в	/српр, А	/и.пр, А	РСРРАСС, Вт	Гсд ед, кГц
КД407А	1,0	0,5	—	1,0	24	24	50 мА	0,5	—	—
КД409А КД409АБ	0,7-1,0	0,5	—	1,0-2,0	24-40	24-40	50 мА	0,5	—	—
2Д411А, Б КД411А, Б, в, Г	—	0,1	1,0	—	400-800	500	2,0	8-12	3,5	30
2Д412А, Б, В КД412А, Б, В, Г	—	100	1,5	—	400-1000	400-1000	10	100	35	30
2Д416А КД416А, Б	—	500	—	25	200-400	200-400	0,3	15	—	0,5
2Д420А	1,0	—	—	1,0	35	24	50 мА	50 мА	1,5	(30-300) х х 10-’
2Д423А, Б	—	1,5 мА	2,0	—	1600-2000	400-1000	—	400	80	0,5
2Д503А, Б КД503А, Б	—	4,0	10 нс	1,45-5,0	30	30	20 мА	0,2	—	—
2Д509А КД509А	—	5,0	4,0 нс	1,7-4,0	70	50	0,1	1,5	—	—
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
2Д510А КД510А	—	2,0	4,0 нс	1,85-4,0
КД512А	—	5,0	1.0 нс	1,0
КД513А	—	5,0	4,0 нс	4,0
КД519А, Б	—	5,0	—	2,5-4,0
2Д522Б КД522Б	—	5,0	4,0 нс	2,2-4,0
2Д524А, Б, В	—	2,0	100— 200 пс	2,0-4,0
2Д528А,Б	—	—	50-70 ПС	0,6-0,8
КД529А, Б, В, Г	—	—	2,0	—
2Д630А, Б	—	—	0,2-0,4	1,5-5,0
КД805А	—	5,0	2,0-4,0	0,7-2,0
КДС11А,Б,В	—	3,0	—	—
КД629АС	—	0,1	8,0-12	10-35
КД704АС	—	5,0	—	1,1-1,5
70	50	0,2	1,5	—	—
—	15	20 мА	0,2	—	—
70	50	0,1	1,5	—	—
40	30	30 мА	0,3	—	—
75	50	0,1	1,5	—	—
15-24	15-24	40 мА	0,6	0,2	100 • 106
12-20	12-20	15 мА	0,2	—	—
1600-2000	—	8,0	—	64	—
50-65	—	0,1	0,2	—	0
75	75	0,2	0,45	—	—
—	300	0,2	3,0	—	20
—	90	0,2	0,8	0,2	—
—	85	0,1	0,5	0,2	—
6.5. Полупроводниковые приборы общего применения
176
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Приведенные выше электрические параметры импульсных диодов позволяют проводить расчеты статических и динамических режимов большинства импульсных и коммутационных устройств.
Состав предельно допустимых электрических параметров импульсных диодов, обеспечивающих их длительную и надежную работу, аналогичен составу параметров для выпрямительных диодов.
Поэтому для импульсных диодов также недопустимо превышение максимального импульсного обратного напряжения, так как даже кратковременная работа в пробойной и предпробойной областях напряжений может привести к перегреву структуры, тепловому пробою и выходу диода из строя.
Справочные данные по импульсным диодам представлены в табл. 6.6.
6.5.3.	Стабилитроны и стабисторы
Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном включении слабо зависит от изменения тока в заданных пределах.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 6.7.
Прямая ветвь характеристики стабилитрона не отличается от прямой ветви выпрямительного диода. Обратная ветвь характеристики имеет вертикальный участок, обеспечивающий малое изменения напряжения стабилизации UCT (напряжения электрического пробоя) при изменении тока стабилизации /ст в широких пределах.
Существующие типы стабилитронов обеспечивают диапазон напряжений стабилизации от 2 до 200 В. Для стабилизации напряжений, меньших 2 В, применяются диоды, работающие на прямой ветви ВАХ. Эти приборы называются стабисторами.
6 5. Полупроводниковые приборы общего применения
177
Рис. 6.7. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Стабилитроны и стабисторы имеют следующие основные параметры:
•	напряжение стабилизации (номинальное) Сст — напряжение на стабилитроне при протекании тока стабилизации (t/CT = 2—200 В для стабилитронов и t/CT = = 0,2—2,0 для стабисторов);
•	временная нестабильность напряжения стабилизации — отношение наибольшего изменения напряжения стабилизации к начальному значению за заданный интервал времени (для стабилитронов общего назначения, как правило, S= 1,0—1,5%);
•	дифференциальное сопротивление 2^ — отношение малого приращения напряжения стабилизации Д{7СТ
178
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
к малому приращению тока стабилизации Д/Ст (единицы — сотни Ом) и характеризует качество стабилизации, то есть угол наклона ВАХ в области пробоя (ZCT = А £4т/АТст);
•	температурный коэффициент напряжения стабилизации аист — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации (для стабилитронов общего назначения аист = 0,01—0,15 %/°С).
К основным параметрам предельно допустимых режимов эксплуатации стабилитронов и стабисторов относятся:
•	минимально допустимый ток стабилизации /стмин — минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;
•	максимально допустимый ток стабилизации /СТмакс — максимальное значение тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;
•	максимально допустимая рассеиваемая мощность при эксплуатации Рмакс-
При работе стабилитронов в импульсном режиме время переключения стабилитрона определяется постоянной времени, характеризующей процесс изменения лавинного тока после мгновенного изменения напряжения и равной времени пролета носителей заряда через обедненный слой, а также значением общей емкости стабилитрона.
Для импульсных маломощных стабилитронов с общей емкостью 0,3—3,0 пФ время переключения не превышает 150 нс.
Справочные данные по стабилитронам и стабисторам приведены в табл. 6.7.
Справочные данные по стабилитронам и стабисторам
Таблица 6.7
Тип прибора	Электрические параметры						Предельные эксплуатационные данные				
	Ucr, В	ttucT’ %/°С	би СТ' %	Zct, Ом	{/ст пост, в	{/ОБРПОСТ, В	Лимин, мА	/ст МАКС, А	/пр пост, А	Л1ЕРЕФ, А	РРАСС, Вт
Д815А, Б, В, Г, Д, Е, Ж Д816А, Б, В,Г,Д Д817А, Б, В, Г	5,0-19,8 19,6-51,5 50,5-110,0	0,045— 0,110	4-6	0,6-3,0	1,5	15-70	5-50	0,05— 1,4	1,0	0,1— 8,8	8,0
2С175Е, КС175Е 2С182Е, КС182Е 2С191Е, КС191Е 2С210Е, КС210Е 2С211Е, КС211Е 2С212Е, КС212Е 2С213Е, КС213Е	чо чО г-в'.Ч*12-м« । । । т । । । ОО чО i/) МЭ о< О ci	0,1	±1,5	30	1,5	—	3,0	0,01-0,02	0,02	0,2	0,15
Д219С, Д220С, Д223С	—	—	—	—	0,57— 0,59	—	—	—	0,05	0,2	—
2С433А, КС433А 2С439А, КС439А 2С447, КС447А 2С456А, КС456А 2С468А, КС468А	2,97-3,63 3,51-4,29 4,23-5,17 5,04-6,16 6,12-7,48	0,1-0,065	±15	25	1,0	—	3,0	0,23-0,14	—	0,24— 0,38	1,0
6.5 Полупроводниковые приборы общего применения
Электрические параметры
Тип прибора	i/ст, В	<iucT' % /°C	Suf'T’ %	Z?i, Ом	Uc г пост, В
2С482А, КС482А 2С510А, КС510А 2С512А, КС512А 2С515А, КС515А 2C5I8A, КС518А 2С522А, КС522А 2С524А, 2С527А 2С530А, 2С536А	7,4-9,0 9,0-11,0 10,8-13,2 13,5-16,5 16,2-19,8 19,8-24,2 22,8-25,2 28,5-31,5	0,08— 0,1	1,5	25-50	1,0
КС533А	29,7-36,3	0,1	—	100	1,0
2С551А, КС551А 2С5191А, KC59IA 2С600А, КС600А	48-54 86-96 95-105	0,12	±1,5	200— 450	1,0
КС620А КС630А КС650А КС680А	108-132 117-143 135-165 162-198	0,2	—	150 180 270 330	1,5
2С920А 2С930А 2С950А 2С980А	108-132 117-143 136-164 162-198	0,16	4,0	100 120 170 220	1,5
Окончание табл. 6.7
Предельные эксплуатационные данные
МэБРПОСТ, В	/стмин, мА	/ст МАКС, А	/пр пост, А	/ПЕРЕФ, А	ZVacc, Вт
—	1,0	0,02— 0,096	0,05	—	1,0
—	3,0	0,017	—	0,02	0,64
—	1,0	0,008— 0,0146	0,05	—	1,0
—	5,0	0,042 0,032 0,033 0,028	1,0	0,084 0,076 0,066 0,056	5,0
84 91 105 126	5,0	0,042 0,038 0,033 0,028	1,0	0,084 0,076 0,066 0,056	5,0
Часть 3 • Раздел 6 Активные и пассивные элементы защиты
6 5 Полупроводниковые приборы общего применения
181
6.5.4. Ограничительные и переключательные СВЧ диоды с p-i-n структурой
Назначение ограничительных и переключательных диодов — стабилизация уровня СВЧ мощности в тракте и защиты входных устройств СВЧ приемников от воздействия мощных импульсов. Работа диодов в ограничительных и переключательных устройствах основана на свойстве диодов изменять свое полное сопротивление автоматически от управляемого источника СВЧ сигнала для ограничительных диодов и при изменении смещения от источника управления — для переключательных диодов.
При изготовлении СВЧ диодов используются кремниевые диодные (меза- или поверхностно-ориентированные) структуры типа p-i-n, в которых слои (области) р- и /7-типов проводимости разделены слоем (областью) кремния собственной проводимости (/слой). В качестве исходного материала при изготовлении p-i-n диодов обычно используется кремний проводимости р-типа с концентрацией акцепторов 1012—10131/см3, а концентрация доноров в п области и акцепторов в р области обычно превышает 1018 1/см3.
В режиме обратного смещения свободные носители заряда под действием поля уходят в п и р области. Поэтому обратносмещенный p-i-n диод подобен конденсатору, диэлектриком в котором является кремний собственной проводимости. В режиме прямого смещения из //области в / область инжектируются электроны, а из р области дырки, что приводит к повышению проводимости / области и накоплению заряда £?Нк = /пр/, где t — среднее время жизни носителей заряда.
При пробивных напряжениях 25-2000 В и прямых токах 50—500 мА p-i-n диоды имеют времена прямого восстановления в пределах 5—150 нс, обратного восстановления — 5—250 нс.
Справочные данные по ограничительным и переключательным СВЧ диодам приведены в табл. 6.8.
Справочные данные по ограничительным и переключательным СВЧ диодам
Таблица 6.8
Тип прибора	Электрические параметры						Предельные эксплуатационные данные			
	R при высокой СВЧ мощности, Ом	R при низкой СВЧ мощности, Ом	61Р. ВОСС, нс	/ОБРВОСС, НС	Ml РОБ, В	СоБЩ, пФ	М1ОСТ.ОБР, В	Л1ОСТПР» мА	РрАСС СР, Вт	Ачсс имп, кВт
2А510А, Б, В КА510А, Б, В, Г.Д.Е	1,5 2,5	5; 9; 15	1,0	230	30	0,7-3,4	25	200	1,0	0,04
2А516А-5	5,5	3000	6 мкс	45 мкс	—	0,18	200	100	1,0	1,0
2А518А-4 2А518Б-4	1,0 2,0	1,0 2,0	2,5 мкс 1,0 мкс	6,0 мкс 2,5 мкс	—	0,6-0,8	200	500	—	2,0
2А520А КА520 КА520Б	2,0 2,0 3,0		—	—	800 800 800	0,4-1,0	300	200	4,0	10,0
2А521А	1,5	—	—	—	—	0,63-0,77	50-200	100- 1500	3,0	6,0
2А523А-4 2А523Б-4	0,5	—	—	1,5 мкс	500 600	0,9-1,5 1,0-2,0	40-200	300	20	0,1
2А524А-4 2А524Б-4	0,5	—	—	1,5 мкс	400 300	0,7-1,2 0,5-0,8	30-100	500	1,5	3,0
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
КА528АМ	0,5	—	—
КА528БМ	0,5	—	—
КА528ВМ	0,7	—	—
КА532А	1,0	—	—
2А534А, Б	—	10	—
КА534А, Б, В	—	15	—
КА537А	0,5	—	—
КА537Б	1,0	—	—
2А541А-6 2А541Б-6 КА541А-6	1,3	—	—
КА542А КА542Б	1,7	—	—
КА549А КА549Б КА549В	0,75-1,1	—	—
	—	1000 1000 600	1,4-2,4 2,2-3,0 3,5	50-250	50-500	50	1,5
	—	300	0,25-0,4	150	200	10,0	20,0
	—	110	0,4-0,05 0,35-0,4	25 20	150 100	0,25 0,15	10 Вт 6 Вт
	—	600 300	3,0	300 150	500	20,0	100
	—	300	0,15-0,22 0,18-0,25	150	150	0,5	0,5
	—	1100 700	1,0	400	200	4,0	10,0
	—	—	0,8-1,2	400	250	5,0	45,0
6.5. Полупроводниковые приборы общего применен
184
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
6.6. Позисторы
Позистор — это нелинейный резистор, электрическое сопротивление которого возрастает с увеличением температуры. Типичные характеристики позистора приведены на рис. 6.8 и 6.9.
Рис. 6.8. Зависимость сопротивления позисторов от температуры
Рис. 6.9. Зависимость тока через позистор от напряжения
В отрицательном диапазоне температур сопротивление позистора мало меняется при изменении температуры и резко увеличивается при увеличении температуры более +(25-е-40) °C.
При температуре более +(25-*-40) °C сопротивление позисторов от температуры подчиняется закону:
Rt = Aeat,
где Л( — сопротивление при температуре /, °C; А — постоянная, зависящая от физических свойств материала; а — температурный коэффициент сопротивления.
Рабочей характеристикой позистора в схемах является зависимость его сопротивления от температуры в области от +(25-5-40) °C до предельной верхней температуры.
6.6. Позисторы
185
К основным параметрам позисторов относятся:
•	номинальное сопротивление (Лн) — сопротивление позистора при температуре +25 °C;
•	температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — изменение сопротивления позистора в процентах при изменении температуры позистора на 1 °C;
•	коэффициент рассеяния — отношение мощности, рассеиваемой на позисторе, к изменению температуры термочувствительного элемента относительно температуры окружающей среды;
•	коэффициент энергетической чувствительности — мощность, рассеиваемая на позисторе, при которой его сопротивление увеличивается на 1%;
•	максимальная мощность рассеяния — допустимая мощность, при которой в течение заданного времени (минимальной наработки) параметры позистора остаются в пределах норм, установленных в ТУ;
•	кратность изменения сопротивления — отношение сопротивления позистора при максимальной температуре к сопротивлению при +25 °C;
•	тепловая постоянная времени — параметр, характеризующий тепловую инерционность позисторов.
Позисторы предназначены для изменения и регулирования температуры, тепловой защиты (в датчиках тепловой защиты транзисторов), ограничения и стабилизации тока и др. Справочные данные по позисторам приведены в табл. 6.9.
Таблица 6.9
Справочные данные по позисторам
Тип прибора	Сопротивление при +25 °C, Ом	Кратность изменения сопротивления	ТКС %/°с	Максимальная мощность, Вт	Постоянная времени, С
СТ6-46 СТ6-4Б-1	100-400	>103	15	0,8	40
СТ6-1Б-1	100-400	>103	15	0,8	—
186
Часть 3 • Раздел 6 Активные и пассивные элементы защиты
Окончание табл. 6.9
Тип прибора	Сопротивление при +25 °C, Ом	Кратность изменения сопротивления	ТКС %/°с	Максимальная мощность, Вт	Постоянная времени, С
СТ6-2Б	10-100	>10’	16	1,3	—
СТ6-1А	40-400	>10’	10	U	20
СТ6-1Б	180-270	>10’	15	0,8	20
СТ6-ЗБ	1000-10 000	>102	16	0,8	10
СТ6-4Б	100-400	>10’	15	0,2	40
СТ6-1Б-1	100-400	>10’	15	0,5	—
ТРП-2	40-200	>20	15	UP = 27 В	—
СТ 14-3	80-200	—	—	0,5	—
6.7. Терморезисторы
Терморезистор — это резистор, основное свойство которого заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Статические вольт-амперные характеристики термо-резисторов определяют зависимость тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжения при тепловом равновесии между терморезистором и окружающей средой.
При протекании через терморезистор тока в нем выделяется тепло и температура элемента превышает температуру окружающей среды. Сопротивление терморезистора определяется суммарной температурой, то есть температурной среды и температурой перегрева. Поскольку сопротивление зависит от температуры нелинейно, ВАХ терморезистора с отрицательной ТКС также нелинейна.
Типичные ВАХ при различных температурах приведены на рис. 6.10 и 6.11.
Терморезисторы подразделяются на два вида: А и Б.
6 7. Терморезисторы
187
Рис. 6.10. Вольт-амперная характеристика терморезистора
Рис. 6.11. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры
Для терморезисторов вида А в интервале рабочих температур сопротивление терморезисторов Лт определяется зависимостью
д(г.-г)
т т« т,-т '
где 7?то — сопротивление терморезистора при температуре То = +20 °C, Ом; В— постоянная, зависящая от свойств полупроводникового материала; Т — температура, при которой определяют Лт, К.
Постоянная В определяет ТКС, значение которого в процентах на 1 °C вычисляют по формуле
ТКС = - ~ 100, Т2
где Т — температура, при которой определяют ТКС.
Терморезисторы вида Б характеризуются зависимостью сопротивления термочувствительного элемента, отличающейся от экспоненциальной.
188
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
К основным параметрам терморезисторов относятся: • номинальное электрическое сопротивление (Ян) — сопротивление терморезистора при температуре +20 °C;
•	температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — изменение сопротивления терморезистора в процентах при изменении температуры на 1 °C;
•	максимальная мощность рассеяния — допустимая мощность, при которой в течение заданного времени (минимальной наработки) параметры терморезистора остаются в пределах норм, установленных в ТУ;
•	коэффициент рассеяния терморезисторов — мощность, рассеивания на терморезисторе (термочувствительном элементе), при которой он нагревается на 1 °C по отношению к температуре окружающей среды;
•	коэффициент энергетической чувствительности — мощность, рассеиваемая на терморезисторе, при которой его сопротивление уменьшается на 1%;
•	постоянная времени — параметр, характеризующий тепловую инерционность терморезистора;
•	максимальный ток подогревателя (для терморезисторов косвенного подогрева) — эффективное значение постоянного или переменного тока в цепи подогревателя, при котором достигается минимальное сопротивление термочувствительного элемента, установленное в ТУ при заданной температуре окружающей среды.
По конструктивному исполнению терморезисторы делятся на стержневые, дисковые и бусинковые. Наименьшую постоянную времени имеют бусинковые терморезисторы.
Существующие типы терморезисторов предназначены для изменения и регулирования температуры в электронагревателях, солнечных элементах, мощности СВЧ в коаксиальных трактах, компенсации изменения частоты в кварцевых генераторах и др.
Таблица 6.10
Справочные данные по терморезисторам
Тип	Номинальное сопротивление при +20 °C, Ом	Допуск ±. %	ТКС (d) при +25 °C. % на 1 °C (минус)	Постоянная В, К	Допустимая максимальная мощность рассеяния, Вт	Коэффициент рассеяния, мВт/°С	Коэффициент энергической чувсгвигель-ности, мВт	Постоянная времени, С
КМТ-1	22 - 10э—1 106	20	4,2-8,4	3600-7200	1,0	5	1,0	85
КМТ-4	22 103—1 106	20	4,2-8,4	3600-7200	0,65	6	0,8	115-а,б 85-в
КМТ-8	100-10 • 103	10, 20	4,2-8,4	3600-7200	0,6	13	3,0	15 мин.
КМТ-17В	330-22 • 103	10, 20	4,2-7,0	3600-6000	0,3	2	0,5	30
ММТ-1	(1-220) 103	20	2,4-5,0	2060-4300	0,6	5	1,3	85
ММТ-4	(1-220) 103	20	2,4-5,0	2060-4300	0,56	6	1,6	115-а,б 85-в
ММТ-8	1-1 103	10, 20	2,4-4,0	2060-2750 2060-4300	0,6	13	4,0	15 мин.
ММТ-9	10—4,7 • 103	10, 20	2,4-5,0	2060-4300	0,9	—	10	—
ММТ-13	10—2,2 Ю3	20	2,4-5,0	2060-4300	0,6	6	2,0	100
СТ1-17	330-2,2 • 103	10, 20	4,2-7,0	3600-6000	0,3	2	0,5	30
СТ1-18	(1,5—2,2)  103	10	2,25-2,7	4030-4930	1,5-Ю-3	0,1	0,05	1,0
СТ1-19	(3,3—4,7) • 103 (6,8-10) 103	20	2,35-2,9 2,75-3,4	4230-5170 4950-6050	0,06	—	0,15	3
СТ1-31	4,7 Ю3	10	—	4100	(116-194) х х 103	—	—	6-12
6.7 Терморезисторы
Тип	Номинальное сопротивление при +20 °C, Ом	Допуск ±,%	ТКС (d) при +25 °C, % на 1 °C (минус)	Постоянная Д К
СТ2-26	(1-100) 10’	20	2,4-5,0	2060-4300
СТЗ-24	(1-3,3)-10’	20	2,6-4,1	2250-3520
СТЗ-14	(1,5-2,2) -10’	20	3,2-4,2	2600-3600
CT3-13	33-390	10, 20	3,0-4,5	2580-3860
CT3-32	2,2-10’	20	__	2700-3300
стз-зз	680	20	3,5	3100
СТ4-16	(10-15)-10’	5, 10	4,25; 3,65	3070-3420 3600-3960
СТ4-16А	(6,8-15)-10’	1,2,5	4,25	3260-3600
СТ4-17	(1,5-2,2) -10’	10	4,0	3260-3600
СТ13-1	0,5-20	—	8,0	1020
ТР-1	15-10’ 3,3 • 10’	10	4,1 4,2	3200-3900
ТР-2	15-10’ 3,3 • 10’	20	4,1 4,2	3200-3900
ТР-4	1-10’	20	1,8-2,2	1600-1960
ТР-6	470	20	3,15-3,85	2790-3410
ТР-9	(8,2-11) 10’		4,0-4,4	3540-3920
Окончание табл. 6.10
Допустимая максимальная мощность рассеяния, Вт	Коэффициент рассеяния, мВт/°С	Коэффициент энергетической чувствительности, мВт	Постоянная времени, С
10-20	—	—	—
0,15-2,0’	—	—	—
30 • 10“’	0,3	75-10-’	4,0
0,3	2,0	0,8	30
18  10-3	0,14	—	0,6-0,7
—	0,4±0,12	—	4-10
0,15	0,4	од	30
0,18	0,6	0,15	30
0,5	—	—	30
0,5	3,0	—	8,0
0,05	0,4	0,1	10
0,02	0,1	0,03	5,0
0,07	0,3	0,15	3,0
од	0,55	—	3-10
0,8	4,0	1,0	50
Часть 3 • Раздел 6 Активные и пассивные элементы защиты
©
6.8 Помехоподавляющие фильтры и конденсаторы
191
В последние годы терморезисторы с отрицательным ТКС нашли применение в некоторых видах вторичных источников питания (ВИП) для защиты от пусковых перенапряжений. Для этой цели используются, как правило, терморезисторы с величиной номинального сопротивления менее 150 Ом. Ограничение перенапряжений происходит за счет большого начального сопротивления терморезистора, включенного на выходе ВИП, уменьшающегося по мере его разогрева. При этом постоянная времени терморезистора должна соответствовать времени действия перенапряжений.
Справочные данные по терморезисторам приведены в табл. 6.10.
6.8.	Помехоподавляющие фильтры и конденсаторы
Простейшим примером помехоподавляющего элемента может служить конденсатор, включенный параллельно источнику помехи. Из-за наличия индуктивности такой конденсатор в диапазоне частот ведет себя как последовательный резонансный контур, имея емкостной характер полного сопротивления на частотах ниже резонансной и индуктивной на частотах выше резонансной. Так как резонансная полоса конденсатора сравнительно узкая то диапазон подавляемых частот у конденсаторов обычной конструкции невелик и составляет 20—30 МГц. Большую предельную частоту имеют специальные конденсаторы для подавления несимметричных помех за счет принятия мер по снижению индуктивности выводов и секций. Они получили название защитных (конденсаторы с органическим диэлектриком) и анодных (керамических).
С целью расширения полосы частот подавления применяют проходные конденсаторы, конструкция которых обеспечивает подавления помех на частотах до 1000 МГц.
Таблица 6.11
Справочные данные по помехоподавляющим конденсаторам
Тип конденсатора	Конструкция	Номинальная емкость, мкФ	Проходной ток, А	Номинальное напряжение, В		Реактивная мощность ВАР	Вносимое затухание, дБ	Диапазон подавляемых частот, МГц
				постоянное	переменное (эфф)			
КБП	Бумажные проходные	0,022-2,0	10-70	125-1600	10-500	—	10-58	0,15-150
ОБПТ	-«-	0,22-1,0	70-300	50	—	—	—	0,15-150
ОКП	-«-	0,047-0,02	10-40	125;250	125; 250	—	—	0,15-150
КБПС-Ф		0,22-0,1	20-40	125;250	125;250	—	—	0,15-150
К73-21	Пленочные четырехвыводные	0,1-10	4; 6,3; 10	50-500	127; 220	—	10-40	0,15-100
К73-28	Пленочные проходные	0,022-2,2	10-100	50-1600	50-380	—	40	0,15-1000
К75П-4	Комбинированные защитные, с предохранителем	0,022-1,0	—	250-1000	127-500	—	20	0,15-40
К75П-5	Комбинированные проходные	0,01-2,2	10-70	125-1600	127-500	—	—	—
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
К101-1	Керамические без проходного вывода	1500-7400 пФ	
К10П-4	Керамические проходные	3,9-3300 пФ	
К10-40	Керамические опорные	0,0033-0,022	
K10-51	Керамический проходной	3,9-4700 пФ	
К10-54	Керамический кий шайбовый	4,7-6,2 пФ	
ктп-1,2,3	Керамические проходные	5,6-15 000 пФ	
ктп	Керамические проходные высоковольтные	68-330 пФ	
КТПМ-1	Керамические проходные	68 пФ	
КТПМ-Е	-«-	5,6-3300 пФ	
ко	Керамические опорные	6,8-4700 пФ	
кдо	-«-	3,3-2200 пФ	
10	300	—	0,5—20	—	—
10	350	—	2,5	—	100-1000
—	50	—	5; 50	—	—
10	350	—	2,5; 50	—	—
—	50-350	—	0,5-40	—	—
10; 15	400-750	—	1.5—70	—	—
—	1000— 2000	—	50	—	—
5,0	100	—	10	—	—
—	160; 200	—	30-50	—	—
—	400; 500	—	2,5; 50	—	—
—	400; 500	—	4,0; 75	—	—
6 8 Помехоподавляющие фильтры и конденсаторы
Таблица 6.12
Справочные данные по помехоподавляющим фильтрам
Тип фильтра	Максимальная рабочая температура, °C	Группа ТКЕ конденсатора	Номинальная емкость конденсатора, пФ	Индуктивность, мкГн	Номинальный проходной ток, А	Номинальное напряжение постоянного тока, В	Вносимое затухание, дБ	Диапазон подавляемых частот, МГц	Допустимая реактивная мощность, ВАР
Б7-1 Б7-2	85	Н70	3300 4700	0,05	5,0	250	50 35	200-800 100—1500	2,5
Б-14	85	Н70	3300 4400	0,05	5,0	500	40	100-1500	2,5
Б-23	125	нзо	2200-6800	0,05	5,0	3000	40-45	100-6000	2,5
Б-23А	125	нзо	1000 1500	0,05	10 15	250	40-45	100-1000	2,5
Б-23Б	85	Н90	0,047-6,8 мкФ	0,05	10 25	50 250	43-67	0,01-10 000	2-30
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защить
6 9. Помехоподавляющие ферритовые изделия
В последнее время для подавления помех стали широко применяться четырехвыводные конденсаторы, в конструкции которых индуктивность выводов используется как элемент фильтра нижних частот.
Конденсаторы эффективно используются в качестве помехоподавляющих элементов лишь при условии, что сопротивление нагрузки много меньше внутреннего сопротивления источника помех. Так как частотный спектр помех достаточно широк, то для получения необходимой полосы затухание отдельных помехоподавляющих конденсаторов недостаточно. С целью обеспечения допустимого уровня помех на входе аппаратуры в настоящее время широко используются индуктивно-емкостные фильтры. Фильтры отличаются большим разнообразием принципиальных схем и конструктивных решений от одно-, двух- и трехзвенных фильтров до сложных устройств, содержащих более 50 элементов.
Фильтры обеспечивают крутизну характеристики вносимых потерь до 40 дБ на декаду и нижние частоты среза от 10 кГц до 1 ГГц.
Справочные данные по помехоподавляющим конденсаторам и фильтрам приведены в табл. 6.11 и 6.12.
6.9.	Помехоподавляющие ферритовые изделия
Помехоподавляющие изделия из ферритов представляют собой индуктивность с импедансом Z*, включенную последовательно в электрическую цепь с нагрузкой ZH (рис. 6.12).
Источник сигнала
Рис. 6.12. Схема включения помехоподавляющего ферритового изделия
196
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
Импеданс ферритового изделия Z® определяется начальной магнитной проницаемостью, тангенсом угла магнитных потерь ферритового материала, используемого для изготовления изделия, а также конструкцией, размерами изделия и числом витков в обмотке, наносимой на изделие:
2Ф =y(Oy4p+(»y4ptg5M,
где ц — максимальная проницаемость; tgSM — тангенс угла магнитных потерь; <в — частота, 1/с; А — размерный коэффициент, определяемый конструкцией, размерами изделия и числом витков, Гн.
Величина импеданса Z0 должна быть мала для низкочастотного рабочего сигнала в электрической цепи и иметь большое значение для высокочастотной помехи (Zt> з> ZH).
Степень помехоподавления зависит от соотношения ZH/Z<p. Коэффициент ослабления амплитуды помехи может изменяться от 2—3 дБ до 20—40 дБ в зависимости от соотношения ZH/ZO. Величина ZH может изменяться от единиц до нескольких сотен Ом.
Изделия из ферритов для помехоподавления имеют различную конструкцию в зависимости от назначения. Кольцевые и трубчатые ферритовые сердечники могут нанизываться на токопроводящий провод, изготавливаться в виде одновиткового и многовиткового дросселя на многоотверстном ферритовом сердечнике с числом витков больше двух, использоваться для экранирования кабеля в виде разъемного сердечника.
Отечественной промышленностью выпускаются только кольцевые и трубчатые сердечники из ферритовых материалов традиционного применения. Специальные ферритовые материалы для помехоподавления предприятиями РФ не разрабатывались.
Таблица 6.13
Справочные данные по помехоподавляющим ферритовым изделиям
Параметры	Марка феррита														
	20000 НМ	6000 НМ1	2000 НМ1	2000 НН	1000 нмз	1000 НН	600 НН	400 НН	200 НН	150 В4	100 вн	50 В42	20 ВН	10 В41	7ВН
Начальная магнитная проницаемость, йн	20 000	6000	2000	2000	1000	1000	600	400	200	150	100	50	20	10	7
Граничная частота,/гр, Гц	105	ЗЮ5	106	0,5-106	4 • 106	106	ю7	ю7	ю7	1,5-Ю7	2-Ю7	6-ю7	8 107	2 Ю7	108
Тангенс угла магнитных потерь, tg§M	<1,6	<П,2	<0,4	<0,5	<0,1	<0,9	>4	>4	>4	<0,02	<1,125	<0,03	<0,02	<0,05	<0,06
Точка Кюри, е, °C	>110	>125	200	70	200	110	НО	120	120	400	300	450	450	450	450
Коэрцитивная сила, Яс, А/м	2	8	16	8	28	20	32	48	120	240	280	450	1000	1600	2240
6.9. Помехоподавляющие ферритовые изделия
198
Часть 3 • Раздел 6 Активные и пассивные элементы защиты
В настоящее время для помехоподавляющих изделий могут быть рекомендованы марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты с начальной магнитной проницаемостью от 7—10 до 20 000, имеющие относительно высокий тангенс угла магнитных потерь.
Для помехоподавляющих ферритовых изделий требуется разработке специальных марок ферритов с высоким значением тангенса угла потерь (tg6H > 0,5-1) в диапазоне частот от 105—10’ Гц.
Справочные данные по серийно выпускаемым маркам ферритов приведены в табл. 6.13.
6.10.	Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы
Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы — это специальные материалы, предназначенные для поглощения и экранирования мощных электромагнитных полей. Действие этих материалов может быть представлено как отражение электромагнитного поля от поверхности материала и поглощение высокочастотной энергии в их объеме.
Ослабление электромагнитного поля за счет отражения обусловлено разницей волновых сопротивлений РЭМ, из которого изготовлен экран, и диэлектрика, окружающего этот экран. Чем эта разница больше, тем выше эффективность экранирования за счет отражения.
Затухание энергии в толще экрана происходит за счет тепловых потерь на вихревые токи. Материалы, обеспечивающие эффективность экранирования за счет поглощения ЭМП, являются радиопоглощающими. Радиоэкранирующие материалы — это высокопроводящие металлы и сплавы.
Современные радиопоглощающие материалы представляют собой сложные системы, состоящие из нескольких разнородных материалов. Это органические поли
6.10 Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы
199
мерные материалы с неорганическими наполнителями. Использование РПМ и РЭМ для помехоподавления по сравнению с другими способами обеспечения защиты РЭА от воздействия ЭМП имеет преимущества в том, что эти материалы не критичны к форме и габаритам защищаемых объектов, а способы защиты с помощью РПМ и РЭМ просты и часто доступны даже в полевых условиях.
Радиопоглощающие материалы применяются в виде:
•	тонких покрытий на поверхности объекта, получаемых чаще всего методами пневматического напыления (для органических полимерных материалов), плазменного распыления (для керамических материалов);
•	деталей и элементов конструкций объектов, получаемых методом формирования;
•	жестких и эластичных панелей, которые крепятся к конструкции объекта с помощью клея или механическим путем.
Радиоэкранирующие материалы используются в виде:
•	металлических листов, сеток и фольги;
•	тонких металлических покрытий, наносимых на поверхность объекта методом вакуумного распыления;
•	электропроводящих бетона, штукатурки, кирпича, обоев, тканей.
При выборе материала для обеспечения помехоподавления необходимо учитывать частичное или общее экранирование от внешнего или внутреннего ЭМП и их диапазон рабочихчастот.
Справочные данные по радиопоглощающим материалам приведены в табл. 6.14.
Таблица 6.14
Справочные данные по радиопоглощающим материалам
Марка материала	Состав и структура материала	Основные параметры				Диапазон рабочих температур, °C
		Коэффициент отражения по мощности, дБ	Длина волны, см	Масса покрытия кг/м2	Толщина покрытия, мм	
«Лак»	Хлоросодержащее связующее, наполнитель-сетка из проводящих диполей, пятислойное лакокрасочное покрытие	5-20	1-7	6,0	5,2	—40++60
Лак-5М	4-слойные ЛКП на основе полихлорвиниловой хлорированной смолы с наполнителем	5-22	1-8	7,0	5,0	—40++60
Лак-ЮМ	-«-	10-25	1-34	12,0	7,0	-40++60
Лак-Т	Многослойные ЛКП с наполнителем	5-25	1-3	4,0	3,5	—
Прокат	-«-	10-20	1-14	—	12	—
Покрытие № 5	Покрытие на основе синтетического каучука с карбонильным железом	5-15	1-14	7,8	2,7	-40++60
Покрытие № 6	-«-	5-15	1-14	7,8	2,9	-40++60
Покрытие № 7		3-18	1-5	3,4	5,5	-40++60
Покрытие № 8	-«-	8-15	1-5	2,5	6,0	-40++60
200	Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
СПС	Двухслойное покрытие из модифицированного графита с полимерным связующим материалом	5-24	1-6	4,0	3,8	-60++ 180
СП-4	Однослойное покрытие из модифицированного графита с полимерным связующим материалом	20	3,0	1,4	1,2	-60-4-180
Упор	Одно-двухслойное жесткое покрытие из пенопласта, армированного рубленным углеродным волокном	3-15	1-14	0,5-2,0	10,0-20,0	—бО-ь + 120
ИПК-2	Металлокерамическое покрытие	5-20	1-4	4,0	1,5	-60 ч-+700
ЛК-11	Покрытие на основе перхлорвиниле -вых смол с графитовым наполнителем	10-20	1-5	3,7	5,0	-60++ 100
ЛК-12	-«-	10-15	1-5	3,5	5,0	- 60++100
ЛК-13	Однослойное покрытие на основе хлорсульфированного полиэтилена е графитовым наполнителем	3-25	1-5	2,5	3,6	-60^ + 120
ЛК-22	Кремнийорганическое покрытие с графитовым и железным наполнителями	5-15	1-14	5,0	6,8	-80ч-+250
ЛК-25	-«-	10-15	1-6	3,3	5,0	-130++350
ЛК-26	-«-	3-25 20 >25	1-14 3 11	3,5	5,0	-130^+350
6 10 Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы
Марка материала	Состав и структура материала
ЛК-2Б	Кремнийорганическое покрытие с графитовым и железным наполнителями
ВПТ-8	Однослойное ЛКП
ВПТ-8М	-«-
МЗП-1	Лакокрасочное покрытие
ВРП-10	
ВРП-11	
ВРП-7	-«-
Покрытие № 2	Двухслойные ЛКП
Покрытие № 3	Пятислойные ЛКП
РП-3-86	Однослойные ЛКП
РП-99Ш	Двухслойные ЛКП
Продолжение табл. 6.14
©
Основные параметры				Диапазон рабочих температур, °C
Коэффициент отражения по мощности, дБ	Длина волны, см	Масса покрытия кг/м2	Толщина покрытия, мм	
5—18	2-5	2,3	2,2	-90+4-350
3-13	1-14	4,0	1,0	-60 + 4-200
25 5-20	3 2-4	4,5	1,5	-60-*-+200
22 5-20	3,0 2-4,0	3,0	2,4	-60++200
3-20	1-6	2,4	3,5	-60++500
5-20 20	1-14 10	7,5	4,5	-60-4-350
5-20	1-5	5,0	23	- 60-ь 4-ЮО
5-8	1 — 14	6.0	1,6	
2-20	1—10	3,5	6,0	
5-15	1-5	6.0	2,0	—50-5-4-80
3-22 22	1-10 3,0	5,5	4,3	—50+4-80
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты

КЖР-1	Эпоксидно-каучуковое покрытие на основе модифицированного карбонильного железа	5-15	1-5	3,0	0,3	- 60-5-+200
КЖР-2	-«-	3-15	1-5	2,0	0,2	-60+4-200
КЖР-3		5-20	1-5	5,0	2,2	—50+4-200
КЖР-4	-«-	5-25	2-4,5	3,0	1,0	-60++200
КЖР-5	-«-	5-13	1-5	4,0	2,5	-60++200
КЖР-6	Сланцевое покрытие на основе модифицированного карбонильного железа	5-13	1-5	5,0	4,0	—60+4-100
ПАК-1	Компаунд на основе органических связывающих с наполнителем					-60++200
ПАК-2		1 дБ/мм	—	—•	—	-60++200
ПФК-1	-«-	3-4 дБ/мм	—	—	—	—60++200
ТК-8А		2 дБ/мм	—	—•	—	-60++300
«Крона»	Сложный пластик	8-22	1-14	18,2	12,5±0,5	-40++80
«П>иф»	Трехслойный конструкционный материал, наружные слои из стеклопластика, внутренние из пенозаполните-ля и поглощающих слоев	5-25	1-14	8,4+12,4	39,5±1	-40++80
«Телевещание»	Сложный пластик	8-25	1-14	22,3+22,8	17,5±0,5	—40++180
6.10. Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы
Марка материала	Состав и структура материала
«Меандр-1»	Трехслойный конструкционный материал с наружным слоем из стекло-сферопластика, средним из пенопласта с магнитной решеткой
«Меандр-2»	-«-
«Барьер»	Трехслойный конструкционный материал
«Соты-10»	Конструкционный материал сотового типа
«Соты-15»	-«-
«Соты-20»	-«-
«Фронтон-1»	Конструкционный материал сотового типа с резистивной нагрузкой
«Фронтон-2»	-«-
«КПФ-6»	Многослойный конструкционный материал на основе асбестовой ткани, покрытой винипластом
Продолжение табл. 6.14

о
Основные параметры				Диапазон рабочих температур, °C
Коэффициент отражения по мощности, дБ	Длина волны, см	Масса покрытия кг/м2	Толщина покрытия, мм	
10-25	1-14	29	30	-40+4-60
10-20	1-14	35,0	22	-40+4-60
5-20	1-14	10,9+11,4	28 ±0,8	—40+4-80
3-18	1-14	2,5+4,2	10	- 60+4-170
5-35 35	1-14 5,0	2,5-4,2	15,0	- 60+4-170
8-25	1-14	2,5-4,2	20,0	—60+4-170
10-30	1-14	4,0	49,0	-50+4-190
10-30	1-14	4,3	96,0	—50+4-190
8-30 30	1-14 8,5	12	20,0	-70++600
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
ВРСК-1	Конструкционный материал на основе пенопласта	6-22	1-7	5±0,5	60±0,5	—60++120
ВРК-1-20	Конструкционный материал сотового типа	3-28 28	1-14 1.0	3,5±0,3	7±0,3	—50++150
ВРК-ЫО	Трехслойный конструкционный материал	7-19	1-5	5 ±0,5	60±0,5	—50++180
ВРК-1,4	Четырехслойный конструкционный материал	5-19	1-13	8±1,0	15±0,5	—60++120
ВРК-1,5	Пятислойный конструкционный материал	8-27	1-14	10±1,0	20±0,2	—60++120
ВРК-1,40	*«-	8-18	1-14	5,6+0,2	13±0,2	—60++150
ВРК-3.10	Конструкционный материал	3-18	1-5	5,5±0,2	3,2±0,2	-60+ + 150
ВРК-З.ЮМ	-«-	3-15	1-5	4,5±0,2	2,5±0,2	-60++200
ВРПС	Конструкционный материал (слоистый стеклопластик)	10-25	1-14	1,6±0,1	1,0	—60++150
КМ№ 1	Конструкционный материал из стеклопластика	3-18	1-14	10,5	7,0	—60++150
КМ№4	-«-	5-8	1-14	26,0	10-11	—
ПРПЭ-1	Двухслойное резиновое покрытие	4-20	1-14	16±1	8±0,2	—40++60
ПРПЭ-11	Трехслойное резиновое покрытие	3-20	1-14	14±1	6±0,2	-40++60
ПРПЭ-17		4-12	1-14	10±0,5	4,2±0,2	-40++60
ПРПЭ-18	-«-	2-20	1-14	6±0,5	3,8±0,2	-50++50
ПРПЭ-19	Однослойное резиновое покрытие	3-15	1-14	5,4±0,2	2±0,1	-50++50
6.10. Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы_205
Марка материала	Состав и структура материала
ПРПЭ-27	Двухслойное резиновое покрытие
ПРПЭ-30	Однослойное резиновое покрытие
ПРПЭ-31	-«-
ПРПЭ-33	Четырехслойное резиновое покрытие с верхним стеклопластиковым слоем
ПРПЭ-34	Двухслойное резиновое покрытие с верхним стеклопластиковым слоем
ПРПЭ-50	Трехслойнос резиновое покрытие с верхним стеклопластиковым слоем
ПРПЭ-51	Четырехслойное резиновое покрытие с верхним стеклопластиковым слоем
ПРПЭ-70	Пятислойное резиновое покрытие
ПРПЭ-71	
Б-1	Четырехслойное резиновое покрытие с углеводородным наполнителем
«Комби»	Двухслойное покрытие на основе керамики
Окончание табл. 6.14
bJ
о

Основные параметры				Диапазон рабочих температур. °C
Коэффициент отражения по мощности, дБ	Длина волны, см	Масса покрытия кг/м2	Толщина покрытия, мм	
6-20	1-14	12±0,5	6±0,2	—40+ +60
3-15	1-14	6,0±0,2	2±0,1	-40++60
3-15	1-14	6,0±0,2	2±0,1	-40++60
7-30 30	1-14 2,5	12±0,5	6±0,3	-40-+50
3-28 28	1-14 2,5	7,8+0,3	5,1±0,2	-50++60
5-23	1-14	10±0,1	6±0,2	—40-J-+50
3-20	1-14	8±0,2	5±0,2	-40- +50
3-18	1-14	14±0,5	6±0,2	-40++60
3-26 1	1-14	8±0,5	3,9±0,1	-40++60
10-25	1-5,5	0,7	4,5	-130-+350
3-20	1-5,5	5,0	2,0	-50-+ 120
Часть 3 • Раздел 6 Активные и пассивные элементы защиты
ВРП-4	Однослойное покрытие, изготовленное методом прессования	3-23	1-12	2±0,1	3,8±0,1	-60++100
ВРП-4-1,2	-«-	1-12	1-14	0,5±0,02	1,1 ±0,005	-60+ + 100
ВРП-4-104	-«-	7-28	1-14	5±0,1	15±0,2	-60-ь+ЮО
ВИРС-11,3	Многослойный материал	1-28	1-5,5	2,5+0,3	20±0,3	- 60++60
ВРП-3	Резиновое покрытие	3-24	1-11	3,4±0,2	1,3±0,1	-60++150
РРЭ-1,25	Асбо маты	4-30	1-14	1,5±0,5	15±0,2	-60++150
ВОКМУ	Покрытие на основе кремнийоргани-ческого каучука с наполнителем	3-15	1-14	4,9+0,3	7±0,5	—60++350
ВРП-5	Двухслойное резиновое покрытие	5-19	1-5	2,0±0,2	2,2+0,2	—60++150
ВРЭ-1,29	Асбоматы	10-25	1-14	5±0,2	37±0,2	-60++60
Покрытие 180-1	Покрытие из гиромагнитного материала на металлической пластине	3-28	1-5	6,9	2,7	-60++200
Покрытие 180-3	-«-	3-25	1-5	6,3	2,6	-60-+200
Покрытие 178-7		2-15	1-5	6,6	2,1	-60++200
Покрытие 192-1 и 192-2	-«-	2-15	1-5	6,6	2,4	-60-ь+200
Покрытие 184-1 и 184-5	-«-	2-15	1-3	4,6	1,9	-60++200
6.10. Радиопоглощающие и радиоэкранирующие материалы
208
Часть 3 • Раздел 6 Активные и пассивные элементы защиты
6.11.	Электрические соединители со встроенными элементами защиты
Электрические соединители с защитой от воздействия ЭМП представляют собой устройства, которые в своей конструкции имеют встроенные элементы защиты (фильтры нижних частот, экранировку корпусных деталей и мест заделки кабеля, радиоэкранирующие и радиопоглощающие материалы, варисторы, полупроводниковые ограничители напряжения и т.д.). Они позволяют осуществлять ослабление или фильтрацию ЭМП в точке входа сигнала в электронное устройство.
Соединители с защитой от воздействия ЭМП подразделяются на экранированные соединители и соединители со встроенными элементами защиты.
Экранированные соединители представляют собой электрические соединители, у которых корпус выполняет функцию экрана. Экранирование предусматривает:
•	уплотнение стыка сочленяемых частей соединителя (с помощью кольцевой пружины, токопроводного эластомера, наличия специальной конструкции замковых устройств);
•	обеспечение более надежного кольцевого электрического контакта по периметру сочленяемых корпусов вилки и розетки; токопроводное покрытие корпусов, уплотнительных и экранных пружин;
•	экранировку мест заделки кабеля.
Соединители со встроенными элементами защиты представляют собой электрические соединители, на контакт (штыри) которых с помощью пайки крепятся элементы защиты (ФНЧ, варисторы и т.п.) Принцип действия таких соединителей определяется принципом действия встроенного элемента защиты.
Так, например, каждый штырь соединителя с встроенным ФНЧ превращается в миниатюрный фильтр-контакт.
6.11 Электрические соединители со встроенными элементами защиты
209
Фильтр-контакт может иметь как трубчатую конструкцию, например, представлять собой проходной конденсатор, состоящий из центрального проводника (контактная часть штыря), полой керамической трубки, металлизированной изнутри и снаружи и соединенной с помощью пайки с контактами соединителя (внутренняя обкладка) и с заземляющей пластиной (внешняя обкладка), так и планарную конструкцию (многослойный или тонкопленочный конденсатор — керамическая пластина с отверстиями для контактов). Они могут выполняться как на элементах с сосредоточенными параметрами (сочетание дискретных компонентов, например, ферритовых колец и трубчатых конденсаторов, из которых формируются Г-, Т- или П-образные фильтры), так и с распределенными параметрами (например, цельной трубки, металлизированной снаружи и изнутри, внутренняя часть которой выполнена из феррита, а внешняя из титанат-бариевой керамики).
В фильтрах на элементах с сосредоточенными параметрами используется рассогласование импедансов для отражения высокочастотных ЭМП обратно в источник, при этом энергия ЭМП не рассеивается, а просто передается к другой части данной системы.
В фильтрах на элементах с распределенными параметрами емкость отражает энергию ЭП, а феррит поглощает ее и рассеивает в виде тепла.
Выбор типа фильтра зависит от особенностей конкретного применения. Наилучший эффект защиты от ЭМП дает совместное применение экранирования и фильтрации. Конструкция соединителей со встроенными элементами зашиты от электрических перенапряжений аналогична конструкции соединителя с ФНЧ.
При выборе соединителей с функциями защиты от ЭМП необходимо учитывать следующее:
•	резонансная частота фильтрующей ячейки должна быть на 20—30% выше самой высокой из подавляемых
Таблица 6.15
Справочные данные по электрическим соединителям со встроенными элементами защиты
Тип соединителя, на базе которого разработан помехозащищенный ЭС	Особенности конструкции	Элект]			эические параметры			
		Рабочее напряжение. UaB, В	Ток на 1 контакт, /раб, А	Эффект экранирования, дБ	Полоса пропускания, МГц	Ослабление сигнала, <У, дБ	Классиф. напряжение, tb, В	Коэффициент нелинейности ВАХ, d
«Таллий»*
СНЦ 23	Экранированные соединители (наличие токопроводных покрытий, контактной пружины для	700	9,5	45 (/= = 1000 МГц)
СНЦ-БС-1,2	обеспечения электрогерметично-	250	3,7	65 (/=
МР1	сти вилки и разетки, заделка экранирующей оплетки к хвостовой части соединителя)	150	0,5	= 100 МГц)
«Гарпун-1»*
СНЦ 23 с встроенными ФНЧ	Наличие фильтра с сосредоточенными параметрами коаксиальной конструкции, состоящей из ферритовой втулки и трубчатого керамического конденсатора	80 (постоянного тока)	95	—	0,5	25 (10 МГц) 40 (20 МГц) 55 (100 МГц) 80(1000 МГц)	—
«Таган-1»*
СНЦ 23 с защитой от импульсных перенапряжений	Наличие встроенных оксидноцинковых варисторов	0,8 %л	9,5	—	—	—	20-48 38-64 160-230	<10
* Шифр НИР.
210	Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
6.12. Сверхвысокочастотные защитные устройства
211
частот для обеспечения, равномерности частотной характеристики фильтр-контакта во всем диапазоне частот;
•	максимальная рассеиваемая мощность встроенного ограничителя напряжения должна быть больше мощности ЭМП;
•	быстродействие элементов защиты должна быть максимально возможным, а сопротивление стыков токопроводящих сопрягаемых корпусных и монтажных деталей — минимально возможным для обеспечения эффективной защиты цепей РЭА при больших скоростях нарастания сигнала помехи;
•	схемы фильтров должны выбираться с учетом согласования их с импедансами системы. Например, в системах с разбалансированными сопротивлениями источника и нагрузки целесообразно использовать электрические соединители с фильтрами L-типа. При этом, если сопротивление источника высокое, фильтр следует устанавливать конденсатором к источнику, так как с возрастанием частоты сопротивление конденсатора уменьшается.
При монтаже соединителя с защитой от воздействия ЭМП на печатной плате размещение соединителя должно быть как можно ближе к источникам высокочастотного сигнала и помехи. В таблице 6.15 приведены справочные данные по электрическим соединителям со встроенными элементами защиты [3].
6.12. Сверхвысокочастотные защитные устройства
В современных РЛС и приемной аппаратуре СВЧ диапазона защитное устройство ЗУ является одним из важнейших электронных элементов СВЧ тракта. Оно обеспечивает защиту входных цепей приемника (смесителей на полупроводниковых диодах, малошумящих
212
Часть 3 • Раздел 6. Активные и пассивные элементы защиты
полупроводниковых усилителей и др.) от СВЧ сигналов собственного передатчика, сигналов соседних радиолокационных станций и других внешних СВЧ сигналов, способных вызвать нарушение работы приемного устройства.
Защитное устройство состоит из одного или нескольких каскадов, выполненных в виде отрезков линии передачи с включенными в них нелинейными элементами (газоразрядники, полупроводниковыми, ферритовыми и др.), которые изменяют свои электрические параметры при превышении некоторого значения воздействующей на них СВЧ мощности. В режиме высокого уровня СВЧ мощности (ВУМ), когда входная мощность равна или превышает пороговое значение, ЗУ уменьшает ее до уровня, безопасного для входных цепей приемного устройства. Ввиду относительной малости ее величины, она называется просачивающейся мощностью.
В режиме низкого уровня СВЧ мощности (НУМ) входная мощность много меньше порогового значения, и устройство пропускает входной сигнал практически без существенного ослабления.
В ранних типах РЛС задача обеспечения защиты входных цепей приемника решалась при помощи резонансных разрядников. Резонансные разрядники (РР) входили в состав специального устройства — антенного переключателя (АП), который обеспечивал переключение антенны в режим передачи или режим приема. В дальнейшем использование АП на ферритовых циркуляторах позволило освободить ЗУ от функции переключения антенны, сохранив за ним лишь одну функцию — защиту приемника.
По мере развития СВЧ техники применение РР перестало быть единственным способом обеспечения защиты приемников в РЭА и потребовалось использовать обобщенный термин, охватывающий все возможные варианты защиты, то есть термин «защитное устройство».
6.12. Сверхвысокочастотные защитные устройства
213
Таблица 6.16
Справочные данные по СВЧ защитным устройствам
Тип ЗУ	Диапазон частот, ГГц	Входная импульсная мощность, Вт	Входная средняя мощность, Вт	Длительность импульсов, мкс	Потери пропускания, дБ	Время восстановления, мкс	Просачивающаяся мощность, мВт	Энергия пика, мДж
РР-321	8,6-9,6	14	420	1	1,2	70	20	4,0
РР-241	36,1-38	8	16	0,3	1,3	10	3,0	4,0
РР-259	6,5-6,8	0,1	—	11	1,3	4,0	75	16
РР-254	7,0—7,4	3,0	—	12	1,3	2,0	150	12
РР-260	7,3-8,0	0,16	—	17	1,3	0,8	75	16
РР-243	9,0-9,4	о,з	—	15	1,3	3,0	100	30
РР-234	9,1-9,7	10	—	—	—	—	—	—
РР-263	9,3-9,7	0,75	—	250	1,5	1,0	30	16
РР-264	3,8-3,9	2,5	—	0,5	2,0	3,0	25	6,0
В таблице 6.16 приведены справочные данные по СВЧ защитным устройствам.
Литература
1.	Коршунов Ф.П. и др. Воздействие радиации на интегральные схемы и полупроводниковые приборы.— Минск: Наука и техника, 1986.
2.	Коршунов Ф.П. и др. Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах.— Минск: Наука и техника, 1974.
3.	Кравченко В.И. и др. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи.— М.: Радио и связь, 1987.
4.	3u С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ.— М.: Мир, 1984.— 456 с.
5.	Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники.— М.: Энергия, 1974.— 256 с.
6.	Моллер Т., Кейминс Т. Элементы интегральных схем: Пер. с англ.— М.: Мир, 1989.— 630 с.
7.	Ферри Д., Эйкерс Л., ГриничЭ. Электроника ультраболыиих интегральных схем: Пер. с англ.— М.: Мир, 1991.—327 с.
8.	Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.— М.: Радио и связь, 1988.-256 с.
9.	КюрегянА.С.. Шлыгин П.Н. Влияние поверхностной ударной ионизации на лавинное умножение и пробой в р-п переходах.— Эл. техника. Сер. Полупроводниковые приборы.- 1990, вып. 4 (2-7), с. 10-19.
10.	БалацБ.М. Пробой подзатворного диэлектрика при травлении поликремния в ВЧ разряде.— Эл. техника. Сер. Полупроводниковые приборы.— 1991, вып. 4 (213), с. 40—53.
11.	Kleiner С., Nelson J., YassalloF., Heaton Е. Integrated Circuit Model Development for ЕМР/ — IEEE Trans. NS, vol. NS-21, 1974, No. 6, p. 323-331.
12.	Лазер М.И., Шубарев B.A. Устойчивость цифровых микроэлектронных устройств.— М.: Радио и связь, 1983.— 216 с.
13.	ПреснухинЛ.Н., Воробьев Н.В.. ШишкевичА.А. Расчет элементов цифровых устройств.— М.: Высшая школа, 1991.— 526 с.
14.	Никифоров А.Ю., Телец В.А., ЧумаковА.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС.— М.: Радио и связь, 1994.— 164 с.
Литература
215
15.	Tasca D.M. Pulse power failure Modes in Semiconductor.— IEEE Trans. NS, vol. NS-17, 1970, No. 6, p. 364-370.
16.	Корж В,И. Динамика тепловых процессов в тонкопленочном резисторе наносекундного диапазона.— Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Под ред. А.А. Ва-сенкова и А.Я. Федотова, 1977, вып. 2, с. 254-263.
17.	Duvvury С., Amerasekera A. ESD: A. Pervasive Reliability Concern for IC Technologies.— Proc, of the IEEE, vol. 81, 1993, No 5. P. 390-402.
18.	Физические основы надежности интегральных схем. Под ред. Ю.Г. Миллера.— М.: Сов. радио, 1976.— 320 с.
19.	Рябов Ю.Г,, Лопаткин С.М, Основные принципы контроля электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств.— Стандарты и качество, 1994, N , с. 61-69.
20.	Черепанов В,П, и др. Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок.— М.: Радио и связь, 1994.
21.	Григорьев О,П. и др. Информационно-поисковая система «Защита» . «Электронная техника. Серия полупроводниковые приборы». Вып. 4 (2-13), 1992.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «РАДИОСОФТ»
http://www.radiosoft.ru Отдел реализации тел./факс: (499) 177-4720 e-mail: real@radiosoft.ru
Адрес и телефон для заявок на книги по почте:
109125 Москва, Саратовская ул., д. 6/2, издательство «РадиоСофт»
тел: (495) 956-7068 e-mail: post@radiosoft.ru
ИЗДАТЕЛЬСТВО «РАДИОСОФТ» ВЫПУСКАЕТ
«КАТАЛОГ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ, РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
И ПРОГРАММИРОВАНИЮ», в котором представлена профессиональная и любительская литература ведущих российских издательств
Каталог выходит два раза в год — весной и осенью
Вы можете получить каталог в бумажном или электронном виде заказав его по указанному выше адресу бесплатно!
ЧЕРЕПАНОВ Вадим Павлович ПОСЫСАЕВ Евгений Иванович ЗАЩИТА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕГРУЗОК
Ответственный за выпуск А.А. Халоян
Редактор М.В. Толмачева Компьютерная верстка О. В. Лукьянова Дизайн обложки Л.К. Абдрашитова
Сдано в набор 14.03.2010. Подписано в печать 27.04.2010
Формат 84 х 108/32. Гарнитура «NewtonC» Бумага офсетная. Печать офсетная Печ. л. 6,75. Тираж 1000 экз.
Издательское предприятие «РадиоСофт»
109125, Москва, Саратовская ул., д. 6/2
Приведены краткие сведения об источниках и параметрах импульсных электрических перегрузок, возникающих в радиоэлектронной аппаратуре под действием электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения, а также переходных процессов в самой аппаратуре.
Представлены современные методы активной и пассивной защиты аппаратуры, включая реализующие их конкретные электрические схемы. Изложены методы оптимального выбора элементов защиты цепей аппаратуры.
Даны электрические и эксплуатационные характеристики элементов защиты от электрических перегрузок, специализированных приборов (полупроводниковых ограничителей, разрядников, дефензоров, варисторов), приборов общего применения (выпрямительных, импульсных, лавинных диодов, диодов Шоттки, диодов СВЧ, стабилитронов) и пассивных элементов защиты (помехоподавляющих конденсаторов и фильтров, ферритовых изделий, терморезисторов, радиопоглощающих материалов, электрических соединителей со встроенными элементами защиты).
Отдельно рассмотрены комбинированные устройства защиты, позволяющие обеспечивать защиту аппаратуры от импульсных электрических перегрузок, имеющих широкий диапазон амплитудно-временных параметров.
Для широкого круга специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией радиоэлектронной аппаратуры, а также радиолюбителей.
НАШИ КНИГИ
НА www.radiosoft.ru