TVS-диоды — полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений в э

Область применения диодов не ограничивается только выпрямителями. На самом деле эта область очень широка. В числе прочего диоды используются и для защитных целей. Например для защиты электронных устройств при их ошибочном включении неправильной полярностью, для предохранения входов различных схем от перегрузки, для предотвращения пробоев полупроводниковых ключей от импульсов ЭДС самоиндукции, возникающих в моменты отсоединения индуктивных нагрузок и т. д.

С целью защиты входов цифровых и аналоговых микросхем от перегрузок по напряжению, применяют цепочки из двух диодов, которые подключают в обратном направлении к шинам питания микросхемы, а средняя точка диодной цепочки соединяется с защищаемым входом.

Если на вход схемы подается нормальное напряжение, то диоды пребывают в закрытом состоянии, и почти никак не влияют на работу микросхемы и схемы в целом.

Но как только потенциал защищаемого входа выйдет за пределы напряжения питания, один из диодов перейдет в проводящее состояние и станет шунтировать данный вход, ограничивая таким путем разрешенный потенциал входа значением питающего напряжения плюс прямое падение напряжения на диоде.

Цепочки подобного рода иногда бывают сразу включены в интегральную микросхему еще на стадии проектирования ее кристалла, либо ставятся в схему позже, на этапе разработки узла, блока или всего устройства. Защитные двухдиодные сборки выпускаются и в виде готовых микроэлектронных компонентов в трехвыводных транзисторных корпусах.

Если диапазон защитного напряжения необходимо расширить, то вместо подключения к шинам с потенциалами питания, диоды подключают к точкам с другими потенциалами, которые обеспечат требуемый разрешенный диапазон.

На длинных проводных линиях возникают порой мощные помехи, например от грозовых разрядов. Для защиты от них могут потребоваться более сложные схемы, содержащие не только два диода, но и резисторы, разрядники, конденсаторы и варисторы.

Как известно, именно ЭДС самоиндукции оказывает препятствие уменьшению тока через любую индуктивность, стремясь как-бы поддержать ток через нее неизменным. Но в момент когда источник тока от катушки отключается, магнитное поле индуктивности должно куда-то рассеять свою энергию, величина которой равна

Так вот, как только индуктивность отключается, она сама превращается в источник напряжения и тока, а на закрытом ключе в этот момент возникает напряжение, значение которого может быть опасным для ключа. Для полупроводниковых ключей это чревато пробоем самого ключа, ибо энергия будет быстро и с очень высокой мощностью рассеиваться на ключе. Для механических же выключателей последствиями могут быть искрение и обгорание контактов.

В силу своей простоты, диодная защита очень широко распространена, и позволяет защищать различные ключи, взаимодействующие с индуктивной нагрузкой.

Для защиты ключа с индуктивной нагрузкой, диод включается параллельно катушке в таком направлении, чтобы когда по катушке изначально течет рабочий ток, диод был бы заперт. Но как только ток в катушке отключается, возникает ЭДС самоиндукции, которая имеет полярность противоположную ранее приложенному к индуктивности напряжению.

Данная ЭДС самоиндукции отпирает диод, и теперь ток, который в предыдущий момент был направлен через индуктивность, движется уже через диод, а энергия магнитного поля рассеивается на диоде либо на снабберной цепи, в которую он включен. Таким образом коммутирующий ключ не будет поврежден чрезмерным напряжением, приложенным к его электродам.

Когда защитная схема включает в себя лишь один диод, напряжение на катушке окажется равно величине прямого падения напряжения на диоде, то есть в районе от 0,7 до 1,2 вольт, в зависимости от величины тока.

Но поскольку напряжение на диоде в этом случае мало, ток станет спадать медленно, а для того чтобы ускорить выключение нагрузки, может понадобиться применение более сложной защитной схемы, включающей не только диод, но и последовательно диоду — стабилитрон, либо диод с резистором или варистором – полноценную снабберную цепочку.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

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

Защитный диод — гость нашего обзора полупроводников.

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:

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:

Выводы

1. Результаты исследования показывают, что и варисторы, и супрессоры на основе лавинных диодов являются с точки зрения быстродействия элементами, пригодными для использования в качестве одного из основных средств для защиты промышленного электронного оборудования, расположенного в шкафах, от воздействия ЭМИ ЯВ.
2. Мощные TVS­-диоды представляются более качественными и надежными элементами защиты, чем варисторы, но их очень высокая стоимость при массовом применении заставляет искать альтернативу.
3. Альтернативой могут служить варисторы в сочетании с ферритовыми элементами, установленными на контрольном кабеле до варисторов.
4. Дополнительные ферритовые элементы, размещенные на контрольном кабеле, позволяют снизить крутизну переднего фронта и амплитуду тока, протекающего через защитный элемент после его срабатывания, и, соответственно, снизить падение напряжения на нем, существенно повышая эффективность защиты оборудования варистором.

Литература

1. Protection Technology Comparison Chart. Protek Devices, 2013.
2. TND335/D. Transient Overvoltage Protection, ON Semiconductor, Semiconductor Components Industries. LLC, 2008
3. Электроника, защита от перенапряжений. Раздел Н. 51. Основы защиты от перенапряжений. — Weidmuller.
4. AN 1826/0104. Transient Protection Solution: Transil diode versus Varistor /Bremond A., Karoui C. — STMicroelectronics.
5. J. Goldman, Selecting Protection Devices: TVS Diodes vs. Metal­Oxide Varistors // Power Electronics. 2010. June 1.
6. Han S. M., Huh C. S., Choi J. S. A Validation of Conventional Protection Devices in Protecting EMP Threats // Progress in Electromagnetic Research. 2011. Vol. 119.
7. Howell T. Comparing Circuit Protection Technologies for 48 V DC in High Surge Environments. Protection Engineers Group Conference, Dallas, March 14–16, 2022.
8. Гуревич В. И. Ферритовые фильтры // Компоненты и технологии. 2015. № 10.

Принципы действия

Защитный диод обладает специфической ВА характеристикой, отличающейся нелинейностью. При условии, что размер амплитуды импульса окажется больше допустимого, то это повлечёт за собой так называемый «лавинный пробой». Иными словами, размер амплитуды будет нормирован, а все излишки будут выведены из сети через защитный диод.

Рис 1 Защитный диод- принцип работы полупроводника

Принцип работы TVS-диода предполагает, что до момента возникновения опасности диодный предохранитель никоим образом не оказывает влияние на сам прибор и его функциональные свойства. Таким образом, необходимо отметить, что выявляется ещё одно название для защитного диода — лавинный диод.

Существует два типа ограничительных стабилитронов:

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

Применимы только для сетей с постоянным током, поскольку имеют однонаправленный рабочий режим. Способ подключения несимметричного защитного диода не соответствует стандартному. Его анод соединяется с минусовой шиной, а катод — с плюсовой. Положение получается условно перевёрнутым.

Кодировка защитных диодов, относящихся к симметричным, включает в себя литеры «С» или «СА«. У несимметричных диодных предохранителей имеется цветная маркировка в виде полосы на стороне катодного вывода.

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.

TVS-диоды TRANSZORB серии 1.5KE6.8–1.5KE440CA (1N6267–1N6303A)

Диоды серии 1,5КЕ6,8–1,5КЕ440СА выпускаются в симметричном и несимметричном исполнении. В обозначении симметричного диода добавляется суффикс С или СА. Например, 1,5КЕ6,8С, 1,5КЕ440СА. Серия 1N6267– 1N6303A выпускается только в несимметричном исполнении.

Значимые характеристики защитных диодов

Значение напряжения, при котором происходит открытие диода и уведение потенциала к общему проводу. Дополнительное синонимичное обозначение — VBR.

Максимальный обратный ток утечки. Имеет маленькое значение, измеряемое в микроамперах, и функциональность устройства от него практически не зависит. Дополнительное обозначение — IR.

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.

TVS-продукция Semtech Corporation

Защитная продукция Semtech включает как дискретные диоды, так и специализированные сборки, ориентированные на работу с определенными интерфейсами [3]. Данный класс устройств был разработан для защиты чувствительных компонентов от воздействия электростатических разрядов (ESD), от быстрых электрических переходных процессов (EFT) и от перенапряжений в линиях связи (CDE). Выпускаемые в настоящее время приборы доступны в разнообразном корпусном исполнении, определяемом условиями эксплуатации и областями применения, вся продукция проходит сертификацию на соответствие требованиям стандартов и правил безопасности IEC, ETSI, Bellcore 1089 и FCC часть 68. Среди типовых применений можно отметить портативную носимую электронику, оборудование Ethernet- и других сетей передачи данных, HD-телевизоры и мониторы, ноутбуки, персональные и планшетные компьютеры.

Номенклатура TVS-устройств, предлагаемых компанией, содержит сотни наименований, объединенных в отдельные семейства, привести их параметры в рамках одной статьи не представляется возможным. Поэтому далее будут рассмотрены наиболее интересные серии с точки зрения конкурентных преимуществ, к которым относятся:

• малое напряжение ограничения (от 2,5 В);
• высокая перегрузочная способность;
• низкая собственная емкость (менее 0,5 пФ);
• возможность защиты от периодически повторяющихся ESD-импульсов;
• минимальные габариты;
• низкие токи утечки.

Рис. 3. Внутренняя структура защитных устройств серии EMIClamp: а) EClamp237xK; б) EClamp2422N; в) EClamp239xP

Серия защитных устройств, объединяющая в единых корпусах TVS-диоды и LC/RC-фильтры, выпускается компанией Semtech под торговой маркой EMIClamp. Помимо ограничения паразитных ESD-импульсов, она обеспечивает подавление нежелательных электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) излучений в диапазонах частот, определяемых параметрами встроенных фильтров низких частот. Компоненты данной серии осуществляют защиту распространенных интерфейсов и успешно применяются в портативной электронике: сотовых телефонах, цифровых фото- и видеокамерах, планшетах и ноутбуках, периферийных устройствах ПК (принтерах, сканерах и т. д.) и ЖК-дисплеях. В настоящее время доступны 2-, 4-, 6‑ и 8‑канальные решения (несколько десятков наименований), внутренние конфигурации которых адаптированы под конкретные применения. Для примера на рис. 3 представлены типовые электрические схемы некоторых популярных моделей (показан один канал), а в таблице 2 — их основные параметры.
Таблица 2.Основные характеристики популярных устройств серии EMIClamp

Примечание. x — соответствует числу каналов

Шестиканальная ИС EClamp2357NQ (рис. 4), предназначенная для защиты логических линий SD (Secure Digital) карт памяти и сенсорных дисплеев, работает с 5‑В шинами данных [4].

Рис. 4. Типовая схема включения ИС EClamp2357NQ

Интегрированные фильтры П‑типа, каждый из которых состоит из 100‑Ом резистора и двух конденсаторов с емкостью 10 пФ, гарантируют ослабление сигнала на 20 дБ в диапазоне частот 1–3 ГГц. TVS-диоды обеспечивают подавление электростатических разрядов в соответствии с нормами IEC 61000-4-2, уровень 4, также данные компоненты сертифицированы на соответствие требованиям AEC-Q100 и могут применяться в автомобильных устройствах. Конструктивно приборы выполнены в 16‑контактных низкопрофильных корпусах форм-фактора QFN с размерами 3×3×1 мм и шагом выводов 0,5 мм.

Малогабаритные многоканальные приборы защиты EClamp237xP и EClamp238xP позволяют сэкономить пространство на печатной плате. Новые семейства, содержащие 4-, 6‑ и 8‑канальные устройства, спроектированы для защиты и фильтрации сигналов высокоскоростных параллельных интерфейсов, работающих на скоростях более 60 Мбит/с. Защитные ИС выпускаются в планарных корпусах SLP, имеющих минимальный форм-фактор, повышенную надежность и объединяющих до 32 дискретных компонентов. Характерными особенностями всех приборов в пределах семейств являются унифицированные значения ширины (1,3 мм) и высоты (0,5 мм), длина в зависимости от количества каналов варьируется в пределах 1,7–3,3 мм.

Семейства EClamp239xP и EClamp255xP со встроенными LC-фильтрами применяются для защиты интерфейсов высококачественных цветных ЖКИ в 3G-телефонах стандартов GSM и CDMA. Они отличаются резким спадом частотной характеристики, обеспечивая минимум 30 дБ ослабления в диапазоне 800 МГц – 2,7 ГГц. Корпусное исполнение и количество каналов — аналогично семействам EClamp237xP и EClamp238xP. Проходная конструкция защитных устройств облегчает задачу трассировки сигналов для более быстрой и удобной разводки печатной платы. Большие размеры площадки для подключения «земли» минимизируют паразитную индуктивность для улучшения характеристик фильтра.

Двухканальный ограничитель напряжения EClamp2422N позиционируется для защиты аудиоинтерфейсов [5]. Помимо симметричных TVS-диодов, содержит цепочки CLC-фильтров из катушек индуктивности 2 нГн и конденсаторов 100 пФ. Доступен в 6‑выводном корпусе SLP размерами 1,5×1×0,5 мм и шагом выводов 0,5 мм. Пример его применения показан на рис. 5.

Рис. 5. Защита динамиков при помощи EClamp2422N

Супрессоры серий TransClamp и LC (табл. 3) предназначены для защиты схем от воздействий повышенной мощности. Малогабаритные устройства, выпускаемые в корпусах для планарного монтажа и способные поглотить выбросы мощностью до 2500 Вт, выгодно отличаются минимальной разницей рабочего напряжения и напряжения ограничения и обладают низким собственным током утечки (от 0,1 мкА). Приборы, рассчитанные на функционирование в цепях с рабочими напряжениями 2,5 и 3,3 В, выполнены с применением собственной технологии EPD (Enhanced Punch-Through).
Таблица 3.Основные характеристики популярных устройств серий TransClamp и LC

Двухканальные устройства TransClamp служат для защиты от перенапряжений высокоскоростных интерфейсов передачи данных, к основным областям применения относятся: оборудование сетей T1/E1, T3/E3, 10/100 Ethernet, ISDN, WAN и xDSL. Изготавливаются они преимущественно на основе мостовой конфигурации, позволяющей оптимальным образом обеспечить нормальное функционирование дифференциальных линий связи. На рис. 6 изображен пример подключения ИС TClamp3302N [6].

Рис. 6. Вариант защиты логических линий интерфейса Ethernet при помощи ИС TClamp3302N

Принцип работы прост. Корректирующий всплески диодный мост, составленный из компенсационных диодов, направляет входящий ток через TVS-диод. Использование данного подхода позволяет защитить схему как от помех общего вида, так и от помех при дифференциальном включении. Встроенные супрессоры выдерживают импульсы с током 20–120 А и соотношением длительностей фронта/спада, равным 8/20 мкс, обеспечивая тем самым соответствие требованиям стандартов IEC.

Для аналогичных целей и применений позиционируются защитные микросхемы серии LC. Помимо мостовой конфигурации, при их изготовлении применяется вариант, представленный на рис. 7. Доступные устройства имеют высокую перегрузочную способность по току и включают 2–4 пары элементов TVS + выпрямитель, соединенных последовательно. Две пары, объединенные встречно-параллельно, гарантируют, что в условиях переходного процесса компенсационный диод не перейдет в обратное смещение.

Рис. 7. Внутренняя структура и вариант схемы включения защитной ИС LC04-6

В высокоскоростных применениях необходимо учитывать паразитную емкость, вносимую диодами и оказывающую влияние на передаваемый сигнал, вызывая его затухание, задержку, отражение или закругление фронтов, затрудняющее прием данных. Для сохранения качества сигналов в подобных системах необходимо использовать защитные устройства с чрезвычайно низкой емкостью и малыми токами утечки. Компания Semtech предлагает для данных целей устройства серии RailClamp — самой обширной по количеству компонентов и предназначенной практически для любых телекоммуникационных приложений. Ее главное отличие — высокая степень защиты от электростатических разрядов при чрезвычайно низком уровне собственной емкости, не превышающем у ряда устройств 0,15 пФ. Это позволяет включать приборы RailClamp в цепи с рабочими частотами до 3 ГГц и успешно защищать USB (версий 2.0, 3.0 и 3.1), MHL/MDDI, LVDS, HDMI 1.3/1.4, DVI, 1000BASE-T, 100BASE-T, xDSL и другие распространенные технологии, а также мультимедийные порты дисплеев, антенны и карты памяти. Серия RailClamp включает как одиночные TVS-диоды (двунаправленные), так и сборки на их основе. Для наглядности на рис. 8 представлены типовые схемы внутренних соединений некоторых приборов защиты RailClamp.

Рис. 8. Внутренняя структура отдельных защитных устройств серии RailClamp: а) RClamp0502BA; б) RClamp3346P; в) RClamp0552T

Рабочее напряжение и количество каналов изделия можно легко узнать из наименования — для этого необходимо обратить внимание на первые две и последнюю цифры соответственно. Например, микросхема RClamp3346P предназначена для применения в цепях 3,3 В и способна обеспечить защиту до шести логических линий связи. Несмотря на все многообразие моделей, доступный ряд рабочих напряжений ограничен значениями: 2,5; 3,3; 3,5; 5; 6,5; 8; 12; 15 и 24 В. Буква Q в конце наименования компонента означает соответствие требованиям стандарта AEC-Q100 и возможность использования в автомобильных устройствах. Корпусное исполнение определяется максимальной поглощаемой мощностью, все приборы выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа — как в стандартных SOT‑23, SC‑70, S0-8 и других, так и в запатентованных безвыводных SLP (рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид типовых корпусов, используемых при производстве устройств серии RailClamp

В качестве одного из примеров применения можно рассмотреть использование ИС RClamp0524PA, рекомендуемой для защиты дифференциальных линий DisplayPort — интерфейса связи с ЖК-дисплеями. На рис. 10 представлена типовая схема подключения устройств RClamp0524PA [7].

Рис. 10. Применение ИС RClamp0524PA для ESD-защиты интерфейса DisplayPort

Для сертификации любого разрабатываемого устройства, содержащего данный интерфейс, необходимо протестировать как источник, так и приемник цифрового сигнала согласно методам, изложенным в DisplayPort CTS (Compliance Test Specification). Одним из основных тестов является измерение отраженного сигнала с помощью временного рефлектометра. В соответствии с требованиями к величине отраженного сигнала, номинальное значение дифференциального сопротивления сигнальных линий для устройства-приемника должно быть на уровне 100 Ом ±15% при времени нарастания тестового сигнала не более 200 пс. Для выполнения таких требований подключаемое устройство электростатической защиты должно иметь как можно меньшее значение емкости (не более 0,5 пФ). Ограничитель напряжения RClamp0524PA удовлетворяет указанным требованиям, его максимальная емкость составляет всего 0,3 пФ, напряжение питания — 5 В, а миниатюрный 10‑выводной корпус не вносит дополнительных паразитных индуктивностей. На рис. 11 показаны результаты измерений сигналов дифференциальных линий с подключенным ограничителем переходных процессов RClamp0524PA. Из рисунка видно, что требования по дифференциальному сопротивлению линий (100 Ом ±15%) для HDMI-устройства приемника в этом случае выполняются.

Рис. 11. Результаты измерения динамического рефлектометра

Следует отметить сквозную топологию выводов, позволяющую добавлять устройства защиты в разрыв линии данных и упрощающую конструирование печатной платы. Все линии данных входят в корпус с одной стороны и проходят насквозь, не требуя изгиба или трассировки проводников, которые могут вызвать изменение импеданса линии и снизить качество сигнала.

Серия MicroClamp, как следует из названия, содержит миниатюрные устройства защиты, применяемые в портативных устройствах, критичных к габаритам электронных компонентов. Состоит она преимущественно из одиночных симметричных и несимметричных TVS-диодов, а также из наборов супрессоров, включенных по схеме с общим анодом и обеспечивающих защиту до восьми линий. Данные изделия удовлетворяют промышленным стандартам по защите от ESD (IEC 61000-4-2) ±15 кВ при действии через воздушный зазор и ±8 кВ при непосредственном контакте. Размеры корпусов минимально возможные, от 1×0,6×0,5 мм, основные сферы применения — защита клавиатур и карт памяти (рис. 12). Среди новинок серии необходимо отметить однонаправленные устройства uClampxx61P, отличающиеся повышенной до 1500 Вт пиковой мощностью, рабочим напряжением в диапазоне 5–40 В и током утечки не более 0,2 мкА.

Рис. 12. Применение супрессоров uClamp0511T для ESD-защиты клавиатуры

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.

Выбор параметров защитных цепочек

8.1 Выбор диодов

Диоды защитных цепочек выбираются на основании условия:

Е < 0,7*Uдоп. (5)

Учитывая, что Е=220 В, выбираем диод типа Д229Б, имеющий Uдоп=400В.

8.2 Выбор резисторов

Значения сопротивления резистора определяются с помощью кривых на рис.4 и соответствуют точке пересечения кривой Uм=f(Rp) с прямой 0,7*Uдоп.-Е=0,7*400-220=60В, параллельной оси Rр.

В схемах, представленных на рис.П-1б, П-2б, П-3б сопротивления резистора защитной цепочки определяется по кривым для реле РП-251, РПУ-2 и соответственно равны R=2,4 кОм, R5=4,2 кОм, R7=4,2 кОм.

Расчетным для схемы на рис.П-5в является случай отключения контактами К3 трех параллельно соединенных обмоток реле К6, К7, К8 при замкнутом положении контактов К1. При этом, если в схеме на рис.П-5в отсутствует защитная цепочка, то диоды VD1, VD2 подвергаются воздействию коммутационного перенапряжения. Сопротивление резистора защитной цепочки определяется как эквивалентное трем параллельно соединенным равным сопротивлениям, одно из которых (Rр) определяется по кривой рис.4 для реле РП-23:

R2=Rр/3=2,2/3=0,773 кОм

В схеме, изображенной на рис.П-5в, заслуживает внимания рассмотрение вопроса о возможности срабатывания реле К8 при размыкании контактов К2. Ответ на этот вопрос в рассматриваемом случае можно получить, сравнив максимальное значение тока, проходящего, а обмотке реле К8 в переходном режиме, с минимальным током срабатывания этого реле. Ток I, проходящий в обмотке реле К8 при размыкании контактов К2, складывается из тока I1, представляющего часть суммы токов в обмотках реле К4, К5 и тока I2 – части суммы токов в обмотках реле К6, К7. максимальные значения токов I1, I2, I определяются следующим образом:

Здесь: Iк4, Iк5, Iк6, Iк7 – токи, проходящие соответственно в обмотках реле К4, К5, К6, К7.

где:

• 220 – напряжение источника питания (В);
• 9300, 9250 – сопротивления постоянному току, соответственно, обмотки реле РП-23 и последовательно соединенной с добавочным резистором обмотки реле РП-223 (Ом).

Минимальный ток срабатывания реле К8 (РП-23):

Таким образом, величина тока, проходящего в обмотке реле К8 при размыкании контактов К2, недостаточна для срабатывания реле (Если Iм > Iср.к8, то реле К8 сработает при выполнении условия tб > tср, где:

• tср – время, в течении которого Iм > Iср.к8;
• tб – время срабатывания реле К8.

Основные качества TVS-диодов

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

Помимо этого, TVS-диод в принципе нельзя отнести к числу идеальных защитных ограничителей. Так, например, защитные диоды супрессоры в положении «выключено» можно характеризовать достаточно большими обратными токами. Далее, вызывает неодобрение резкость при смене режимов. Наибольшей же проблемой считается то, что в ограничивающем режиме уровень напряжения находится в прямой зависимости от силы тока.

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.

TVS-диоды TRANSZORB фирмы General Semiconductor

TVS-диоды TRANSZORB фирмы General Semiconductor выпускаются в различных исполнениях, с учетом условий эксплуатации и области применения. Дискретные диоды в пластиковом корпусе с гибкими выводами, предназначенными для монтажа в сквозные отверстия, выпускаются со значениями максимальной допустимой импульсной мощности 400 Вт, 500 Вт, 600 Вт, 1,5 кВт и 5 кВт. Диоды с наибольшими значениями максимальной допустимой импульсной мощности обычно используются для установки в цепях питания. При более низких значениях мощности в приложениях с высокой плотностью расположения компонентов используются диоды и диодные сборки, которые выпускаются как в DIP-корпусах, так и в корпусах для поверхностного монтажа. Они выпускаются со значениями максимальной допустимой импульсной мощности 400 Вт, 500 Вт, 600 Вт, 1,5 кВт и 5 кВт. Диодные сборки обычно используются на линиях передачи данных для защиты портов ввода/вывода от электростатических разрядов. Кроме того, выпускаются специализированные низкоемкостные TVS-диоды, применяемые в цепях с высокой скоростью передачи данных с целью предотвращения затухания полезных сигналов. TVS-диоды TRANSZORB выпускаются для работы в цепях с рабочими напряжениями от 5 до 376 В. Ввиду широкого диапазона возможных рабочих напряжений и допустимых номинальных мощностей (так же, как и перенапряжений) TVS-диоды TRANSZORB используются в различных электронных схемах и приложениях.

Обозначение, параметры и применение защитных диодов

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды Шоттки, диоды Ганна, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (Transient Voltage Suppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и среди радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

TVS-диоды были созданы в 1968 году в США для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придаётся защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

Очень часто возникают броски напряжения и на силовых трансформаторных подстанциях. В таких случаях бытовая техника выходит из строя сотнями. Поскольку на промышленных предприятиях комплексная защита имеется, а жилые дома в этом случае совершенно не защищены.

Для защиты аппаратуры от воздействия электрических перенапряжений и был разработан класс полупроводниковых приборов называемых TVS-диоды или “супрессоры”. Иногда в разговоре можно услышать: диодный предохранитель.

Обозначение на схеме.

Принцип работы супрессора (защитного диода).

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод. Более наглядно процесс выглядит на рисунке.

До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибора более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричные только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наносится вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из «фишек» защитных диодов.

Основные электрические параметры супрессоров.

U проб. (В) – значение напряжения пробоя. В зарубежной технической документации этот параметр обозначается как VBR (Breakdown Voltage). Это значение напряжения, при котором диод резко открывается и отводит опасный импульс тока на общий провод («на землю»).

I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение – IR (Max. Reverse Leakage Current). Так же может обозначаться как IRM.

U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре VRWM (Working Peak Reverse Voltage). Может обозначаться как VRM.

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как VCL или VC – Max. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage.

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как IPP (Max. Peak Pulse Current). Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения. Для мощных супрессоров это значение может достигать нескольких сотен ампер!

P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор. Напомним, что слово супрессор произошло от английского слова Suppressor, что в переводе означает «подавитель». Зарубежное название параметра Peak Pulse Power (PPP).

Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (VCL) и I огр. мах. (IPP).

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.

ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора) ВАХ двунаправленного супрессора

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.

Например, при длительности импульса 50 микросекунд диод типа SMBJ 12A выдерживает импульсный ток, превышающий номинальный почти в четыре раза.

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 (С)A. Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

Размеры указаны в дюймах и миллиметрах (в скобках). Несимметричные супрессоры имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо, которое расположено ближе к катодному выводу.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Двунаправленные диоды TRANSIL TM 1.5КЕ440СА с успехом применяются для защиты бытовой электронной аппаратуры в сетях 220 вольт. Их применение наиболее эффективно для защиты объектов, которые подключены к воздушным линиям. В этом случае будет защита и от атмосферных электрических импульсов и от импульсных перенапряжений по цепям питания.

Источник

Как правильно подобрать супрессор

Чтобы не ошибиться в выборе данного прибора, следует придерживаться простых рекомендаций:

• установить уровень номинального напряжения на линии;
• определить, как именно будет осуществляться монтаж элемента;
• определить тип напряжения, а также установить, что обратное напряжение превышает номинальное напряжение схемы;
• выявить допустимые пределы рабочих температур;
• решить, какой именно тип диода потребуется (симметричный или несимметричный);
• определиться с наиболее подходящей серией и вариантом изделия.

Кроме того, перед покупкой рекомендуется дополнительно удостовериться в том, что габариты и параметры радиоэлемента соответствуют требованиям и нюансам монтажа.

Применение современных защитных диодов на схемах отличается высокой эффективностью защиты любого электрооборудования, которое подключено к воздушным линиям.

Тема: Нужны ли защитные диоды?

Опции темы

В некоторых схемах УМ стоят диоды между выходом и шинами питания (естественно, в обратном включении), защищающие выходные транзисторы от напряжения обратной полярности. Они применены, например, в следующих усилителях: «Бриг», Клецов (83), Зуев (84), Гумеля (85). В большинстве схем, особенно современных, их нет. Между тем, мне не известны случаи отказа транзисторов в УМ без этих диодов. Так нужны ли они? Вернее, нужно ли защищать ими современные мощные высоковольтные транзисторы?

Диоды могут быть нужны, если защита усилителя работает по принципу резкой отсечки тока. Тогда, при ее срабатывании, возможна ситуация, когда большой ток в индуктивной нагрузке окажется приложен к выходу усилителя.

У мощных полевых транзисторов этот диод есть в самой структуре транзистора. С биоплярными их стоит ставить, если схема имеет ограничение выходного сигнала от повторителя. Если ограничивает драйвер и остаточное напряжение на транзисторе более 5 В, то этот диод ничего не защитит и защиту надо делать по-другому.

В состоянии лавинного пробоя на эмиттерном переходе будет обычно 7-8 В. Насколько опасно это для транзистора, зависит от тока. Исходя из того, что площадь эмиттерного перехода меньше, чем коллекторного, и рассеивание большой мощности на нем вызовет локальный разогрев кристалла, до 2-3 А безопасно, 5-6 критично и более 8 смертельно, если говорить про мощные современные транзисторы с допустимым током коллектора 15А. Ток базы здесь не имеет влияния, так как через базовый электрод ничего не потечет.

Источник

Примеры выбора защиты диодов от коммутационных перенапряжений

На рис.П-1а – П-5а изображены применяемые на практике схемы цепей постоянного тока релейной защиты с разделяющими диодами. В некоторых из этих схем разделяющие диоды могут подвергаться воздействию коммутационных перенапряжений.

1. Рис.П-1а При замкнутом положении контактов K1 и размыкании контактов К2 отключается почти весь ток в обмотке реле К4. При этом между зажимами обмотки реле К4 (в обмотке К4 продолжает протекать обратный ток насыщения диода VD, составляющий единицы микроампер) возникает коммутационное перенапряжение, а потенциал положительного зажима обмотки становится намного ниже потенциала отрицательного полюса источника питания. Разделяющий диод VD оказывается под воздействием обратного напряжения, превышающего максимально допустимое напряжение диода Д229Б.

Рис.П-1а — К3,К4 — обмотки реле, соответственно РП255/220, РП251/220; VD, VD1 — диоды D229Б; VD1,R — защитная цепочка

2. Рис.П-2а. Диоды VD1, VD2 подвергаются воздействию коммутационного перенапряжения при замкнутом положении контактов K1 и размыкании контактов К2, так как при этом отключается почти весь ток в обмотке реле К6, и потенциал ее положительного зажима оказывается намного ниже потенциала отрицательного полюса.

Рис.П-2 — К3,К4,К5 — обмотки реле РП252-У4/220; К6 — обмотка реле РПУ-2/220; VD1-VD6 — диоды D229Б; VD5,R4 — искрогасительный контур; VD6,R5 — защитная цепочка

3. Рис.П-3а. При отключении тока в обмотке реле К7 контактами К2, когда контакты К1 находятся в замкнутом положении, переходной процесс происходит аналогично рассмотренному выше. Коммутационное перенапряжение воздействуют на диоды VD1, VD2.

Рис.П-3 — К3 — обмотка указательного реле; К4,К5,К6 обмотки реле РП252-У4/220, К7 — обмотка реле РПУ-2/220; VD1-VD6 — диоды D229Б; R1,R2 — резисторы соответственно, 3000 и 2000 Ом; VD5,R6 — искрогасительный контур; VD6,R7 — защитная цепочка; SX — накладка

4. Рис.П-4. В этой схеме разделяющие диоды не подвергаются воздействию коммутационных перенапряжений.

Рис.П-4 — К3, К4 — обмотки указательных реле; К5 — последовательная обмотка промежуточного реле; К6,К7 обмотки реле РП222-У4/220; VD1, VD2 — диоды D229Б; R — резистор 1000 Ом;

5. Рис.П-5а. Диодно-резисторные цепочки, присоединяемые параллельно обмоткам реле (см. также рис.П-2а, П-3а) и предназначенные для уменьшения искрения на контактах, в какой-то степени ограничивают коммутационное перенапряжения на разделяющих диодах. Использование в этих цепочках двух, вместо одного, последовательно соединенных диодов с параллельно присоединенными к ним резисторами (служащими для равномерного распределения обратного напряжения по диодам) предпринято с той целью, чтобы не допускать пробоя диодов этих цепочек от воздействия перенапряжений.

Однако возможность воздействия коммутационного перенапряжения на диоды-резисторных цепочек в схеме рис.П-5а (а также в схемах П-2а, П-3а) исключена (Предполагается, что перенапряжения не могут также попасть в схеме рис.П-5а со стороны источника питания). Поэтому все эти сравнительно сложные цепочки целесообразно заменить на цепочки диод-резистор (рис.П-2б, П-3б, П-5б). причем, при незначительной вероятности обрыва цепи разделяющих диодов, имеется возможность применить вместо трех одну общую цепочку диод-резистор, присоединив ее параллельно обмотке реле К8 (рис.П-5в).

Общая защитная цепочка диод-резистор, наряду со снижением уровня коммутационных перенапряжений, воздействующих на разделяющие диоды VD1-VD4, способствуют уменьшению искрения на контактах.

Рис.П-5 — К4, К5 — обмотки реле РП223/220; К6,К7,К8 — обмотки реле РП23/220; VD1-VD14 — диоды D229Б; R1 — резистор 1000 Ом;

Защитные диоды принцип работы

Защитный диод — гость нашего обзора полупроводников.

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:

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:

Области применения диодов

Такие радиоэлементы активно применяются в различных направлениях:

• средства связи и телекоммуникации;
• цифровые интерфейсы;
• различная силовая электроника;
• бытовые электроприборы;
• разнообразные схемы управления.

Лавинные диоды широко применяются для защиты бортовой электроники транспортных средств. Например, система зажигания любого автомобиля является одной из самых сильных источников электрических импульсов. Отечественные защитные диоды (Кремний, СЗТП, Фотон, НТЦ СИТ, Саранск, ТОР, Россия и другие) не уступают по качеству, эффективности и доступности зарубежным аналогам.

Принципы действия

Защитный диод обладает специфической ВА характеристикой, отличающейся нелинейностью. При условии, что размер амплитуды импульса окажется больше допустимого, то это повлечёт за собой так называемый «лавинный пробой». Иными словами, размер амплитуды будет нормирован, а все излишки будут выведены из сети через защитный диод.

Рис 1 Защитный диод- принцип работы полупроводника

Принцип работы TVS-диода предполагает, что до момента возникновения опасности диодный предохранитель никоим образом не оказывает влияние на сам прибор и его функциональные свойства. Таким образом, необходимо отметить, что выявляется ещё одно название для защитного диода — лавинный диод.

Существует два типа ограничительных стабилитронов:

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

Применимы только для сетей с постоянным током, поскольку имеют однонаправленный рабочий режим. Способ подключения несимметричного защитного диода не соответствует стандартному. Его анод соединяется с минусовой шиной, а катод — с плюсовой. Положение получается условно перевёрнутым.

Кодировка защитных диодов, относящихся к симметричным, включает в себя литеры «С» или «СА«. У несимметричных диодных предохранителей имеется цветная маркировка в виде полосы на стороне катодного вывода.

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.

Введение

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?

Значимые характеристики защитных диодов

Значение напряжения, при котором происходит открытие диода и уведение потенциала к общему проводу. Дополнительное синонимичное обозначение — VBR.

Максимальный обратный ток утечки. Имеет маленькое значение, измеряемое в микроамперах, и функциональность устройства от него практически не зависит. Дополнительное обозначение — IR.

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.

Влияние защитных цепочек на увеличение токовой нагрузки на коммутируемые контакты

Рассматриваемые защитные цепочки практически не увеличивают токовую нагрузку на коммутирующие контакты: при наличии в защитной цепочке полупроводникового диода увеличение токовой нагрузки происходит на величину обратного тока диода, который, имея значение до нескольких десятков микроампер, весьма мал по сравнению с током в обмотке реле. Дополнительная нагрузка на коммутирующие контакты в случае применения защитной RC – цепочки определяется током активной утечки конденсатора, который также очень мал и может не приниматься в расчет. Следует отметить, что защитные цепочки, снижая величину коммутационных перенапряжений, облегчают условия работы коммутирующих контактов.

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.

Основные качества TVS-диодов

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

Помимо этого, TVS-диод в принципе нельзя отнести к числу идеальных защитных ограничителей. Так, например, защитные диоды супрессоры в положении «выключено» можно характеризовать достаточно большими обратными токами. Далее, вызывает неодобрение резкость при смене режимов. Наибольшей же проблемой считается то, что в ограничивающем режиме уровень напряжения находится в прямой зависимости от силы тока.

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.

Содержание

• 1. Общая часть
• 2. Определение параметров защитных цепочек
• 2.1 Диод-стабилитрон
• 2.2 Диод-резистор
• 2.3 Защитный диод
• 2.4 Выбор защитной RC – цепочки
• 2.5 Выбор диодов защитных цепочек
• 3. Влияние защитных цепочек на увеличение токовой нагрузки на коммутируемые контакты
• 4. Защитные цепочки, рекомендуемые для применения
• 5. Способ снижения коммутационных перенапряжений при использовании транзистора в качестве переключающего элемента
• 6. Примеры выбора защиты диодов от коммутационных перенапряжений
• 7. Выбор защитной цепочки
• 8. Выбор параметров защитных цепочек
• 8.1 Выбор диодов
• 8.2 Выбор резисторов
• 9. Список литературы

Обозначение, параметры и применение защитных диодов

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды Шоттки, диоды Ганна, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (Transient Voltage Suppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и среди радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

TVS-диоды были созданы в 1968 году в США для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придаётся защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

Очень часто возникают броски напряжения и на силовых трансформаторных подстанциях. В таких случаях бытовая техника выходит из строя сотнями. Поскольку на промышленных предприятиях комплексная защита имеется, а жилые дома в этом случае совершенно не защищены.

Для защиты аппаратуры от воздействия электрических перенапряжений и был разработан класс полупроводниковых приборов называемых TVS-диоды или “супрессоры”. Иногда в разговоре можно услышать: диодный предохранитель.

Обозначение на схеме.

На принципиальных схемах супрессор (ака защитный диод) обозначается так (VD1, VD2 — симметричные; VD3 — однонаправленные).

Принцип работы супрессора (защитного диода).

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод. Более наглядно процесс выглядит на рисунке.

До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибора более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричные только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наносится вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из «фишек» защитных диодов.

Основные электрические параметры супрессоров.

U проб. (В) – значение напряжения пробоя. В зарубежной технической документации этот параметр обозначается как VBR (Breakdown Voltage). Это значение напряжения, при котором диод резко открывается и отводит опасный импульс тока на общий провод («на землю»).

I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение – IR (Max. Reverse Leakage Current). Так же может обозначаться как IRM.

U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре VRWM (Working Peak Reverse Voltage). Может обозначаться как VRM.

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как VCL или VC – Max. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage.

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как IPP (Max. Peak Pulse Current). Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения. Для мощных супрессоров это значение может достигать нескольких сотен ампер!

P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор. Напомним, что слово супрессор произошло от английского слова Suppressor, что в переводе означает «подавитель». Зарубежное название параметра Peak Pulse Power (PPP).

Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (VCL) и I огр. мах. (IPP).

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.

ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора) ВАХ двунаправленного супрессора

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.

Например, при длительности импульса 50 микросекунд диод типа SMBJ 12A выдерживает импульсный ток, превышающий номинальный почти в четыре раза.

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 (С)A. Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

Размеры указаны в дюймах и миллиметрах (в скобках). Несимметричные супрессоры имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо, которое расположено ближе к катодному выводу.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Двунаправленные диоды TRANSIL TM 1.5КЕ440СА с успехом применяются для защиты бытовой электронной аппаратуры в сетях 220 вольт. Их применение наиболее эффективно для защиты объектов, которые подключены к воздушным линиям. В этом случае будет защита и от атмосферных электрических импульсов и от импульсных перенапряжений по цепям питания.

Виды и обозначение

Существует два основных вида защитных диодов TVS:

• симметричные (двунаправленные) – активно эксплуатируются в цепях с двуполярным напряжением, что позволяет использовать их в сетях переменного тока;
• несимметричные (однонаправленные) – эффективно защищают цепи с напряжением одной полярности, что позволяет использовать их в сетях постоянного тока.

На схемах супрессоры обозначаются как VD1, VD2 (двунаправленные) и VD3 (несимметричные). Номинальное напряжение таких диодных предохранителей варьируется от 6.8 до 440 вольт. А рабочая температура колеблется от -65 до +175 градусов по Цельсию. Высокая скорость срабатывания надежно защищает оборудование от перенапряжения. Корпус диодного предохранителя снабжается маркировочным кодом, отображающим все важные параметры изделия.

Маркировка защитных диодов позволяет выбрать наиболее подходящий радиоэлемент для сетей постоянного или переменного тока. Несимметричные изделия имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо. Цифры и буквы, как правило, сообщают о мощности, напряжении пробоя, а также допустимом отклонении напряжения.

Принцип действия супрессора (TVS-диода)

У этого защитного полупроводника интересная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда импульса превышает справочные данные, то он уйдет в режим лавинного пробоя. То есть супрессор ограничит электрический импульс до паспортной величины, а лишнее перетечет на землю через него.

TVS-диод может быть несимметричным и симметричным. Первые используются для работы только в сетях постоянного тока, т.к в рабочем состоянии попускают ток только в одном направлении. Симметричные супрессоры пропускают ток в обои стороны, и поэтому способны работать в сетях переменного тока. Несимметричный защитный ограничитель включается в схему по направлению, противоположному при установке обычных диодов, то-есть анод подключается к отрицательной шине, а катод – к положительной.

В случае повышения входного уровня защитный полупроводник за очень короткое время резко снижает свое внутреннее сопротивление. Ток в цепи резко увеличивается и происходит перегорание предохранителя. Так как супрессор срабатывает почти моментально, то основная схема не успевает перегореть. Отличительной фишкой TVS-диодов считается очень низкое время реакции на превышение уровня напряжения.

Основные электрические параметры супрессоров

Огромным минусом супрессоров можно считать сильную зависимость максимальной импульсной мощности от продолжительности импульса. ТVS-диоды выпускаются с различными уровнями мощности. Однако, если этих номиналов недостаточно, то мощность можно увеличить, соединив последовательно несколько полупроводников. Так, при соединении двух, их общая мощность увеличивается в два раза.

Использовать ограничительные диоды можно и в роли стабилитронов. Но чтобы включать TVS-диоды таким образом в схему, требуется проверить справочные данные о значениях максимально рассеиваемой мощности, а также динамического сопротивления в условиях максимальных и минимальных возможных токов.

Супрессоры отличаются высоким показателем быстродействия. Время их срабатывания настолько мало, что импульсы «плохого» тока не успевают нанести повреждений оборудованию.

Источник

Принцип работы и устройство

Защитные диоды состоят из двух пластинок, выполненных из германия или кремния, обладающих разной электропроводимостью. Проволочные выводы электродов, как правило, припаиваются к металлическим слоям, нанесенным на внешние поверхности пластинок. Конструкция заключена в пластиковый, металлостеклянный или керамический корпус.

Принцип работы защитного диода основан на применении обратимого пробоя. Пока напряжение не превышает номинальное значение, ограничитель никакого существенного влияния на работу схемы не оказывает, но прибор перейдет в режим лавинного пробоя, как только электроимпульсная амплитуда превысит базисное напряжение. Таким образом, размер амплитуды нормируется, а все излишнее напряжение при этом уходит на землю через сам ограничитель.