Il tubo a scarica di gas: un "antico" componente di protezione amplia la sua versatilità

La protezione del circuito è come un'assicurazione: non serve finché non serve, ma quando serve è un sollievo. Questa protezione rientra in due grandi categorie: protezione contro le sovracorrenti, ad esempio tramite un fusibile, e contro le sovratensioni, utilizzando dispositivi come i varistori metallo-ossido (MOV) e i limitatori di sovratensione a tubo a scarica di gas (GDT) (Figura 1).

Figura 1: Un GDT può essere utilizzato per la protezione dalle sovratensioni da solo o in combinazione con altri dispositivi di sovratensione e sovracorrente. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

L'idea dei tubi a scarica di gas (GDT) e dei loro punti conduttivi può evocare immagini da film di Frankenstein, con componenti e assemblaggi grandi e ingombranti che sprigionano scintille di grande effetto e visibilità. Tuttavia, i GDT per la protezione dei circuiti sono piuttosto piccoli e le versioni a due elettrodi possono essere facilmente collocate tra la linea o il conduttore da proteggere (di solito una linea di alimentazione c.a., una porta I/O o un altro conduttore esposto) e la terra del sistema.

Questi GDT offrono una funzionalità quasi ideale deviando a terra le sovratensioni più elevate. In condizioni operative normali, il gas all'interno del dispositivo agisce da isolante e il GDT non conduce corrente; è quanto di più vicino all'invisibilità del circuito possa esistere per un componente non ideale, con un'impedenza di diversi gigaohm quando non è attivato e solo pochi picofarad di capacità parassita.

Tuttavia, quando la tensione attraverso i terminali supera la tensione di scarica distruttiva del dispositivo, il gas nel GDT si ionizza completamente e non funziona più come isolante. La conduzione attraverso i terminali del dispositivo avviene invece in una frazione di microsecondo (Figura 2). L'effetto crowbar del GDT limita efficacemente la sovratensione a un livello basso e devia il flusso di corrente associato o il picco transitorio lontano dai componenti e dai circuiti a valle.

Figura 2: Quando il limite di sovratensione viene superato, il gas GDT si ionizza e il dispositivo passa in meno di un microsecondo da un'impedenza quasi infinita a un percorso altamente conduttivo. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Quando l'evento di picco transitorio si attenua e la tensione del sistema torna a livelli normali, il GDT torna allo stato di alta impedenza (off). Come ulteriore vantaggio, a differenza di altri dispositivi di protezione dalla tensione i GDT non sono polarizzati (bidirezionali) e non si usurano con ripetuti eventi di scarica distruttiva.

Malgrado l'età e l'antichità dei loro principi spinterometrici, a partire da Benjamin Franklin e dal suo esperimento con l'aquilone (1752) e dall'uso della formazione di arco di scintilla (inizio 1800) di Humphrey Davy, i GDT sono ancora molto validi. Continuano a evolversi per soddisfare le esigenze dei circuiti e dei sistemi odierni.

Il valore indicato normalmente per la tensione di scarica distruttiva è di 30 kV/cm. Regolando la distanza tra gli elettrodi e altri fattori, è possibile costruire GDT con tensioni di scarica disruptiva che vanno da meno di 100 V a migliaia di volt.

I GDT continuano a migliorare

Ad esempio, i GDT serie GDT28H di ultima generazione ad alta corrente di Bourns, Inc. migliorano notevolmente la protezione dai transitori di tensione causati dai fulmini e da altri disturbi della linea di alimentazione c.a. L'elevata capacità di protezione dalla sovracorrente transitoria offre un livello superiore di limitazione della tensione durante gli eventi di forte aumento, pur mantenendo dimensioni compatte.

Questi tubi a due elettrodi a scarica di gas ad alta tensione offrono un'elevata resistenza di isolamento e sono disponibili in un intervallo di tensione di scarica distruttiva c.c. da 1 kV a 3,3 kV con una capacità di protezione dalla sovracorrente transitoria di 5 kA. A differenza delle spettacolari scintille che si vedono nei film, questi GDT sono dispositivi completamente chiusi e tutti i membri della famiglia sono alloggiati in un contenitore cilindrico a foro passante di 8 × 6 mm, con conduttori assiali, con una capacità inferiore a 1,5 pF (Figura 3).

Figura 3: Il simbolo schematico di un GDT a due elettrodi (a sinistra) rappresenta i piccoli dispositivi in un involucro cilindrico della serie GDT28H. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Tra le applicazioni previste vi sono alimentatori, illuminazione, HVAC e i prodotti che devono essere conformi alla norma IEC 62368-1:2018. Questo standard di sicurezza, ampiamente diffuso, si applica alle apparecchiature elettriche ed elettroniche nei settori audio, video, della tecnologia dell'informazione e della comunicazione, nonché alle macchine aziendali e da ufficio con una tensione nominale inferiore a 600 V.

La serie GDT28H, con approvazione UL, è particolarmente idonea per l'uso in situazioni di isolamento c.a. Raggiunge queste prestazioni grazie all'intervallo esteso della tensione di funzionamento, all'elevata resistenza di isolamento e ai valori nominali più elevati di sovratensione transitoria. Inoltre, la serie GDT28H offre un ampio intervallo della temperatura di funzionamento, da -40 °C a +125 °C, che la rendono idonea per applicazioni in condizioni difficili.

Un membro della famiglia è GDT28H-200-A, un GDT da 2000 ±400 V. Come tutti i membri di questa famiglia, è dotato di una capacità nominale di scarica impulsiva di 5 kA 8/20 µs. La tensione di scarica distruttiva a impulsi è di 2500 V (massima) a 100 V/µs e di 2750 V a 1 kV/µs.

Ai progettisti che devono valutare questi GDT, Bourns offre anche il kit di progettazione DK-GDT28H-01. Questo kit comprende 20 GDT della serie composta da 4 dispositivi, 5 pezzi ciascuno da 1000, 1500, 2500 e 3300 V c.c. di tensione di scarica distruttiva tipica.

La funzione GDT è un ottimo esempio di ingegneri che utilizzano un principio fisico fondamentale in applicazioni diverse e contraddittorie. Mentre i GDT sono completamente chiusi e vengono utilizzati per il crowbar di una sovratensione a terra, la candela di un motore a combustione interna utilizza una scarica disruptiva esposta per innescare la miscela di benzina e aria nel motore.

Ecco la dicotomia: per il funzionamento GDT, le scintille derivano da eventi di sovratensione imprevedibili, ma per la funzione di accensione della candela sono innescate apposta con tempi precisi.

Conclusione

La protezione dei componenti di un circuito da eventi di sovratensione e sovracorrente è essenziale per la progettazione di un sistema. I GDT deviano rapidamente i transitori a terra, impedendo così che una tensione eccessiva raggiunga, danneggi o distrugga i componenti a valle. Bourns ha potenziato l'utilità di questi dispositivi sviluppandoli per gestire un ampio intervallo di valori di sovratensione e le relative sovracorrenti transitorie in un minuscolo contenitore cilindrico che soddisfa tutti gli standard normativi pertinenti.

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