鉛フリーはんだ実用化ロードマップ

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きみのしんしのしま
5 years ago
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1 (2014 年 11 月 11 日修正 ) バリスタの安全な使い方 2014 年 10 月 20 日電子部品部会 / 技術標準戦略委員会標準化専門委員会受動部品標準化 WG/ バリスタ G 渡部修 ( 日本ケミコン ) 1

2 バリスタとは? バリアブルレジスタの省略形 Variable Resistor 変化する抵抗器 2

3 バリスタの構造 ( 円板型 ) エポキシ樹脂銀電極はんだリード線バリスタ素子主成分 : 酸化亜鉛 3

4 バリスタの電気特性バリスタの特性電流 (A) 抵抗バリスタ電圧 (V) バリスタ特性 I=KV α K: 定数 α: 非直線指数 (a) 純抵抗 (α =1) (b) バリスタ (α =40 以上 ) 4

5 バリスタの微細構造 -1 銀電極酸化亜鉛結晶偏析層 Bi2O3 酸化亜鉛結晶酸化亜鉛結晶 5

6 バリスタの微細構造 -2 6

7 バリスタのサージ電圧吸収 7

8 代表的なバリスタの種類構造円板形バリスタリング形バリスタ 8

9 代表的なバリスタの種類構造角チップモールド形バリスタ角チップ積層形バリスタ角チップ単板形バリスタ 9

10 その他のサージ防護デバイスガスチューブアレスタマイクロギャップアレスタシリコン系サージアブソーバー 10

11 サージ防護デバイスの主な特徴 ZnO 系バリスタ : 応答が速くサーシ電流耐量も大きいため AC ラインにおける外雷サーシ対策によく用いられるカスチューフアレスタ / マイクロキャッフアレスタ : 静電容量が小さいことから通信ラインの雷サージ対策によく用いられる続流現象があるため ZnOハリスタなどを直列に挿入する必要がある 11

12 バリスタの基本性能バリスタ電圧 :(Varistor Voltage) バリスタ電圧はバリスタに直流 1mA を流した時のバリスタ端子間の電圧値 (V1mA) を意味する小形バリスタでは発熱の問題があるため 0.1mA のバリスタ電圧値 (V0.1mA) で表示する場合もあるバリスタは使用される回路電圧によって選定しやすいようにバリスタ電圧で製品のシリーズ化がされている ( 回路電圧によって製品のシリーズ化される場合もある ) 同じバリスタ材料ではバリスタ電圧と厚さは比例するのでバリスタ電圧が高いほど厚くなる 12

13 バリスタの基本性能最大許容回路電圧 :(Maximum Allowable Voltage) 最大許容回路電圧はバリスタに連続して印加できる回路電圧の上限を意味する長時間にわたって最大許容回路電圧以上の電圧がバリスタに印加されるとバリスタは劣化あるいは破壊する最大許容回路電圧は直流と交流のそれぞれで規定されバリスタ電圧より小さな値である 13

14 バリスタの基本性能制限電圧 :(Clamping Voltage) 制限電圧はバリスタに規定電流 (8/20us のインハルス電流 ) が流れた時のハリスタの端子電圧でありその規定電流値はハリスタの種類によって定められており 1 ~100A 程度の範囲にある制限電圧はハリスタが雷サーシを吸収する時の吸収特性を表し雷サーシが入っても制限電圧以上の電圧が回路に侵入しないように設計するために必要な特性値である同じバリスタ材料では制限電圧はバリスタ電圧にほぼ比例するが素子径が大きいほど制限電圧は低くなる 14

15 漏れ電流 :(Leakage Current) バリスタの基本性能漏れ電流は最大許容回路電圧を印加した時の電流値であり最大でも 100uA 程度と小さい : 公称ハリスタ電圧の半分の直流電圧を印加した時の電流を漏れ電流とするメーカーもある 15

16 バリスタの基本性能サージ電流耐量サーシ電流耐量はハリスタのサーシ吸収能力の評価項目であるハリスタがサーシを吸収できるか? 劣化破壊するか? はサーシ電流の大きさとサーシの持続時間によって決まる一般的な電源線から侵入する雷サーシは 8/20us 波形と呼ばれるインハルス電流波形で代用できるためサーシ電流耐量はこの波形で測定されるサーシ電流耐量はハリスタの電極面積 ( 素子径の 2 乗 ) に比例する電圧波形電流波形 16

17 バリスタの基本性能エネルギー耐量エネルキー耐量はサーシ電流耐量よりも波尾長の長いサーシに対する評価である通常は下図に示す 2ms の矩形波あるいは 10/1000us 波形が使用されサーシ電流の大きさではなくハリスタが吸収するエネルキー値で評価するエネルキー耐量もサーシ電流耐量と同様にハリスタ電圧の変化率などで評価され劣化も同様に進むがサーシ電流耐量の値と比例関係にある訳ではないエネルキー耐量はハリスタの体積に比例するためハリスタの直径と厚さに依存する 17

18 バリスタの寿命今回はサーシ吸収用途として使用されるハリスタに限定するハリスタは定常状態では非常に高い抵抗値を有し絶縁物に近いので通常回路に接続されていても何ら回路機能には寄与しないがいったんサーシ電圧が侵入した時には確実に動作し回路をサーシ電圧から保護しなければならないそのためいつ侵入してくるか分からないサーシ電圧に対してハリスタは常にサーシ吸収が出来る体勢になければならないこの点においてハリスタは機器の保険とみなすことができより長い寿命が要求される寿命の判定基準規定以上のサーシエネルキー, 他のストレス ( 温度, 湿度など ) を繰り返し加えることによりハリスタ電圧が低下していくこのハリスタ電圧が初期値に対して -10% 変化した時を寿命と判定する 18

19 サージ電流に対する寿命バリスタの寿命サーシ電流が大きい : 許容出来る印加回数は少なくなるサーシ電流波尾長が長い : 許容出来るサーシ電流は小さくなる 19

20 温度と印加電圧に対する寿命バリスタの寿命ハリスタにある電圧をかけ周囲温度を変化させその時の寿命を測定した結果による寿命特性の代表例を示す課電率 1.0 の場合の温度 85 での寿命特性を求めると 10 6 h 程度であり, 約 100 年の寿命があると予測できる 20

21 バリスタの寿命湿度に対する寿命一例としてエホキシ樹脂で被覆したハリスタを代表的な湿度条件で最大許容回路電圧を印加した場合のハリスタ電圧変化率を示すこのように 1000 時間での変化は少なく安定しているただし基本的には結露する所, 直接風雨に曝される所, 蒸気の出るなどの高湿度の所での使用は避ける必要がある 21

22 バリスタの寿命温度サイクルに対する寿命エホキシ樹脂で被覆したハリスタの場合代表的な温度サイクル条件 [-40 (30min) 常温 (15min) 85 (30min)] での温度サイクル寿命は実力で 100~500 サイクル ( 素子径による ) である樹脂にクラックの入る故障モートが代表的である温度サイクル寿命を延ばしたい場合はコーティンク材料を無機材料にするなどの方法がある 22

23 バリスタの選定方法バリスタ電圧の選定 1 印加電圧からの選定通常状態でハリスタに連続印加される電圧 ( 電源電圧 ) が最大許容回路電圧を超えないこと安全性の見地から 30% 以上の裕度を取るべきである 23

24 バリスタの選定方法 2 被保護素子の耐電圧からの選定ハリスタの制限電圧が被保護装置 ( 素子 ) の耐圧を超えない定格を選定する 3 ライン - アース間に使用する場合普通 AC100V の線と大地間に使用するハリスタ少なくとも AC200V の線間に使用できるハリスタを選定する : 一線地絡事故時にラインーアース間の電圧が上昇するため 4 絶縁抵抗試験や耐電圧試験を行う場合ハリスタを一時的に取り外して試験を行うか試験電圧に対して十分高いハリスタ電圧を持った定格を選定する 24

25 一般的な選定例バリスタの選定方法上記選定例は下記 5 項目を満足する最も高い条件の電圧を示しています (1) 電源ライン間に使用するバリスタ電圧の選定 ( ライン間使用 ) (2) 被保護素子の耐圧に対するバリスタ電圧の選定 (3) 線対地間に使用する場合のバリスタ電圧の選定 ( ライン - アース間使用 ) (4) 絶縁抵抗試験や耐電圧試験を行う場合のバリスタ電圧の選定 (5) 異常現象から決まるバリスタ電圧の選定 25

26 バリスタの選定方法自動車に使用するバリスタの選定 112V 系か 24V 系か? 2 ロードダンプサージ試験 JASO( 日本 ),AEC-Q200( ヨーロッハ ),ISO ( 米国 ) 3 ヒートサイクル特性 1000 サイクル以上の要求があるエホキシでは厳しい 26

27 バリスタの選定方法信号回路アンテナ回路に使用するバリスタの選定 1 信号回路 : 波形に影響を与えないこと静電容量の小さいバリスタを選定する 2 アンテナ回路 : 高周波信号の減衰を考慮周波数ーインピーダンス特性を確認一般的に静電容量の小さいバリスタを選定する 27

28 バリスタの選定方法静電気放電 (ESD) 保護用バリスタの選定静電気対策用の積層形チップバリスタが一般的各社様々な個別仕様で製品化されている標準規格 :IEC

29 バリスタの故障 1 バリスタ電圧劣化のメカニズムハリスタは定格を超えるサーシエネルキーの吸収を繰り返すことによりハリスタ電圧が低下するこの現象をハリスタ電圧の劣化というハリスタ電圧が劣化するのは多結晶体を取り巻く高抵抗層 ( 境界層 ) が部分的に放電時のシュール熱により破壊されるためと考えられる 2 バリスタの故障モード故障モートは電気的故障, 機械的故障及び熱的故障に分類される電気的故障はショートモートとオーフンモートあり破壊時の大部分はショートモートである 3 劣化ハリスタはサーシを繰り返し吸収することによりハリスタ電圧が徐々に低下していくこの時初期のハリスタ電圧値から 10% 低下した時点を寿命としている 29

30 バリスタの故障ショートモードエレメントに直径 1mm 程度の貫通孔が生じハリスタの抵抗が 1kΩ 以下となる回路の短絡電流が流れ発熱する場合がある電流ヒュース設置や周辺に可燃物を配置しないなどの注意が必要オープンモード 1 樹脂が剥離しリート線がエレメントと離れた状態オープンモード 2 エレメントが飛散した状態 30

31 設計上安全上の注意事項ハリスタを使用する場合その周辺条件 ( 機器設計での使用材料, 環境, 電源条件, 回路条件, 配電系統事故など ) により異常事態が発生した場合火災事故, 火傷事故, 感電事故, 製品の故障などを生じることがあるため以下の注意事項を確認のうえ設計を行う 1 定格性能の確認個々のハリスタに規定された最大許容回路電圧, サーシ電流耐量, エネルキー耐量, インハルス寿命, 使用温度範囲などの定格性能の範囲内で使用する定格性能を超えて使用した場合ハリスタの性能劣化や素子破壊の原因となり発煙発火に至る場合がある 31

32 設計上安全上の注意事項 2 安全規格に対する注意 UL,CSA では安規の定格電圧を考慮する : メーカー保証の最大許容回路電圧とは違うことに注意 IEC/UL/EN/CSA のセット規格が要求するサーシ性能を把握 UL1449 では MOV の Type が変更になる従来 :Type 4 変更後 (2016 年 3 月 ~):Type 5 32

33 設計上安全上の注意事項 2 安全規格に対する注意 CSA では電流ヒュース定格の規定がある IEC/UL/EN/CSA nd では Annex Q への適合が必要 33

共通部機器仕様構造 : 壁取付シャーシに避雷器モデム入出力ユニットをマウント接続方式回線 :M4 ねじ端子接続入出力電源 :M3.5 ねじ端子接続接地 :M4 ねじ端子接続シャーシ材質 : 鋼板に黒色クロメート処理ハウジング材質 : 難燃性黒色樹脂アイソレーション : 回線 - 入出力

共通部機器仕様構造 : 壁取付シャーシに避雷器モデム入出力ユニットをマウント接続方式回線 :M4 ねじ端子接続入出力電源 :M3.5 ねじ端子接続接地 :M4 ねじ端子接続シャーシ材質 : 鋼板に黒色クロメート処理ハウジング材質 : 難燃性黒色樹脂アイソレーション : 回線 - 入出力 DAST シリーズ SS3 : 接点アナログパルス入力 +190,000 円テレメータシステム主な機能と特長小形テレメータシステム回線用避雷器を標準装備 ( 財 ) 電気通信端末機器審査協会の技術的条件適合認定済み回線入出力電源間は電気的に絶縁入出力ユニットモデムユニット避雷器は取扱いが容易なプラグイン構造自己診断機能内蔵接点入出力ユニットはモニタランプ付形式 :DAST-20-12-K