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2013年1月23日 (水)

静電保護のはなし

静電保護とはVaristor_arrester

静電気による高電圧が印加することによって、デバイスが破壊されたり、CPUが暴走したり、リセットがかかったりする障害から保護する役割です。
高周波では入力保護のはなしでアンテナからの保護を書きました。
 今回は代表的なバリスタ[Varistor]とアレスタ[Arrester]について考えてみます。
ますバリスターについて(Wikiより)
この素子は非直線性抵抗特性を持つ半導体セラミックスを2枚の電極ではさんだ構造を持つ。 セラミックコンデンサに類似した構造であり、セラミックコンデンサの誘電体セラミックスを半導体セラミックスで置き換えたものと言ってよい。 形態もセラミックコンデンサと同様にディスク型および積層チップ型がある。
特性としては右図のようにツェナーダイオードを向かい合わせに繋げたような構造になります。動作していない電圧では電極が積層セラミックコンデンサーのようにある程度の容量をもっています。通常 数PF〜 数10PF
しかしながら、クリップするカーブは緩やかで、ツェナーダイオードのような急峻な特性ではなく、電圧を超えると徐々に電流が増えてゆく特性を持っています。もちろん片方がツェナーダイオードとして動作している時は反対側は通常のダイオードのように動作しています。
 代表的な製品としてSMD部品ではKOAのチップバリスタ ではバリスタ電圧は 12Vの 0603製品から 6〜 30V程度の 3216製品(サージ電流 50A程度)から 9〜 100V程度の 5750サイズ (サージ電流 1000A程度)のものまであります。これら通常のバリスタは主にDC〜数 MHzの信号ラインを想定して、制御信号やオーディオ出力ケーブルなどバリスタ追加による浮遊容量増加が無視出来る用途です。
最近ではポリマーを使った小型の保護素子も出てきました。

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 携帯電話のアンテナ端子などこれら付加容量が無視出来ない用途では積層させるのではなく、一対の非常に狭い間隔で金属を向かい合わせてアーク放電させて高電圧を逃がす構造として造られた、 MURATAの超低端子間容量のESD保護素子 など1005サイズの小型で容量が 0.05PFなどという製品も出てきました。(電極ギャップを使うので数10Vというバリスタ電圧はできませんので、だいたいピークで数100V程度の保護となります。
しかしながら静電気の電圧は試験時でも 1KV程度の電圧を 150PFのコンデンサーにチャージさせ330Ωほどの抵抗で印加するので、その電圧から比べたらかなり電圧を制限出来ていると考えられます。
 また、通常のバリスタはサージ電流が流れると半導体セラミックスが劣化しするので、回数による寿命がありますが、上記素子はそれがないのがメリットでもあります。

高周波で雷に対する保護は?
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携帯基地局のアンテナ等、雷による誘導電圧、サージノイズに対する保護は、ガス等の放電を利用した大電流保護のアレスタが有利です。両端に比較的大きな金属端子をもったセラミックケースの中にガスが入っている構造です。チップタイプもありますが、1KAもの大きなサージ電流を扱うのでSMD型でもあまり小型のものはありませんが、静電容量が 0.3PF程度で、サージ耐量が500A取れるOKAYA3216サイズ や、同じくらいの大きさのリードタイプのものも出てきました。
豊富な種類があるので選ぶのに迷うほどですが、重要な点はこのデバイスの端子にはピークで 1KA程度流れるということです。ですから、配線のパターンはGND側は出来るだけ幅広くかつGND端子(ネジ)に近い配置にする。信号側は出来るだけ入力の端子に近いところに配置するなどの注意が必要ですね。
Gdt

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