Bourns, Inc. ha rivendicato una delle scoperte più significative nella progettazione di dispositivi a varistore a ossido di metallo (MOV) degli ultimi decenni. I nuovi protettori IsoMOV, o componenti di protezione ibridi, integrare la funzione del tubo a scarica di gas (GDT) direttamente nel MOV stesso, offrendo livelli di sovratensione più elevati in contenitori più piccoli, insieme a una maggiore robustezza. Integrando il GDT, risolve anche i problemi di degrado del MOV causati dalle correnti di dispersione e prolunga la vita operativa del MOV.
I protettori IsoMOV sono caratterizzati da una capacità inferiore, perdite molto basse e un'elevata densità di gestione dell'energia. L'AC voltaggio i valori nominali vanno da 175 V a 555 V. Disponibile in tre modelli: IsoM3, IsoM5 e IsoM8, i picchi nominali nominali sono rispettivamente di 3 kA, 5 kA e 8 kA. I dispositivi sono disponibili nel noto pacchetto MOV a disco radiale con un diametro più piccolo ed è leggermente più spesso. L'intervallo della temperatura di esercizio è compreso tra -40°C e 125°C.
L'ampio intervallo di temperature della famiglia IsoMOV e le basse perdite la rendono particolarmente adatta per comunicazioni industriali, su linee elettriche, informazioni e comunicazioni ad alta velocità la tecnologia (ICT), nonché una serie di ambienti difficili o applicazioni remote in cui le riparazioni possono essere sia fisicamente impegnative che costose da eseguire, ha affermato Bourns.
Protezioni Bourns IsoMOV (Fonte: Bourns Inc.)
“Poiché vediamo la convergenza di circuiti più sofisticati e dimensioni ridotte dei componenti, circuito la protezione deve soddisfare queste tendenze, quindi dobbiamo progettare costantemente dispositivi sempre più piccoli che non sacrifichino o compromettano i livelli di protezione richiesti che i progettisti e, in definitiva, gli utenti finali si aspettano dalla protezione dei circuiti", ha affermato Lee Bourns, direttore marketing per la protezione del circuito a Bourns.
Allo stesso tempo, questi progetti stanno diventando sempre più suscettibili ai danni transitori dovuti a fulmini e picchi di tensione e questo è ancora più aggravato in quanto i singoli componenti all'interno del circuito diventano sempre più piccoli e potrebbero non essere in grado di gestire la stessa potenza o gestire le minacce transitorie così come un dispositivo di dimensioni maggiori, ha detto.
I MOV continuano ad essere ampiamente utilizzati per la protezione dalle sovratensioni e sono spesso utilizzati insieme ai GDT per prolungare la vita dei MOV, ha affermato Bourns. "Ma non sempre soddisfano i requisiti di spazio ridotto sulla scheda e dimensioni di ingombro ridotte".
Questi non sono componenti ultra-piccoli come altri tipi di dispositivi di protezione dei circuiti, che possono avere dimensioni 0402 o 0201 o anche dimensioni inferiori, ha aggiunto. I tradizionali GDT cilindrici misurano 5 × 5 mm e 8 × 6 mm e, se combinati con il MOV, occupano una quantità significativa di spazio sulla scheda.
In molti casi i progettisti devono scegliere tra componenti a prestazioni inferiori e poco ingombranti o dispositivi sovraspecificati per soddisfare i propri requisiti di protezione. "Con le protezioni IsoMOV, i progettisti possono ora ottenere il giusto livello di protezione contro le sovratensioni per la loro applicazione senza dover scendere a compromessi su prestazioni, dimensioni, costi o riprogettazione", ha affermato Bourns.
Da dove è iniziato
Nel 2019, Bourns ha sviluppato una tecnologia di protezione ibrida GMOV che utilizza un GDT FLAT discreto più un MOV discreto che sono uniti meccanicamente in un unico pacchetto. I nuovi componenti ibridi di protezione da sovratensione IsoMOV portano questa idea al livello successivo incorporando il GDT direttamente tra due dischi MOV.
I GDT a tecnologia piatta hanno ridotto significativamente le dimensioni dell'ingombro del GDT, ma non sono andati abbastanza lontano per risolvere tutti i requisiti in evoluzione della progettazione dei circuiti, ha affermato Bourns.
L'azienda ha lavorato sulla tecnologia di protezione ibrida per un paio d'anni. In realtà è nato da un paio di progetti aziendali, incluso uno per miniaturizzare i GDT, ha affermato Kelly Casey, direttore tecnico di Bourns per la protezione dei circuiti. Ma l'idea alla base del design è venuta in realtà dal CEO dell'azienda Gordon Bourns, quando stavano discutendo dei GDT con elettrodi ceramici.
Un vantaggio chiave del design integrato è che fornisce le specifiche delle prestazioni che si trovano solitamente nei dispositivi MOV tradizionali più grandi. Ciò consente ai progettisti di adattare meglio le prestazioni di protezione contro le sovratensioni ai propri requisiti di spazio e consente loro di aggiornare la protezione da sovratensione MOV per includere l'isolamento GDT senza una riprogettazione del PCB.
Molti progettisti specificano MOV classificati a tensioni e correnti di picco molto più elevate per garantire che i dispositivi non siano stressati fino al punto di rottura, mentre altri hanno posizionato i GDT in serie con i MOV per eliminare le correnti di dispersione e prolungare la vita del MOV, ha affermato Casey.
"Ci sono molti ingegneri che specificheranno questi prodotti per assicurarsi che non ci siano guasti", ha affermato Casey. "Compreranno una parte più alta tensione, più corrente nominale di quanto la loro applicazione effettiva richiederà."
Con IsoMOV, i progettisti hanno alcune scelte. Possono selezionare una parte più piccola o rimanere con le stesse dimensioni e ottenere un design più robusto. Ad esempio, un MOV standard da 10 mm best-in-class è valutato a 2,000 amp (A), rispetto a 3,000 A per un IsoMOV da 10 mm, che è in realtà alla pari con un MOV standard da 14 mm (vedi tabella sotto).
Valori di sovratensione IsoMOV rispetto ai MOV standard (Fonte: Bourns Inc.)
Inoltre, con i layout dei pin standard del settore, le protezioni IsoMOV offrono un aggiornamento delle prestazioni e dell'affidabilità a MOV standard della stessa dimensione in un fattore di forma drop-in-replacement pin-to-pin.
Il design
Combinando GDT e MOV in un unico pacchetto, l'IsoMOV consente al GDT di bloccare le correnti di dispersione attraverso il MOV che possono portare a guasti prematuri, rendendo il MOV intrinsecamente più robusto senza aggiungere componenti aggiuntivi nella progettazione del circuito.
C'è una cavità tra i due dischi MOV dove è posizionata la funzione GDT senza creare un percorso di dispersione. I dischi MOV hanno un lato concavo che crea la cavità e nella cavità è presente un materiale vetroso che svolge diverse funzioni. Questi includono la sigillatura del gas inerte nella camera GDT, l'isolamento dei due dischi MOV l'uno dall'altro, consentendo al GDT di svolgere il proprio lavoro e fornendo un lungo percorso di dispersione tra gli elettrodi GDT, che prolunga la vita del GDT.
Sezione trasversale della protezione ibrida IsOMOV (Fonte: Bourns Inc.)
Inoltre, la migliore capacità di sovratensione del dispositivo IsoMOV è attribuita all'esclusiva geometria EdgMOV. Migliora le prestazioni del MOV rimuovendo la modalità di guasto principale, che è un foro di bruciatura sul bordo della metallizzazione che provoca il cortocircuito del MOV. La geometria EdgMOV elimina questa modalità di guasto incanalando la corrente lontano dai bordi. Consente inoltre una migliore distribuzione dell'energia di picco, che rallenta l'invecchiamento degli elementi MOV a causa dei picchi. Inoltre, la migliore distribuzione dell'energia aumenta la capacità di sovratensione per unità di superficie.
Quindi come funziona IsoMOV? Quando si verifica il transitorio, l'IsoMOV blocca la tensione proprio come un MOV tradizionale, ma poiché il GDT funge da interruttore, il MOV non deve tollerare costantemente quella pressione costante della tensione attraverso di esso, ha affermato Casey.
Il GDT è il pezzo chiave per la longevità dell'IsoMOV, ha detto. “Durante la sua intera vita il MOV è davvero collegato alla linea elettrica solo per pochi secondi. Il GDT ha preso quella tensione per tutto il tempo, tranne durante un evento di fulmine che dura solo pochi microsecondi o millisecondi".
“Uno dei problemi con i MOV è che tendono a perdere nel tempo. Non amano le alte temperature e non amano l'umidità elevata; tutte queste cose guidano le correnti di dispersione", ha detto Casey. “E quando le correnti di dispersione iniziano ad aumentare, il dispositivo inizia a riscaldarsi e mentre il dispositivo si riscalda perde ancora di più, entrando in una condizione di fuga. Con il GDT in serie con il MOV che viene eliminato”.
Tuttavia, c'è una penalità da pagare quando si usano questi dispositivi insieme, che è il momento di accendere il GDT, in genere meno di 300 nanosecondi, ha detto Casey, e durante quel periodo c'è un picco di tensione front-end. Ha notato che il picco di tensione si verifica anche con soluzioni GDT e MOV discrete, quindi non è una novità per i progettisti che utilizzano GDT e MOV insieme. "Nella stragrande maggioranza delle applicazioni non ha assolutamente alcun impatto perché è di breve durata."
Una volta terminato il transitorio (o fulmine), l'IsoMOV torna alla sua normale funzione di standby. “In questo progetto, il MOV è a chiamata ma non è in servizio. Sta aspettando che il GDT lo svegli durante quei transitori”, ha detto Casey.
Progettazione del protettore ibrido IsoMOV (Bourns Inc.)
La serie di protettori IsoMOV è riconosciuta UL 1449 Tipo 5. IEC non dispone attualmente di uno standard per riconoscere IsoMOV, ma Bourns sta lavorando con l'ente degli standard per presentare modifiche che riconoscano la tecnologia ibrida. Probabilmente sarà incluso nell'IEC 37B, che è attualmente in fase di sviluppo, ha affermato Casey.
La serie di protettori IsoMOV è ora disponibile. Solo un avvertimento sulla numerazione delle parti. I codici articolo IsoMOV sono designati dai valori nominali di sovratensione, ovvero IsoM3-xxx (3 kV), IsoM5-xxx (5 kV) e IsoM8-xxx (8 kV), invece che in base alle loro dimensioni.
"Non vogliamo che i designer pensino di fare un acquisto equivalente taglia per taglia, vogliamo che considerino davvero le dimensioni e la capacità di sovratensione, motivo per cui li abbiamo numerati come abbiamo fatto". Clicca qui per la scheda tecnica. Ulteriori informazioni sui dispositivi di protezione ibridi sono disponibili in una serie di white paper.
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