Что такое transient voltage suppression diodes

Обновлено: 06.07.2024

Для защиты электронной аппаратуры от импульсных перенапряжений нашли широкое применение различные виды элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой, уменьшающие свое сопротивление под действием приложенного импульса напряжения. Наибольшее распространение получили три вида подобных элементов: газовые разрядники, варисторы и так называемые супрессоры (Transient Voltage Suppressor — TVS), выполненные на основе лавинных диодов и поэтому часто называемые «TVS-диоды». Газовые разрядники имеют относительно большое время реакции на приложенный импульс напряжения, и, кроме того, их напряжение пробоя очень сильно увеличивается с повышением скорости нарастания переднего фронта импульса. Поэтому они применяются очень ограниченно. Значительно чаще используются оксидноцинковые варисторы и TVS-диоды, свободные от этих недостатков газовых разрядников. Преимущество варисторов и TVS-диодов становится особенно актуальным при необходимости обеспечения защиты от мощных импульсов перенапряжения наносекундного диапазона. Такой импульс возникает на входах и выходах электронной аппаратуры под воздействием высотного ядерного взрыва. Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) с параметрами 2/25 нс создает у поверхности земли напряженность электрического поля, доходящую до 50 кВ/м, а многочисленные кабели, подключенные к электронной аппаратуре промышленного назначения, абсорбируют электромагнитную энергию с большой площади и доставляют ее прямо на входы чувствительной электронной аппаратуры. Амплитуда импульса, возникающего на входах этой аппаратуры, значительно превышает амплитуду обычных коммутационных и атмосферных перенапряжений, защита от которых предусмотрена в аппаратуре. Вот почему для обеспечения надежной защиты от ЭМИ ЯВ требуются дополнительные внешние средства защиты, которыми могут быть варисторы и TVS-диоды.

Однако мощные TVS-диоды не дешевые элементы. Их стоимость доходит до $100–150 и более за штуку, тогда как варисторы той же мощности примерно в 80–100 раз дешевле. Когда речь идет о включении дополнительных защитных элементов параллельно каждому входу и выходу электронной аппаратуры с десятками входов и выходов, например такой, как микропроцессорные реле защиты в электроэнергетике, становится понятной актуальность вопроса, вынесенного в заголовок статьи. Если дешевые варисторы справляются с проблемой не хуже, чем значительно более дорогие TVS-диоды, понятно, что преимущество должно быть отдано именно им. Вопрос лишь в том, а действительно ли они справляются с проблемой не хуже, чем TVS-диоды?

Серия PTVS

TVS-диоды из серии PTVS (Power TVS) – это сильноточные двунаправленные ограничители напряжения, предназначенные для установки на шины питания постоянного или переменного токов большой мощности. Диоды PTVS ранжируются по мощности и имеют корпуса как для установки в отверстия, так и для поверхностного монтажа, при этом выпускаются всего на два рабочих напряжения: 58 и 76 В. Характеристики диодов серии PTVS приведены в обзорной таблице 6.

Таблица 6. Характеристики PTVS

Линейка PTVS соответствует стандарту Р МЭК 4-5 в части требований по устойчивости к воздействию импульса тока 8/20 мкс.

Основные качества TVS-диодов

Способность стабильно функционировать в условиях обратного напряжения;
Обратные токи должны быть на самом деле минимальны, чтобы никак не влиять на функциональность прибора в целом.
Скорость реакции на быстрое критическое воздействие должна находиться на минимально возможном уровне.
Максимально возможный показатель по уровню рассеиваемой мощности.

Но, в качестве итога, необходимо признать, что выполнение одного условия зачастую влечёт за собой нарушение другого.

Необходимо помнить, что все даваемые производителем характеристики диода являются таковыми только в конкретных температурных условиях. При более высоких температурах допустимая пиковая мощность и токи уменьшатся.

Впрочем, несмотря даже на такие недостатки, диодные предохранители всё-таки оказываются лучше приборов, устройств и элементов с аналогичным назначением.

Серия CDSOT23

Дальнейшая миниатюризация современной аппаратуры явилась причиной размещения защитных диодов в другом популярном типе корпуса – SOT-23. Согласно стандарту JEDEC, данный корпус может иметь модификации на 3, 5, 6 и 8 выводов, что позволяет использовать его для широкого круга задач. Компания Bourns выпускает линейку сборок TVS-диодов в корпусах SOT-23 различной конфигурации и различного функционального назначения. Например, сборка CDSOT23-SM712 имеет всего одну модификацию, но позволяет строить схемы защиты на напряжение 7 или 12 В за счет использования несимметричных супрессоров в своей структуре.

Схема и внешний вид сборки показаны на рисунке 7.

Рис. 7. Схема и внешний вид CDSOT23-SM712

Характеристики CDSOT23-SM712 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики TVS-диодов CDSOT23-SM712

Сборка CDSOT23-SRV05-4 предназначена для защиты четырех линий ввода-вывода или цифрового интерфейса. Содержит в себе диодную схему и один супрессор, который ограничивает выбросы напряжения. За счет низкой емкости (3,5 пФ) может применяться для защиты цепей USB 2.0, Ethernet 10/100/100 Base T, DVI.

Схема и внешний вид CDSOT23-SRV05-4 приведены на рисунке 8.

Рис. 8. Схема и внешний вид CDSOT23-SRV05-4

Характеристики CDSOT23-SRV05-4 приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики TVS-диодов CDSOT23-SRV05-4

В характеристиках сборки CDSOT23-SRV05-4 производитель указывает параметры, относящиеся к защите от наносекундных импульсных помех (НИП), что может быть полезным при проектировании устройств в соответствии со стандартами по электромагнитной совместимости.

Сборка CDSOT236-0504C имеет внутреннюю структуру, аналогичную CDSOT23-SRV05-4, и также предназначена для защиты высокоскоростных портов в соответствии с требованиями ЕСР (согласно IEC 61000-4-2), НИП (согласно IEC 61000-4-4) и МИП (согласно IEC 61000-4-5). Главная особенность данного изделия – низкие значения параллельной и межканальной емкостей. Характеристики CDSOT236-0504C приведены в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики CDSOT236-0504C

Подразделение защиты: TVS-диоды от Bourns

Поглощение и рассеивание энергии импульса помехи – основное назначение TVS-диодов, изделий, повсеместно применяемых в современной электронике. Компания Bourns предлагает широкую линейку TVS-диодов, – от классических до сверхмощных, – включая диоды и сборки в миниатюрных корпусах, адаптированные под высокоскоростные цифровые линии связи.

Минимизация энергопотребления и развитие коммуникационных возможностей электронных устройств остро поднимают проблематику уязвимости компонентов к воздействию наведенных импульсов помех, перенапряжений и электростатических разрядов. Импульсные микро- и наносекундные помехи, помимо всего прочего, имеют весьма неприятное свойство проникать через паразитную емкость дросселей, фильтров, трансформаторов в чувствительные узлы электронных схем и вызывать необратимые повреждения. Разработчики 70-х и 80-х годов могут вспомнить множество историй, когда на испытательных стендах или промышленных объектах велась настоящая борьба за живучесть электроники, которая, увы, не всегда заканчивалась положительно.

Это предопределило появление новых классов устройств – ограничителей напряжения, способных за короткий промежуток времени поглотить значительную энергию импульса помехи, ограничив напряжение на электронной схеме до безопасных значений.

TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor) – полупроводниковые устройства, основное назначение которых – ограничивать напряжение на защищаемом участке электронной схемы до безопасных значений, при этом поглощая и рассеивая энергию импульса помехи. По принципу действия TVS-диоды похожи на традиционные стабилитроны, работают на обратной ветви вольтамперной характеристики, но предназначены для значительных импульсных нагрузок. Что, впрочем, не мешает в некоторых приложениях использовать TVS-диоды в качестве мощных стабилитронов, если не нужны малый температурный дрейф или малый разброс напряжений стабилизации. Принцип применения TVS-диода в качестве защитного элемента заключается в том, что он закрыт до момента воздействия помехи, и не участвует в работе схемы (емкостная составляющая не рассматривается, об этом – ниже). Другими словами, через него не протекают рабочие токи, температура p-n-перехода защитного диода равна температуре окружающей среды. Импульс перенапряжения вызывает лавинный пробой в структуре TVS-диода, через него протекает ток помехи, обусловленный эквивалентным сопротивлением источника помехи, при этом напряжение на диоде ограничивается в соответствие с его внутренней структурой. В результате защищаемый участок схемы не подвергается воздействию высокого напряжения, энергия помехи рассеивается. На рисунке 1 показан пример воздействия импульсной помехи на цепь, защищаемую TVS-диодом.

Рис. 1. Иллюстрация работы TVS-диода в цепи

Кроме нагрузки и ограничителя напряжения, в схеме показано также последовательное сопротивление (Rпосл.), которое почти всегда присутствует в реальных устройствах в виде предохранителя, контактного сопротивления разъема, внутриблочных соединений или специально установленного разработчиком резистора. Это сопротивление, наряду с эквивалентным сопротивлением источника помехи (в случае, когда этот параметр можно оценить, например в модели Human Body Model (рисунок 2), имитирующей заряд тела человека для электростатических разрядов), позволяет определить амплитуду тока через защитный диод и тем самым вычислить мощность, на которую следует выбирать элементы защиты.

Рис. 2. Human Body Model

Главная особенность TVS-диодов – экстремально высокое быстродействие[1], – фактически предопределила их области применения: защиту чувствительных к перенапряжению элементов схемы, где важно не допустить импульса помехи длительностью менее десятков наносекунд, при этом энергия помехи составляет сотни Вт. Это, в первую очередь, защита коммуникационных портов от статических разрядов, а также вторая или третья ступень комплексных схем защиты, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Трехступенчатая схема защиты чувствительного элемента

В случае, когда требуется защита от электростатических разрядов, TVS-диоды подключаются без ограничительных последовательных резисторов, что важно для функционирования некоторых устройств, например, портов USB.

Последовательные резисторы Rmov и Rtvs обеспечивают режим работы защитных элементов и последовательность их срабатывания. TVS-диод, являющийся третьей, самой быстродействующей ступенью, осуществляет «чистовое» ограничение импульса помехи. Конструкторы данных приборов стремились подчеркнуть данный параметр наряду со стремлением увеличить его пиковую нагрузочную способность. В результате из-за значительной площади кристалла электрическая емкость TVS-диода на порядок выше емкости типового стабилитрона.

С точки зрения ограничения импульсов данная особенность идет только на пользу – фактически, параллельно с быстродействующим полупроводником существует виртуальный высококачественный конденсатор, который дополнительно интегрирует короткие импульсные помехи. Это хорошо, когда речь идет о защите низкоскоростных линий связи или цепей питания. Но в защите нуждаются также и скоростные линии связи, для которых вносимая TVS-диодами емкость становится критичной.

Для этого производители предложили серии ограничителей напряжения с пониженной емкостью, но они, как правило, имеют небольшие значения пиковой рассеиваемой мощности. Если требуется защитить высокоскоростную линию более мощным супрессором, то применяются диодные и диодно-мостовые схемы, которые позволяют минимизировать влияние высокой собственной емкости защитного элемента на линию связи. Выбор диодов для мостовой схемы – отдельная задача для разработчика, поскольку, с одной стороны, диоды должны выдерживать большие импульсные токи и не уступать в быстродействии супрессору, с другой – иметь малую емкость перехода и малые значения токов утечки. Чаще всего в таких схемах применяются диоды Шоттки, что позволяет получить нужные характеристики, но требует дополнительного места на печатной плате. У некоторых производителей подобные решения оформлены в виде диодно-супрессорных сборок, специально предназначенных для защиты высокоскоростных цепей. Компания Bourns, например, предлагает сборки серии CDSOT236 для защиты портов Ethernet или HDMI, сборки серии CDDFN для USB3.0 и так далее.

Резюмируя вышесказанное, можно сформулировать алгоритм подбора TVS-диода для конкретного приложения.

Выбор номинала рабочего напряжения супрессора по действующему напряжению защищаемой цепи. В нормальном режиме работы супрессор закрыт, через него протекает только нормированный ток утечки, который не оказывает влияния на работу электронной схемы.

Определение пикового аварийного тока или пиковой аварийной мощности супрессора. Максимальный ток рассчитывается из анализа максимального напряжения источника импульсного воздействия и эквивалентного последовательного сопротивления. Если речь идет об электростатических разрядах, то используется Human Body Model или другая модель заряженного физического тела. Если расчет ведется относительно импульсов перенапряжения, то используются или данные об источнике помехи, или, если их нет – характеристики предыдущей ступени защиты, например, как на рисунке 3.

Определение времени воздействия аварийного тока. Пиковая мощность TVS-диодов напрямую зависит от времени воздействия импульса. Как правило, для получения оценки импульса воздействия достаточно руководствоваться стандартами по ЭМС [2].

Определение максимального напряжения ограничения TVS-диода. Ток помехи, амплитуда которого может достигать десятков, сотен, а иногда и тысяч ампер, вызывает всплеск на защитном диоде, который может в разы превышать его номинальное рабочее напряжение. Максимальное напряжение ограничения должно быть безопасным для защищаемой схемы.

Определение максимальной емкости схемы защиты. Подробная методика расчета схем защиты на основе TVS приведена в [5].

Компания Bourns, как один из ведущих мировых производителей компонентов защиты цепей, предлагает широкий выбор TVS-диодов, позволяющих строить схемы защиты, удовлетворяющие требования таких стандартов как ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008), ГОСТ Р 51317.4.4-2007 (МЭК 61000-4-4:2004), ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95).

Это и диоды в корпусах SMA, SMB, SMC, которые де-факто являются индустриальным стандартом, и диоды и сборки, предназначенные для экономии площади на печатной плате, и интегрированные решения для различных применений в промышленной и бытовой электронной технике. На рисунке 4 приведена удобная диаграмма для первоначального выбора супрессора от Bourns.

Рис. 4. Диаграмма для выбора супрессора производства Bourns

Значимые характеристики защитных диодов

Значение является показателем постоянного обратного напряжения. VRWM.

Наибольшее значение по импульсному напряжению ограничения. VCL, VCmax.

Наибольшее значение пикового импульсного тока. Иначе это показатель наибольшей силы безопасного для защитного диода токового импульса. Для наиболее действенных ограничительных стабилитронов данное значение может составлять сотни ампер. IPP.

Показатель наибольшего значения допустимой импульсной мощности. К сожалению данный параметр крайне зависим от длительности импульса.

Рис 2 ВА характеристики защитного диода

Уровень мощности у защитных диодов неодинаков. Тем не менее, если исходных данных по этому параметру у супрессора недостаточно, его спокойно можно скомбинировать ещё с одним или несколькими полупроводниками, что положительно скажется на общем уровне мощности.

TVS-диод может выполнять функцию стабилитрона. Но прежде необходимо проверить его максимально рассеиваемую мощность и динамический ток при Imax. и Imin.

Области применения защитных диодов

Существуют несколько направлений, в которых может применяться супрессор:

Силовая электроника (источник питания с постоянным напряжением, драйвер электродвигателя, инвентор и т.д.);
Телекоммуникации;
Схемы управления (сохранность входов и выходов операционного усилителя, транзисторных затворов, входных и выходных линий и т.д.);
Цифровой интерфейс.

Заключение

Сегодня сложно представить себе серьезное электронное устройство, коммуникационные порты и система питания которого не защищены ограничителями напряжения. TVS-диоды за последние два десятилетия стали обязательными элементами бытовой, промышленной, медицинской, измерительной и прочей аппаратуры.

Компания Bourns предлагает широкую линейку TVS-диодов, – от классических до сверхмощных, – включая диоды и сборки в миниатюрных корпусах, адаптированные под высокоскоростные цифровые линии связи. Продукция компании полностью соответствует стандартам ЭМС. Наиболее популярные артикулы TVS-диодов производства Bourns поддерживаются на складах официального дистрибьютора – компании КОМПЭЛ. С получением статуса официального партнера складская программа КОМПЭЛ по всем продуктам Bourns будет расширяться, что сделает технологические достижения Bourns доступнее для отечественных разработчиков.

Варисторы против TVS-диодов

Если попробовать проанализировать публикации в технической литературе, содержащие сравнительную оценку способности варисторов и TVS-диодов защищать от коротких импульсных перенапряжений наносекундного диапазона, то ничего утешительного мы из анализа этих публикаций не получим, поскольку они содержат прямо противоположные выводы. Например, в [1] TVS-диоды отнесены к быстродействующим защитным элементам, а варисторы — к медленнодействующим. В [2] TVS-диоды
отнесены к быстродействующим элементам, а варисторы к «умеренно быстрым». В [4] приведены вообще фантастические данные о быстродействии TVS-диодов: 0,01 нс, при этом отмечается, что варисторы срабатывают примерно в 50–100 раз медленнее. В [5] утверждается, что TVS-диоды имеют значительно более высокое быстродействие, в то время как в статье [6] на основе результатов экспериментальных исследований серийных образцов варисторов и TVS-диодов утверждается прямо противоположное. Из неопубликованных в открытой печати отчетов известно об экспериментальных исследованиях пригодности варисторов для защиты от ЭМИ ЯВ и о полученных положительных результатах этих исследований, вопреки многочисленным утверждениям о недостаточном быстродействии варисторов.

В связи с существующей неопределенностью и отсутствием однозначно подтвержденных данных автором были проведены самостоятельные исследования.

Испытания мощных защитных элементов в условиях, приближенных к реальным

В реальных условиях эксплуатации промышленного электронного оборудования, расположенного в металлических шкафах, к входам и выходам которого подключены длинные кабели, параметры цепей, подвергающиеся воздействию ЭМИ ЯВ, будут совершенно не такими, как в стерильных лабораторных условиях.

В связи с чем нами были проведены собственные исследования на макете, конструкция которого хоть както отражает реальные условия (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид макета с установленными испытуемыми элементами и схема испытаний

В процессе испытаний на макете менялся испытуемый защитный элемент (варистор MOV и супрессор TVS), длина соединительного проводника (0,1 и 1 м). Исследовался варистор типа B72220S0600K101 с номинальным напряжением 60 В (85 В на постоянном токе), остаточным напряжением 165 В, емкостью 3600 пФ, а также эквивалентный ему по мощности диодный супрессор типа PTVS10076TH с напряжением срабатывания 85–95 В, остаточным напряжением 140 В и емкостью 5600 пФ.

В макете использовались широко применяемые в шкафах с аппаратурой клеммные колодки, монтажный провод, печатная плата, соответствующая по размерам реальной конструкции, на которой будут установлены в шкафу защитные элементы (варисторы или TVS-диоды). Совершенно очевидно, что при такой конструкции макета его высокочастотные параметры (емкость, индуктивность, волновое сопротивление) очень далеки от совершенных и от согласованных с выходом генератора импульсов и входом осциллографа.

В связи с этим оказалась практически невозможной одновременная запись на импульсном осциллографе сигнала, подаваемого с генератора, и сигнала, остающегося на защитном элементе, таким образом, чтобы оба сигнала позволяли оценить свойства защитных элементов и сравнить их между собой, как планировалось заранее. Поэтому в процессе испытания сначала записывался калибровочный импульс с выпаянным из печатной платы защитным элементом. Потом защитный элемент возвращался на место и повторно проводилась запись сигнала без внесения каких бы то ни было изменений в схему или переключений в ней. Полученные осциллограммы показаны на рис. 2.

Рис. 2. Осциллограммы, полученные при испытании двух типов защитных элементов:
TVS-диода (TVS) и варистора (MOV) на макете с короткими проводниками (длиной 0,1 м);
RT — rise time (время нарастания переднего фронта импульса)

Калибровочный импульс, подаваемый на макет без защитного элемента, сохранял высокую скорость нарастания (rise time — RT) в диапазоне единиц наносекунд, хотя длительность импульса увеличилась до сотни наносекунд. Оба испытуемых защитных элемента срезали амплитуду входного импульса до уровня, примерно соответствующего их напряжению срабатывания. Причем скорость нарастания амплитуды импульса на этих элементах претерпела существенные изменения и уменьшилась примерно в пять раз, что можно, по-видимому, объяснить влиянием емкости самих защитных элементов.

На рис. 3 показаны результаты испытаний защитных элементов с длинным проводом на входе. Как можно видеть из представленных осциллограмм, скорость нарастания калибровочного импульса не изменилась, но скорость нарастания импульса на защитных элементах еще более уменьшилась по сравнению с коротким проводом. Как и прежде, оба защитных элемента успевают сработать и ограничить амплитуду входного импульса. Уровень ограничения напряжения несколько возрос по сравнению с предыдущим экспериментом, что связано с увеличением амплитуды напряжения входного импульса и, соответственно, тока, протекающего через защитные элементы после их срабатывания.

Рис. 3. Осциллограммы испытаний двух типов защитных элементов:
супрессора (TVS) и варистора (MOV) на макете с длинными проводниками (длиной 1 м);
RT — rise time (время нарастания импульса)

И наконец, последним тестировался варистор с длинным проводом (рис. 4). Испытания проводились с увеличенной до 2 кВ амплитудой тестового импульса. Из полученной осциллограммы можно заметить, что остаточное напряжение на варисторе значительно ниже амплитуды приложенного импульса (2 кВ), это означает, что варистор успешно сработал и срезал данный импульс. Однако нельзя не заметить, что амплитуда остаточного напряжения на варисторе впервые в эксперименте превысила, причем существенно, нормируемое в справочных данных значение (165 В).

Рис. 4. Осциллограммы работы варистора при воздействии испытательного импульса с амплитудой 2 кВ.
FWHM (Full Width at Half Maximum) — ширина импульса на половине амплитуды

Что это означает? Для ответа на поставленный вопрос нужно разобраться в том, что такое остаточное напряжение (clamping voltage) на импульсном защитном элементе, нормируемое производителем для каждого типа элемента. По логике, это должно быть напряжение, оставшееся на защитном элементе после его срабатывания, то есть то напряжение, которое будет прикладываться к защищаемому этим элементом оборудованию. Именно так и есть. Но тогда как объяснить существенное увеличение этого самого clamping voltage в нашем эксперименте относительно значения, записанного в паспортных данных варистора? Оказывается, поскольку характеристики варисторов весьма далеки от идеальных, производители пошли на маленькую хитрость и приводят в справочных данных значения clamping voltage для тока, гораздо меньшего (1% и ниже), чем тот, на который рассчитан варистор (табл. 1). А поскольку падение напряжения на защитном элементе зависит от тока, протекающего по нему, то совершенно очевидно, что для малых значений тока и clamping voltage будет небольшим. В описанном выше эксперименте импульс тока, протекающий через варистор при подаче на него напряжения 2 кВ, превысил то значение тока, при котором производитель измерял clamping voltage, и поэтому реальное остаточное напряжение на варисторе оказалось больше нормируемого. Но ведь из этого следует, что в реальных условиях эксплуатации при заранее не известной амплитуде тока, который будет протекать через варистор после его срабатывания, невозможно предварительно узнать, какое напряжение останется на нем, то есть на защищаемом оборудовании! При импульсных токах в несколько килоампер, на которые рассчитаны мощные варисторы, остаточное напряжение на них может достигать нескольких киловольт! А в случае воздействия мощного ЭМИ ЯВ эффективность защиты, построенной на основе варисторов, оказывается вообще непредсказуемой, причем вне всякой связи с их быстродействием. Но в случае с TVS-диодами такой проблемы не существует, поскольку, за редким исключением специальных типов диодов, производители указывают в паспортных данных значение остаточного напряжения при протекании через них максимального импульсного тока, на который они рассчитаны (табл. 1).

Максимальная амплитуда тока для

стандартного импульса 8/20 мкс

Амплитуда тока, используемого
для измерения остаточного напряжения
(для импульса 8/20 мкс)

Амплитуда тока, используемого
для измерения остаточного напряжения, в % от заявленной максимальной амплитуды тока

Принципы действия

Рис 1 Защитный диод- принцип работы полупроводника

Существует два типа ограничительных стабилитронов:

Защитный диод, двунаправленный приспособленный для работы в сетях с переменным током.

Корпус каждого защитного диода также снабжён маркировочным кодом, в сжатом виде отображающим все значимые параметры.

Если входной уровень напряжения у диода увеличится, то стабилитрон в течение очень краткого временного отрезка уменьшит показатель внутреннего сопротивления. Сила тока в этот момент, напротив, возрастёт, а предохранитель перегорит. Поскольку действует защитный диод практически моментально, целостность основной схемы не нарушается. На деле, быстрая реакция на переизбыток напряжения является самым главным достоинством TVS-диода.

Защитный диод (супрессор): принцип работы, как проверить TVS-диод.

Мощность помех, влияющих на уровень напряжения в приборе, может быть различна. Для противостояния высокоэнергетическим импульсам возможно применение газовых разрядников и защитных тиристоров. Чтобы обезопаситься от средне- и маломощных воздействий больше подойдут защитные диоды и варисторы.

Защитный диод, наиболее часто выполняемый из кремния, может носить название:

Супрессора;
Ограничительного стабилитрона;
Диодный предохранитель;
TVS-диода;
Трансила;
Полупроводникового ограничителя напряжений (ПОН) и т.д.

Зачастую супрессор становится одной из составных частей импульсного питающего блока, поскольку в случае неисправности блока супрессор может защитить его от перенапряжения. Изначально защитный диод был создан в качестве страховки от атмосферных электрических воздействий на приборы.

Существует несколько сфер современного применения ограничительных стабилитронов:

Защита наземных приборов от воздействия природных явлений (удары молний);
Защита авиатехники;
Страховка от воздействия импульсов электрической природы при неисправности питающего блока.[/google_font]

Серии SMAJ, SMBJ, SMCJ

Рис. 5. Внешний вид корпуса TVS-диодов серий SMA, SMB, SMC

Дискретные защитные диоды SMAJ, SMBJ и SMCJ в корпусах для поверхностного монтажа появились одними из первых, нашли широкое применение в различных изделиях и по праву считаются промышленным стандартом. Их можно встретить на входах/выходах источников питания, в схемах защиты телекоммуникационного оборудования, в барьерах искрозащиты, в блоках грозозащиты и так далее. Внешний вид корпусов TVS-диодов серий SMAJ, SMBJ и SMCJ показан на рисунке 5.

Диоды серии SMAJ при компактных размерах позволяют рассеивать 400 Вт пиковой мощности в течение 1 миллисекунды, рассчитаны на 1 Вт статической нагрузки, соответствуют требованиям стандартов ЭМС [Р МЭК 4-2, 4-4, 4-5].

Серия SMBJ – более мощная, чем SMAJ, TVS-диоды этой серии позволяет рассеивать 600 Вт пиковой мощности в течение 1 миллисекунды, и до 5 Вт – в статическом режиме.

Серия SMCJ – еще более мощная. Она позволяет рассеивать 1500 Вт пиковой мощности в течение 1 миллисекунды, и до 5 Вт – в статическом режиме.

Усредненные характеристики этих серий приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики TVS-диодов серий SMAJ, SMBJ, SMCJ

Главное преимущество серий SMAJ, SMBJ и SMCJ – достаточно высокая пиковая мощность, позволяющая эффективно применять их для защиты от импульсов помех с высокими значениями энергии. Кроме того, значительная мощность рассеивания в статическом режиме позволяет использовать один и тот же TVS-диод еще и для защиты от «медленных» перегрузок – неисправностей источников питания, аварийных изменений напряжения питающей сети, а также применять плавкие и полимерные предохранители, время срабатывания которых может измеряться секундами. Неприятная особенность таких супрессоров – высокая электрическая емкость. Для низковольтных диодов ее значение может достигать 3000 пФ, для высоковольтных – 20 пФ. Двунаправленные версии имеют емкость примерно на 40% меньше однонаправленных аналогов.

Проверка целостности защитного диода

Проверка на целостность защитного, как и выпрямительного (в том числе силового), диода осуществляется мультиметром (как вариант, можно применить омметр). Использовать прибор с этой целью можно только в режиме прозвонки.

Рис 3 Проверка защитного диода

Когда мультиметр готов, необходимо щупами соединить его с выводами супрессора (положительный-красный с анодом, отрицательный-чёрный с катодом). Когда это будет сделано, на дисплее тестирующего устройства высветится число обозначающее пороговое напряжение проверяемого диодного предохранителя. При смене полярности подключения должна высветиться бесконечная величина сопротивления. Если всё так и вышло, то элемент исправен.

В случае выявления утечки во время смены полюсов, можно говорить о дисфункциональности элемента и необходимости его замены. Аналогично можно проверить защитный диод автомобильного генератора.

Супрессорный диод – электронная защита подавлением выброса напряжения

Супрессорный диод – полупроводник TVS (Transient Voltage Supression), как следует из перевода, обеспечивает подавление выбросов напряжения. Этот электронный компонент находит широкое применение в схемах различных современных устройств, включая компьютерное оборудование. Рассмотрим характеристику прибора с целью получения более подробных сведений о функциональности и возможностях.

TVS-диод: характеристика + обзор на супрессорный диод

Кремниевые TVS-диоды характеризуются в первую очередь наличием переход P-N, аналогичного стабилитрону. Однако переход выполнен с большим поперечным сечением, пропорциональным номинальной импульсной мощности супрессорного диода.

Эти электронные компоненты выступают шунтирующими устройствами, способными ограничивать скачки напряжения посредством низкоимпедансного лавинного пробоя P-N перехода.

Графическая кривая электрической вольтамперной характеристики однонаправленного (однополярного) супрессорного диода в процессе действия

Импульсы большой длительности подавляются TVS-диодом за счёт увеличенной площади кристалла и свойств хорошего рассеивания тепла. Пороговые значения напряжения и мощности на супрессорном диоде допустимо увеличивать путём последовательного или параллельного соединения приборов.

Переходный процесс мгновенно шунтируется, что сопровождается не менее быстрым отводом чрезмерно сильного тока от защищаемого устройства. На картинке ниже демонстрируется простейшая схема защиты, где работает супрессорный диод, и результат отвода переходного тока на землю.

Как и любой другой электронный компонент, супрессорный диод обладает электрическими характеристиками. Это своего рода набор параметров, определяющих критерии функциональности заключённой внутри прибора схемы.

Основными показателями электрических характеристик на супрессорный диод являются:

Ёмкость – параметр, связанный с применениями, обусловленными высокой скоростью передачи данных. Измеряется при определённой частоте и смещении. Высокий параметр ёмкости ухудшает сигналы.

Прямое напряжение – величина на супрессорном диоде в прямом проводящем состоянии при заданном токе.

Напряжение ограничения – величина на пике, измеренная на устройстве во время приложения импульсного тока для заданной формы волны. Следует иметь в виду: ток утечки и ёмкость не должны оказывать влияние на характеристики цепи.

Супрессорный диод – типичное исполнение приборов

Супрессорными диодами ограничиваются скачки напряжения до уровня допустимой величины при помощи действия шунтирующего вентиля (схемы автоматического шунтирования выхода источника питания).

Супрессорный диод шунтирующего типа начинает проводить, когда пороговая величина превышает допустимую величину.

Схематичное исполнение применяемых на практике супрессорных диодов: 1 – однонаправленного действия; 2 – двунаправленного действия; 3 – массив (матрица) управляющих элементов

Напротив, TVS-диод возвращается в непроводящее состояние, если напряжение падает ниже порогового значения. Скачки импульсов отсекаются до безопасного уровня с помощью шунтирования.

Электронные приборы TVS-диоды являются показательными примерами шунтирующих устройств. Существуют две основные категории шунтирующих конструкций:

Ослабляют переходные процессы, предотвращая распространение в чувствительную цепь (стандартные массивы TVS-диодов).
Отводят переходные процессы от чувствительных нагрузок, ограничивая остаточные напряжения (массивы управляющих диодов).

Супрессорный диод + функция шунтирующего действия

Шунтирующие устройства срабатывают в условиях превышения пороговых напряжений, в результате чего создают падение напряжения в открытом состоянии всего на несколько вольт. Этим процессом, собственно, и обусловлено название «шунтирующий вентиль».

Большинство супрессорных диодов, которые используются в схемах защиты с низким энергопотреблением, имеют форму волны 8/20 мкс, как показано на картинке ниже. Приборы большой мощности характеризуются формой волны импульсного перенапряжения 10/1000 мкс.

График формы волны импульса (8/20 мкс): 1 – пиковое значение тока; 2 – временная точка; 3 – параметры формы волны; Ipp – импульсные токи; Tms – значения времени в мкс

Пиковая импульсная мощность на супрессорном диоде может составлять от 30 киловатт до 25 ватт. Номинальная мощность рассчитывается как произведение пикового импульсного тока и напряжения ограничения.

По мере уменьшения ширины импульсного импульса пиковая мощность импульса увеличивается логарифмически. Для более коротких импульсов TVS-диод способен обрабатывать более высокие пиковые импульсные токи.

Пиковая импульсная мощность импульса 3 мкс составляет примерно 1 кВт. Когда импульс скачка увеличивается, как на кривой выше до 10/1000 мкс, пиковая мощность импульса снижается до 60 Вт.

Конфигурации корпусов супрессорных диодов доступны различными размерами от больших модулей до миниатюрных изделий. Поддерживается конфигурация под условия поверхностного монтажа. Электронные супрессорные приборы надёжно защищают схемы с одной или несколькими линиями, однонаправленного или двунаправленного хода.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Серия CDSOD323

С развитием мобильной и портативной техники производители начали борьбу как за снижение паразитной емкости, так и за степень интеграции полупроводниковых схем. Компания Bourns выпустила линейку TVS-диодов CDSOD323, упакованную в корпуса формата SOD-323. Это позволило значительно сэкономить место на печатной плате. Несмотря на скромные размеры, серия обладает значительной пиковой импульсной мощностью в 350 Вт (некоторые модели – до 500 Вт), и соответствует стандартам ЭМС (Р МЭК 4-2, 4-4, 4-5). Правда, по сравнению с сериями SMA, SMB и SMBJ, мощность которых нормирована на время в 1 мс, импульсная мощность CDSOD323 приведена ко времени действия стандартного импульса 8/20 мкс [6, 7].

Рис. 6. Структурная схема и внешний вид CDSOD323-TxxLC и CDSOD323-TxxC

Таблица 2. Характеристики серий CDSOD323-TxxLC и CDSOD323-TxxC

В линейке представлены также специализированные диоды CDSOD323-TxxC-DSL. Это серия двунаправленных диодов, состоящая всего из двух позиций – на 12 и 24 В – предназначенных для защиты линий VDSL, модемов, роутеров. Серия характеризуется малой емкостью (3 пФ) и очень малым током утечки (1 нА).

Как правильно подобрать защитный диод?

Применение следующих правил поможет избежать проблем с покупкой защитного диода. Чтобы не ошибиться в выборе, необходимо:

Читайте также: