1. Uvod

Da bi se poboljšala elektromagnetna, EMG (prenaponska i/ili prekostrujna) zaštita potrebno je pored unapređenja koncepta zaštite raditi i na primeni novih tehnologija u izradi zaštitnih komponenti. Težnja je da se dobije komponenta koja je :

• Dimenziono što manja • Što veće brzine odziva • Energetski što izdržljivija • Po karakteristikama odziva maksimalno uniformna i • Što pouzdanija .

Ako se postojeće tehnologije za izradu prekostrujnih komponenti (stakleno-keramičkih, solid-state, termoprekidača itd.) posmatraju u svetlu gore navedenih uslova, najviše obećava debeloslojna tehnologija (na keramičkoj podlozi) naročito za primenu na štampanim pločama u diskretnoj (tzv. throu hole) ili SMD tehnologiji lemljenja. Tako realizovane komponente treba da zadovolje ispitivanja prenapona i prekostruja definisana međunarodnim preporukama i nacionalnim propisima : • ITU-T Preporuke K.20 i K.21 • Propis ZJ PTT: PTT Vesnik br. 22/95 te podrazumeva slede}e testove [1][2]: 1) Udar groma prenaponskim udarnim talasom UP=4kV,

talasnog oblika 10/700 μs negativnog i pozitivnog polariteta (simultano na žilama a i b prema zemlji e)

2) Indukciju sa energetskih vodova sinusoidalnim prenaponskim talasom U=600 V, f=50 Hz, R= 600 ς i trajanja T=1 s (simultano na žilama a i b prema zemlji e)

3) Dodir telekomunikacionog i energetskog distributivnog voda U=230 V, f=50 Hz i trajanja T=15 min. sa tri različite vrednosti otpornosti kao simulacije udaljenog (R=600 ς), simetričnog (R=200 ς) i bliskog (R=10 ς) dodira (simultano na žilama a i b prema zemlji e)

2. Pregled postojećih tehnologija Da bi se unapredile karakteristike postojećih komponenti (u skladu sa gore navedenim) pristupilo se definisanju polaznih karakteristika koje bi prekostrujna komponenta neresetabilnog (jednokratno upotrebljivog) tipa trebala da zadovolji. Pri tome se pošlo od karakterstika postojećih prekostrujnih komponenti koje su koričćene kao primarna prekostrujna zaštita u kompleksnim osiguračima ,,Passer’’ familije TPM1 a to su :

• Termoprekidač • Solid-state strujni osigurač (tzv. Circuot Protector)

Termoprekidač je realizovan pomoću elastičnog pera

oblikovanog da mu se krajevi mogu zalemiti na za to predviđenu kalajisanu površinu na štampanoj pločici. Tehnološki gledano to je bilo najjednostavnije rešenje sa stanovišta izrade komponente, a najkomplikovanije sa stanovišta montaže (lemljenja) i nosilo je nekoliko problema :

1. Kontaktno pera mora imati odgovarajuću elastičnost i precizno definisan geometrijski oblik da bi se obezbedilo efikasno prekidanje linije izazvano prekostrujnim pregrevanjem i topljenjem tzv. mekog lema na ulaznom kraju termoprekidača.

2. Lemna legura (meki lem) mora biti hemijski korektno urađena jer temperatura topljenja značajno varira u zavisnosti od procentualnog odnosa i eventualnog prisustva nečistoća.

3. Prilikom lemljenja treba precizno dozirati količinu mekog lema i naročito voditi računa o termičkom tretmanu lemnog mesta jer meki lemovi koji sadrže bizmut teško podnose mehanička naprezanja.

4. Teško je ostvariti uparenost karakteristika Stakleno-keramičkie komponente daju prevelike dimenzije, kao i nedovoljnu uparenost (uniformnost) karakteristika, dok su kod solid-state osigurača dimenzije iako manje nego kod ,,staklenaca“ nedovoljno male za primenu kod pojedinih štampanih ploča.. Tehnologiju debelog sloja karakteriše i mala debljina substrata (tipično < 1 mm), što daje mogućnost mnogo veće gustine pakovanja naročito kada se uzorak lemi preko planarnih izvoda pod pravim uglom u odnosu na štampanu ploču. A to je upravo slučaj kod kompleksnih osigurača ,,Passer’’ familije TPM1. 3. Primena tehnologija debelog sloja Prekostrujne komponente realizovane debeloslojnom tehnologijom karakteriše sledeće :

• Proizvodnja uparenih komponenti na zajedničkoj podlozi (keramičkom substratu)

• Regulisanje napona katastrofalnog otkaza • Definisanje karakteristika komponente jedinstvenom

geometrijom, izborom tipa i debljine provodne paste što obezbeđuje veliku fleksibilnost u izboru dimenzija komponente površine

• Mogućnost preciznog doterivanja karakteristika tzv. laserskim trimovanjem

• Primena temperaturski stabilnih i nezapaljivih materijala (substrata i pasti)

Prenaponske komponente proizvedene ovom tehnologijom se sastoje od parova serpentinskih otpornika formiranih postupkom sito-štampe na 96 % Al2O3 keramičkom substratu

Rezultati ispitivanja novih tipova prekostrujnih zaštitnih komponenti u tehnologiji debelog sloja za primenu u kompleksnim osiguračima ,,Passer’’

Predrag Albijanić, Pupin Telecom ZPU, Beograd Zdravko Stanimirović, Institut za telekomunikacije i elektroniku, IRITEL, Beograd

dimenzija 8,46x6,35 mm odnosno 7,62x6,35 mm. Primenjena pasta je slojne otpornosti 17 mΩ/ i 100 mΩ/ . Prilikom dizajniranja komponente korišćene su otporne (provodne) različitih širina i dužina. Posle nanošenja debelog sloja odgovarajuće geometrije vrši se 30 min. ciklično zagrevanje (žarenjem u peći) sa vršnom temperaturom 850°C u trajanju od 10 min. [3]. Nakon toga se uzorci zaštićuju staklenom prevlakom žarenom 30. min ciklusom na vršnoj temperaturi 500°C. Zaštita ima nekoliko uloga :

• da sačuva komponentu od uticaja sredine • služi kao hladnjak za veće impulsne energije • štiti provodnu fazu oksidacije i • smanjuje promenu otpornosti komponente prilikom

dejstva prenaponskog impulsnog talasa 4. Rezultati I faze razvoja prekostrujnih komponenti Razvoj debeloslojnih prekostrujnih zaštitnih komponenti je obavljan u dve faze. U prvoj fazi su definisane električne karakteristike komponente kao što su :

• Min. vrednost napona pucanja staklene zaštite odnosno napona katastrofalnog otkaza (U> 4 kV)

• Gornja i donja granica otpornost uzoraka i • Brzine odziva (1 ms< t <5 s) za najteži prekostrujni

test bliskog dodira između telekomunikacionog i niskonaponskog energetskog provodnika (Power cross) U=230 V, f=50 Hz, R=10 ς, I=23 A, T=15 min.

Napravljeno je 6 vrsta debeloslojnih komponenti istih dimenzija (8,46x6,35 mm), različite geometrije otpornih/provodnih staza, debljine keramičke podloge (0,63 mm, 1 mm ili 1,26 mm) i sa obe gore navedene otporne/provodne paste (100 mΩ/ i 17 mΩ/ ) i otpornosti (0,065 Ω i 0,13 Ω za provodnu tj. 1,55 Ω i 3,10 Ω za otpornu pastu). Kod uzoraka debljine podloge (substrata) 1,26 radi se o dve podloge od po 0,63 mm u sendvič strukturi zalepljene leđa na leđa. Otpornost ovih uzoraka he približno duplo manja od onih na substratima od 0,63 i 1 mm, jer se sastoje od dva paralelno vezana elementa hibrida kao na podlozi od 0,63 mm.

Debljina substrata

(mm) Tip paste Otpornost

(Ω)

Brzina reagovanja

* 0,63 3,05÷3,17 1÷2 ms

1,26 ** 1,54÷1,59 1÷3 ms 1

Otporna Tamna

100 mΩ/ 3,14÷3,47 ≤ 1 ms 0,63 0,131÷0,138 16÷21 ms

1,26 * * 0,065÷0,067 > 2 s 1

Provodna Svetla

17 mΩ/ 1,29÷1,39 23÷30 ms * - Za test dodira U=230 V/50 Hz, R=10 Ω, I=23 A, T=15 min. ** - Sendvič struktura 2 substrata ,,leđa o leđa” 2x0,63 mm

Tabela 1 : Pregled uzoraka prve faze ispitivanja Pregled rezultata u Tabeli 1 pokazuje da je izbor geometrije i tipa paste bio dobar i da su dobijene željene brzine odziva. Pri merenju brzine odziva korišćena su strujna klešta povezana sa

elektronskom štopericom (Slika 1) i ostala odgovarajuća oprema [4].. Pored brzine reagovanja urađena je i analiza samog mehanizma otkaza, pri čemu se kao kriterijum postavlja oštećenje podloge.Svi tipovi uzoraka kod kojih dolazi do delimičnog (pucanja i nagorevanja podloge) ili potpunog (lom substrata, Slika 2) oštećenja se eliminišu iz daljeg ispitivanja.

Slika 1 : Oprema za merenje brzine reagovanja uzoraka Potom se vrši analiza mehanizma otkaza u zavisnosti gde je i kako došlo do prekida provodne staze, što u velikom zavisi i od geometrije provodnih/otpornih staza samog uzorka. Cilj je dobijanje komponente koja će imati :

• substrat dimenzionisan tako da energetski (toplotno) izdrži bez oštećenja sva prekostrujna opterećenja predviđena propisima

• prekid na tačno definisanom mestu • ,,čist’’ prekid na predviđenom mestu bez varničenja,

nagorevanja, i drugih neželjenih nus pojava • optimalan odnos brzina/izdržljivost za odabranu

brzinu (od nekoliko ms do nekoliko stotina ms)

Slika 2 : Uzorak sa potpuno oštećenom podlogom

Da bi se ovi ciljevi ispunili pristupilo se eliminaciji pojedinih tipova uzoraka iz Tabele 1 i odabrana su 2 tipa za II fazu razvoja. 5. Rezultati II faze razvoja prekostrujnih komponenti U drugoj fazi radilo se na doradi 2 prethodno odabrana tipa uzoraka sa niskoomskom, provodnom pastom 17 mΩ/ , što je podrazumevalo donekle smanjene dimenzije substrata i odabir podloge standardne debljine 0,63 mm. Otpornosti su bile približno 0,2 Ω (niskokontrastni) i 1,1 Ω (visokokontrastni) uzorci. Nekoliko uzoraka od celokupnog broja je testirano prema Preporukama ITU-T K.20 i K.21 simulacijom atmosferskog pražnjenja prenaponskim talasom UP=4 kV, talasnog oblika 10/700 μs negativnog i pozitivnog polariteta (simultano na žilama a i b prema zemlji e), koji su uspešno prošli. Svi uzorci su posle testirani na simulacijom bliskog dodira testirani U=230 V/50 Hz, R=10 Ω, I=23 A, T=15 min. A rezultati su prikazani u Tabeli 2.

Debljina substrata

(mm) Tip paste Otpornost

(Ω)

Brzina reagovanja

* (ms) ≈ 0,2 228÷308 0,63 Provodna

17 mΩ/ ≈ 1,1 5÷14 * - Za test dodira U=230 V/50 Hz, R=10 Ω, I=23 A, T=15 min.

Tabela 2 : Pregled uzoraka druge faze ispitivanja

Ovom prilikom merenje brzine odziva je obavljeno sofisticiranijom opremom koja se sastojala od odgovarajuće strujne sonde postavljene iza merenog uzorka (u odnosu na pobudu) preko koje se snima strujni odziv na memorijskom (storage) sempling osciloskopu (Slika 3).

Slika 3 : Oprema za snimanje strujnog odziva uzoraka Prilikom ovih testova kod uzoraka nije dolazilo do nagorevanja, naprsnuća ili loma substrata, a snimci su pokazali dobru

uniformnost (bez primene trimovanja komponenti). Na Slici 4 prikazan je karakterističan stujni odziv ,,sporijih” uzoraka (otpornosti ≈ 0,2 Ω).

Slika 4 : Tipičan strujni odziv uzorka otpornosti 0,2 Ω Kod ,,bržih” uzoraka se može zapaziti donekle sličan odziv onome koji imamo kod resetabilnih (višekratno upotrebljivih) komponenti kao što su (organski, polimerni i keramički) PTC termistori [5]. Ovaj tip odziva traje između jedne i tri četvrtine periode (T= 20 ms za f= 50 Hz), a ređe duže, kao što se vidi na Slici 5.

Slika 5 : Tipičan strujni odziv uzorka otpornosti 1,1 Ω Vrlo je važno napomenuti dasu prekidi uglavnom ,,čisti” i to na mestu gde je provodna staza najmanjeg poprečnog preseka i koji su u postupku dizajniranja predviđeni kao mesta prekida što se vidi na Slikama 6 i 7. Isparenja koja potiču sa mesta prekida provodne staze uglavnom se talože na unutrašnju stranu kućišta od polikarbonata ojačanog sa 10 % staklenih vlakana,

klase samogasivosti UL-94 V-0 ne oštećujući ga, i ni na koji način ne utiču na rad susednih komponenti.

Slika 6 : Izgled uzorka otpornosti 0,2 Ω nakon testa

Slika 7 : Izgled uzorka otpornosti 1,1 Ω nakon testa 6. Zaključak Razvojna istraživanja su pokazala da je primenom debeloslojne tehnologije moguće dobiti komponente :

• dovoljno malih dimenzija • izuzetno pogodnu za montažu na štampane ploče • dobrih karakteristika u pogledu otpornosti na

prenaponske uticaje • željene brzine reagovanja i • odgovarajućeg mehanizma otkaza

U poređenju sa tehnologijom elastičnih pera i mekog lema pouzdanost komponente i uniformnost karakteristika je mnogo veća, a u odnosu na solid-state osigurače dimenzije su manje. U odnosu na polimerni PTC izdržljivost na prenapone je veća pa se zato ove komponente mogu koristiti kao primarna prekostrujna zaštita (ispred gasnih odvodnika kao primarne

prenaponske). Sve ovo je potvrdilo velike mogućnosti tehnologije debelog soja u izradi tzv. anti-surge prekostrujnih komponenti, kao i dalji razvoj u smeru resetabilnih PTC komponenti na temelju postojećih iskustava.

Z Zahvalnica : Želimo da se zahvalimo kolegama iz Laboratorije preduzeća Minel ELIP d.o.o i Laboratorije za visoki napon Elektrotehničkog fakulteta iz Beograda na svesrdnoj pomoći bez koje ovaj rad ne bi ugledao svetlost dana.. Literatura [1] ITU-T, Recommendation K.20 Resistibility of

telecommunication switchimg equipment to overvoltages and overcurrents, Geneva 1996

[2] ITU-T, Recommendation K.21 Resistibility of subscriber′s terminal to overvoltages and overcurrents, Geneva 1996

[3] Ivanka Stanimirović, Zdravko Stanimirović, Analiza ponašanja debeloslojnih zaštitnih otpornika izloženih električnim naprezanjima, Zbornik radova, Sveska IV, ETRAN, str. 193-195, Bukovička banja, Aranđelovac, Jugoslavija, 2001.

[4] Albijanić, P., Rezultati ispitivanja gasno-varistorskog osigurača TPM1 na dodir telekomunikacionog i niskonaponskog distributivnog voda, Zbornik radova TELFOR 2000, Beograd 2000

[5] Albijanić, P., Tipovi i karakteristike novih osigurača i osiguračkih modula ,,Passer” familija TPM1, TOP10,12 i COP1 , Zbornik radova TELFOR 2003, Beograd 2003

Abstract - This document describe the development of new types anti-surge overcurrent protection components using thick-film technology, for application in complex overvoltage and overcurrent protection modules ,,Passer” family TPM1. Testing results, photos of items and current response characteristics of power cross simulation, so called ,,near cross” are also presented . TEST RESULTS OF NEW TYPES OVERCCURENT PROTECTION DEVICES DESIGNED BY THICK-FILM TECHNOLOGY FOR APPLICATION IN ,,PASSER” COMPLEX PROTECTION MODULES. Predrag Albijanić, Zdravko Stanimirović