Кремниевые лавинные диоды

Кремниевые лавинные диоды по сравнению с обычными полупроводниковыми диодами обладают тем преимуществом, что при превышении напряжения пробоя р–n - переход не разрушается, а пропускает большой ток в обратном направлении. До тех пор пока допустимая термическая мощность потерь в закрытом состоянии не превышается, не наступает разрушения запорного слоя (контролируемый пробой). Их разновидность Z -диоды (диоды Зенера, стабилитроны) с напряжением U_z = 3...200 В давно находят применение для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений в электронных схемах. Для обеспечения ЭМС были разработаны специальные кремниевые лавинные диоды с большим по площади р–n - переходом для высокого допустимого тока в обратном направлении. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов), трансвильдиодов, диодов поглотителей. Кремниевые лавинные диоды имеют, как и варисторы, время срабатывания в субнаносекундном диапазоне, которое, однако, на практике из-за индуктивности токопроводов перемещается в наносекундный диапазон. Аналогично варисторам они имеют сравнительно большие емкости (до 15000 пФ), что препятствует их применению в высокочастотных системах (исключение: последовательное включение с малоем-костными диодами).

На рис. 2.34 приведена характеристика ограничительного стабилитрона: максимальное напряжение U_R, при котором диод еще закрыт; напряжение начала ограничения U_B, при котором ток I = 1 мА; напряжение ограничения U_C для импульса тока I_р (8/20 мкс).

Кремниевые лавинные диоды являются обычно однополярными конструктивными элементами. Путем встречного последовательного включения двух диодов получают симметричную характеристику, аналогичную характеристике варистора. Выбор кремниевых лавинных диодов происходит аналогично выбору варисторов на основании характеристик или предельных данных, даваемых изготовителем.

Искровые разрядники

Разрядники конструктивно изготавливаются в виде воздушных, газонаполненных устройств или элементов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенных в герметичный керамический, стеклянный или фарфоровый корпус, заполненный инертным газом.

Искровые разрядники перекрывают наибольший диапазон напряжений срабатывания. Они защищают как электроэнергетические системы при прямых ударах молнии (напряжение срабатывания вплоть до мегавольтового диапазона), так и телекоммуникационные сети (напряжение срабатывания больше 80 В). По сравнению с варисторами и лавинными диодами искровые разрядники отличаются ярко выраженными коммутационными свойствами (рис. 2.35 ). При динамической нагрузке напряжение на искровом промежутке становится сначала значительно выше статического напряжения пробоя, измеряемого при скорости увеличения напряжения 100 В/с. Спустя определенное статистическое время разрядник пробивается, в результате чего его сопротивление уменьшается приблизительно в десятки раз, а напряжение падает сначала до напряжения тлеющего разряда (70...130 В), а затем при достаточно малом внутреннем сопротивлении источника тока до напряжения дуги U < 20...25 В (в основном это падение напряжения в прианодной и прикатодной областях). Разница между напряжением тлеющего разряда и напряжением горения дуги на рис. 2.35 не показана.

Можно отметить два недостатка разрядников по сравнению с ограничителями перенапряжений. С одной стороны, при большой крутизне напряжение перед срабатыванием может на короткое время принимать очень большие значения, которые в некоторых случаях недопустимы для защищаемого объекта. С другой стороны, напряжение горения разрядника мало, так что в цепях постоянного тока разрядник после прохождения переходного перенапряжения при определенных обстоятельствах не гасится. В низкоомных сетях рабочее напряжение при этом вызывает через разрядник сопровождающий ток, который его термически разрушает.

Первая проблема решается путем выбора разрядника с нужной вольт-секундной характеристикой (насколько это возможно) либо ступенчатой грубой или тонкой защитой. Вторая проблема в системах электроснабжения решается путем последовательного включения к разряднику варистора. Вольт-секундная характеристика искрового разрядника описывает динамический  режим срабатывания при воздействии  импульсными  напряжениями  возрастающей крутизны. Она определяется производителем для каждого типа искрового

разрядника (рис. 2.36, а). Указанным выше недостаткам противостоят заметные преимущества разрядников, заключающиеся в высокой допустимой токовой нагрузке и малом активном сопротивлении после срабатывания, незначительной емкости электродной системы. Сопротивление изоляции искровых разрядников выше 10¹⁰ Ом, а их емкость менее 10 пФ.

Заполненные инертным газом разрядники образуют основу защиты от перенапряжений в сетях связи, высокое внутреннее сопротивление и низкое рабочее напряжение которых не допускает возникновения сопровождающего тока, так как напряжение горения дуги более 60 В. В низкоомных сетях и при повышенных рабочих напряжениях заполненные инертным газом разрядники находят широкое применение в гибридных схемах.

 На рис. 2.37 показан разрядник с инертным газом. В зависимости от требований к статическому и динамическому режимам срабатывания газ, электроды и соответствующие устройства ускорения зажигания могут быть изготовлены радиоактивными.