Tvs диод что это

В последние годы за рубежом для защиты дорогостоящего оборудования все чаще применяют быстродействующие TRANSIL-, TRISIL- и TVS-диоды (встречаются и другие названия этих элементов). Несмотря на разные названия, это один класс приборов — сапрессоров, имеющих небольшое различие в характеристиках и, соответственно, областях применения. Эти элементы были специально разработаны для подавления перенапряжения, возникающего при переходных процессах, и, в отличие от варисторов, у таких диодов время срабатывания составляет несколько пикосекунд, а вносимая в схему емкость чуть меньше или соизмерима с имеющейся у варисторов. Так же как имеется разнообразие названий аналогичных элементов, за рубежом у сапрессоров можно встретить разные условные графические обозначения на электрических принципиальных схемах (примеры обозначений даны на графиках с характеристиками).

Основной областью применения сапрессоров является защита от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защита мощных транзисторов, тиристоров и устройств, питающихся от сети. К их достоинствам можно отнести:

+ самое высокое быстродействие, по сравнению со всеми другими элементами защиты;

+ наличие низких уровней напряжения ограничения;

+ широкий диапазон рабочих напряжений;

+ высокая долговечность и надежность;

К сожалению, отечественная промышленность пока не выпускает аналогов таких элементов. Рассмотрим более подробно эти компоненты, такая информация нам пригодится в дальнейшем.

TRANSIL-диоды (в наименовании используется часть, происходящая от английского слова Transient — переходный) изготавливаются как в однонаправленном, так и в двунаправленном исполнениях.

Рабочая характеристика однонаправленных диодов (рис. 1.6) очень похожа на имеющуюся у стабилитрона (у них, как и у стабилитронов, используется обратный участок вольт-амперной характеристики). Принцип работы у него такой же, только быстродействие намного выше.

Вольт-амперная характеристика защитного TRANSIL-диода

Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика защитного TRANSIL-диода

А для того чтобы исключить повреждение элемента слишком большим током, разработчики рекомендуют в цепи последовательно с ним устанавливать резистор величиной 1. 10 Ом (если других ограничений для тока нет). Величина этого резистора определяется из условия

Диоды TRANSIL, TVS и TRISIL

где Umax — максимально возможная амплитуда импульса на входе;

Ірр— максимальный допустимый ток диода.

Однонаправленное исполнение сапрессоров применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы данного вида должны включаться в цепь с учетом полярности.

Что такое супрессор. Принцип работы TVS-диода.

Двунаправленные диоды TRANSIL предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей, характеристика такого диода показана на рис. 1.7. Если двунаправленный TRANSIL-диод приобрести не удается, то он может быть получен (составлен) из двух однонаправленных, путем их встречного последовательного включения.

Свойства TRANSIL диодов описываются следующими параметрами (в скобках указаны иногда встречающиеся обозначения, применяемые разными производителями):

Вольт-амперная характеристика симметричного TRANSIL-диода

Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика симметричного TRANSIL-диода

Urm (UWm) — максимальное постоянное рабочее напряжение, при котором диод закрыт;

Ubr — напряжение пробоя, при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость роста тока превышает скорость увеличения напряжения (обычно указывается для температуры 25 °С);

Uc (Ucl) — максимальное напряжение фиксации для максимальной амплитуды импульса пикового тока Іpp;

Ірр (Іррм) — максимальный допустимый импульсный ток в рабочем режиме (пиковый ток);

Irm (Id) — ток утечки при фиксированном напряжении закрытого состояния URM;

Uf — напряжение в прямом направлении, аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В (параметр для однополярных диодов);

Рррм — максимально допустимая пиковая мощность, рассеиваемая прибором, при заданных: форме и длительности импульса при температуре окружающей среды не более 25 °С;

С — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение немного уменьшается и зависит от приложенного напряжения.

Много фирм выпускает большое разнообразие защитных диодов, рассчитанных на различные напряжения, при этом используется небольшой шаг номинальных значений. В качестве примера в табл. 1.4 включены основные параметры некоторых типов применяемых диодов (весь перечень номиналов и более полную информацию можно получить в фирмах, торгующих этими деталями, или в Интернете на сайте производителя).

Таблица 1.4. Параметры TRANSIL-диодов фирмы SGS-Thomson

Мощность Рррм, Вт

Следующей большой группой сапрессоров являеются TVS-ди-оды. В названии используются начальные буквы от слов Transient Voltage Suppression (фирма General Semiconductor эти диоды называет еще TransZorb). За рубежом TVS-диоды впервые были разработаны в 1968 году фирмой GSI (General Semiconductor Industries) специально для защиты устройств связи от грозовых разрядов. В дальнейшем этой фирмой были созданы TVS-диоды с рабочим напряжением от 6,8 до 200 В и допустимой импульсной мощностью до 1,5 кВт, предназначенные для защиты различного оборудования и радиоаппаратуры [Л 13]. Большинство диодов, выпускаемых под этой торговой маркой, аналогичны по параметрам TRANSIL-диодам, но большая часть из них предназначена для применения в низковольтной радиоаппаратуре.

Для описания характеристик TVS-диодов используют те же параметры, что и для TRANSIL — вольт-амперную характеристику они имеют такую же и работают аналогично. Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов менее 1 не, а у симметричных чуть больше. Это позволяет использовать их для защиты различных ра-

диочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

В качестве примера в табл. 1.5 — 1.8 приведены параметры некоторых TVS-диодов разных фирм (наиболее часто используемых). Последние буквы в обозначении указывают на особенности:

А — точность допуска по рабочему напряжению не хуже 5% (если она не стоит, то эти параметры могут находиться в допуске 10%);

С — сдвоенный диод, имеющий симметричную вольт-ампер-ную характеристику.

Сами диоды могут обладать довольно значительной емкостью (см. рис. 1.8), которая зависит от рабочего напряжения. Для ее уменьшения, кроме обычных TVS-диодов, выпускаются и специальные серии, например у фирмы General Semiconductor это:

LCE — на напряжение защиты от 6,5 до 28 В (Рррм = 1500 Вт);

SAC — на напряжение защиты от 5 до 50 В (Рррм = 500 Вт).

Они отличаются тем, что внутри корпуса в цепи имеется последовательно включенный дополнительный диод, рис. 1.9. Это позволяет уменьшить емкость, вносимую в цепь защиты, за счет того, что емкость дополнительного диода <Сд) обычно не более 7 пф и при емкости защитного диода (С), доходящей до 1500 пФ, общая емкость для последовательной цепи в этом случае получается:

Диоды TRANSIL, TVS и TRISIL

Аналогично дополнительный (быстродействующий) диод можно установить и в цепь обычного TVS-диода — в этом случае удастся снизить вносимую в линию емкость до значений менее 30 пф.

Кроме одиночных сапрессоров, выпускается много различных микросборок, где в одном корпусе находится несколько однотипных элементов, соединенных наиболее удобным для монтажа способом.

Диоды, выпускаемые под торговой маркой TRISIL, разработаны фирмой SGS-Thomson в 1983 г. Они предназначены главным образом для защиты от перенапряжений электронного оборудования в области телекоммуникаций.

Диоды TRISIL выпускаются только в двунаправленном исполнении и подключаются параллельно защищаемой цепи. Вольт-ам-перная характеристика TRISIL-диодов напоминает характеристику симметричного динистора, рис. 1.10 (условное обозначение диодов показано на графике).

Таблица 1.5. Защитные TVS-диоды фирмы SGS-Thomson

(рррм = 1500 Вт> корпус D0-2Q1)

Напряжение пробоя Ubr, В

Тест, ток пробоя Іт, мА

непряжение UwM, В

Макс. имп. ток ограничения Ірр, А

Макс. напряжение ограничения при Ірр, Uc, В

Таблица 1.6. Защитные TVS-диоды фирмы General Semiconductor

(Рррм = 400 Вт, корпус DO-2Q4)

Напряжение пробоя Ubr, В

Постоянное обратное напряжение U, В

Макс. имп. ток ограничения Ірр, А

Макс. напряжение ограничения при Ipp, Uc, В

Таблица 1.7. Защитные TVS-диоды фирмы Vishay Lite-On (Рррм = 600 Вт, корпус D0-204 — аналогичные производит фирма General Semiconductor)

Напряжение пробоя Ubr, В

Тест, ток пробоя ІТі мА

напряжение Uwm> В

Макс. имп. ток ограничения Ірр, А

Макс. напряжение ограничения при Іррі Ucj В

Таблица 1.8. Защитные TVS-диоды производимые фирмой General

Semiconductor (Рррм = 1500 Вт, корпус DQ-201)

Напряжение пробоя Vbr, В

Тест, ток пробоя Іт, мА

Постоянное обратное напряжение Uwm. В

Макс. имп. ток ограничения Ірр, А

Макс. напряжение ограничения при Ірр, Uc, В

В рабочем состоянии через диод протекает незначительный ток — он не должен никак влиять на цепь защиты. При превышении напряжения порогового значения (UBr) сопротивление диода скачкообразно изменяется и происходит ограничение напряжения. Работа на этом участке вольт-амперной характеристики (UBr — UBo) сходна с работой двунаправленного диода TRANSIL. При дальнейшем незначительном увеличении напряжения происходит резкое снижение сопротивления до десятков Ом, что практически закорачивает цепь.

Для описания характеристик TRISIL-диодов используют параметры:

Urm (Uwm) — максимальное постоянное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через диод, не вызывает его повреждений (для данного напряжения указывается соответствующий ток в цепи lRM);

Рис. 1.11. Внешний вид и габариты корпусов TRANSIL-диодов для поверхностного и обычного монтажа

Необходимо также знать и то обстоятельство, что нельзя использовать защит-ные диоды в качестве быстродействующих выпрямительных элементов, поскольку они имеют большой ’остаточный заряд и, соответственно, длительное время восстановления.

Электронные модули

Для замены не очень надежных мощных газоразрядников выпускаются твердотельные защитные устройства, рассчитанные на большие токи. Такие элементы отличаются более высоким быстродействием и надежностью, чем это могут обеспечить разрядники (последнее — во многих случаях является главным). Обычно защитные электронные модули выполняются на TVS-тиристоре со схемой, управляющей порогом срабатывания, или же на основе других специальных элементов, имеющих аналогичный принцип работы.

В последнее время все больше появляется разработок различных защитных модулей и для низковольтных цепей. Так, напри-

Мер, фирма Maxim для защиты USB-портов и USB-хабов выпускает Микросхемы MAX893L, МАХ1693 и МАХ1694, которые являются быстродействующими (1 мкс) ограничителями напряжения и тока. В данном разделе этот довольно большой класс компонентов мы рассматривать не будем из-за их относительно высокой стоимости И ограниченных областей применения.

Литература: Радиолюбителям полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.

  • Параметры диодов КА136, KA206, KA207, KA221-KA225, KA261-KA267, KA501-KA504
  • Схема модулятора стекла на КМОП микросхемах
  • Защита компьютерной сети на основе витой пары UTP
  • Быстродействующая защита от помех в радиоаппаратуре

Обозначение на схеме.

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

Обозначение на схеме защитного диода

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.

Принцип работы супрессора

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).

Схема включения двунаправленного защитного диода

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

Схема включения однонаправленного супрессора

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.

Принцип работы супрессора:

Супрессоры имеют нелинейную вольтамперную характеристику. При превышении амплитуды электрического импульса максимального напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя.

При поступлении на вход электрического импульса, диод ограничивает данный импульс напряжения до допустимой величины, а “излишки” энергии отводятся через диод на «землю». Более наглядно процесс выглядит на рисунке 2.

Принцип работы супрессора

Рис.2. Принцип работы защитного диода.

На практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя в работе минимально.

На случай, если ожидается появление больших перенапряжений в следствии малого импеданса, в цепь рекомендуется включить предохранитель.

Супрессоры характеризуются хорошим быстродействием, то есть время срабатывания данных диодов мало, что является одной из главных причин их широкого использования.

На рисунке 3 представлены схемы включения диодов TRANSIL с предохранителем.

Схема симметричного диода с предохранителем

Схема несимметричного диода с предохранителем

Рис.3. Схемы включения защитных диодов с предохранителем (а — симметричного. б — несимметричного).

Применение:

Супрессоры специально предназначены для защиты от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защиты мощных транзисторов и тиристоров и т д.

Широко применяются такие диоды в импульсных источниках питания. Диоды TRANSIL удобно использовать как для защиты биполярных так и МОП-транзисторов. Супрессоры можно использовать для защиты как управляющего электрода МОП-транзисторов, так и для защиты самого p-n перехода.

При этом стоит всегда учитывать характер импульсов перенапряжения — однократные или периодические.

TestingControl 2023

Выставка ExpoElectronica 2023 состоялась в Москве

Выставка Testing

  • IR или I обр. (измеряется в микроамперах) – значение постоянного обратного тока утечки, который, как правило, не оказывает существенного влияния на работу схемы;
  • VCL, VC или U огр. имп. (измеряется в Ваттах) – значение максимально допустимого импульсного ограничения напряжения;
  • VBR или U проб. (измеряется в Ваттах) – обозначает напряжение пробоя, при котором супрессор напряжения отводит опасный импульс тока на общий провод;
  • VRWM или U обр. (измеряется в Ваттах) – обозначает параметр постоянного обратного напряжения;
  • IPP или I огр. мах. (измеряется в амперах) – параметр предоставляет информацию о максимальном пиковом импульсном токе. То есть, о том, какое значение способен выдержать лавинный диод.
  • Чтобы определить значение максимальной импульсной мощности, потребуется перемножить значение максимального пикового импульсного тока со значением максимального импульсного напряжения ограничения. Важно понимать, что все характеристики супрессора являются таковыми только в конкретных температурных условиях, поскольку при более высоких температурах токи, а также допустимая пиковая мощность будут непременно уменьшаться.

    ВАХ защитного диода

    Особенности защитных диодов

    Среди особенностей защитных диодов выделяют ряд пунктов:

    • предоставляется максимально возможный показатель по уровню рассеиваемой мощности;
    • возможность стабильного функционирования в условиях воздействия обратного напряжения;
    • должен соблюдаться минимально возможный уровень скорости реакции на быстрое критическое воздействие;
    • чтобы не оказывать влияния на функциональность прибора, обратные токи должны соответствовать действительно минимальным показателям.

    Несмотря на высокую эффективность, супрессор нельзя назвать стопроцентным защитным ограничителем. Во-первых, в положении «выключено» такие приборы характеризуются значительными обратными токами. Во-вторых, в ограничивающем режиме в прямую зависимость от силы тока попадает уровень напряжения. В-третьих, нельзя забывать о сильной зависимости максимальной импульсной мощности от продолжительности импульса (длительности).

    Для усовершенствования схемы существует практика последовательного соединения нескольких полупроводников, что дает увеличение мощности. Защитные диоды TVS часто используют совместно с самовосстанавливающимися предохранителями либо в специальных сборках, в которые уже включены предохранители такого типа.

    Основные электрические параметры TVS-диодов

    Uпроб. при IТ (V(BR)), В — значение напряжения пробоя при заданном тестовом токе пробоя IТ ;

    Iобр.( ID) , мка — значение постоянного обратного тока, протекающего через прибор в обратном направлении при напряжении, равном Vобр.;

    Vобр. (VWM), В — постоянное обратное напряжение (в соответствии с этим параметром выбирается тип ограничителя);

    Vогр. имп. мах.( VС), В — максимальное импульсное напряжение ограничения при максимальном импульсном токе при заданных длительности, скважности, форме импульса и температуре окружающей среды;

    Римп. мах.(Pppm), Вт — максимально допустимая импульсная мощность, рассеиваемая прибором, при заданных форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды.

    Таблица 2. Предельные эксплуатационные характеристики

    ПараметрОбозначениеЗначение параметраЕдиница измерения
    Макс. имп. Мощность (имп.-10/1000 мкс)
    (1)
    P
    ppm
    мин. 1500Вт
    Макс. имп. Ток (имп. -10/1000 мкс)
    (1)
    I
    ppm
    см. следующую таблицуА
    Постоянна рассеиваемая мощность при Т=75°, длине выводов 9,5ммP
    m(av)
    6,5Вт
    Макс. прямой ток, только для несимметричных диодов
    (2)
    I
    FSM
    200A
    Макс. имп. прямое напряжене при 100 А, только для несимметричных диодов
    (2)
    V
    F
    3,5/5,0V
    Температура окружающей средыТ-55…+175°С
    1. При одиночном импульсе тока и при температуре 25°С.
    2. Измеряется при воздействии одиночного импульса в виде синусоидальной полуволны длительностью 8,3 мс или эквивалентного прямоугольного импульса, с максимальной частотой следования импульсов — 4 имп/мин (метод JEDEC)
    3. VF = 3,5 B для диодов с V(BR)< 220 B, и VF = 5,0 B макс. для диодов с V(BR) > 220 B.

    Таблица 3. Электрические параметры

    Тип (JEDEC)Тип (General Semicon-ductor)Напря-жение пробоя V
    (BR) (B)
    Тест. ток про-боя I
    T (мА)
    Постоян-ное обратное напря-жение V
    WM (B)
    Макс. обр. ток при V
    WM
    Макс. имп. ток ограни-чения I
    ppm (A)
    Макс. напря-жение ограни-чения при I
    ppm V
    c (B)
    Темпер. коэф. напря-жения пробоя (%/°С)
    Макс.Мин.
    1N6267-1.5KE6.8-6,127,48105,5100013910,80,057
    1N6303A1.5KE200A*-19021011711,05,52740,108
    1.5KE440A41846213761,02,56020,110

    Примечание. В таблице указаны только параметры диодов с минимальными и максимальными значениями V
    (BR).

    Тип TVS-диода для конкретного применения выбирается, исходя из рассчитанного значения Римп. мах. с учетом длительности импульса и его формы. При этом Vобр. должно быть равно напряжению, действующему в цепи или превышать его с учетом максимального допуска.

    Обычно Римп. мах. рассчитывается с учетом воздействия импульса — 10/1000 мкс (tф =10 мкс, tи=1000 мкс) показанного на рис. 4.

    Но в реальных условиях эксплуатации в зависимости от характера перенапряжения параметры импульса могут иметь другие значения. Поэтому во многих международных и национальных стандартах указаны иные параметры импульса. Например, в стандарте МЭК 801-5 для линий передачи данных описан импульс перенапряжения с формой 1,2/50 мс.

    Рисунок 5 иллюстрирует зависимость максимально допустимой импульсной мощности от длительности импульса перенапряжения для TVS-диода TRANSZORB типа SMBJ12A с Римп. мах. = 600 Вт. Обычно производители приводят подобные графики в спецификациях на все типы и серии TVS-диодов. На этом графике видно, что при увеличении длительности импульса перенапряжения свыше 1000 мкс снижается значение максимально допустимой импульсной мощности TVS-диода, и наоборот, при снижении длительности максимально допустимая мощность увеличивается. При воздействиях более коротких импульсов TVS-диод выдержит более высокий импульсный ток (IP). При длительности импульса 50 мс TVS-диод SMBJ12A выдержит импульсный ток, превышающий номинальный в 3,5 раза.

    Рис. 5. Зависимость макимально допустимой импульсной мощности от длительности импульса перенапряжения

    Этот метод может применяться для расчета значений максимально допустимой мощности и импульсного тока TVS-диодов с любыми номинальными значениями Римп. мах. (400 Вт, 500 Вт, 1,5 кВт, 5 кВт).

    Если мощность одного TVS-диода не удовлетворяет заданным требованиям по Римп. мах., их соединяют последовательно. При двух последовательно соединенных TVS-диодах мощность удваивается и т. д. Допускается последовательное соединение любого числа TVS-диодов. При этом разброс по Vпроб. каждого прибора не должен превышать 5 % , что гарантирует равную нагрузку на последовательно соединенных приборах. Если невозможно достичь нужной мощности при последовательном соединении, допускается параллельное соединение. Для гарантированной загруженности приборов по мощности необходимо точное их согласование по Vогр. (не более 20 мВ). Допускается также смешанное соединение TVS-диодов.

    TVS-диоды наряду с основным назначением могут использоваться как стабилитроны (диоды Зенера). При этом необходимы дополнительные данные по значениям максимально допустимой постоянной рассеиваемой мощности и динамическим сопротивлениям при минимальном и максимальном токах.

    За рубежом TVS-диоды впервые были разработаны в 1968 году фирмой GSI (General Semiconductor Industries) для защиты устройств связи от грозовых разрядов. В дальнейшем этой фирмой были созданы TVS-диоды с напряжением пробоя от 6,8 до 200 В с импульсной мощностью 1,5 кВт для защиты авиационного оборудования, аппаратуры связи от воздействия ЭМИ искусственного происхождения, для защиты микросхем от внутренних электрических нагрузок по напряжению, от статического электричества, а также TVS-диоды с малой индуктивностью и емкостью. В настоящее время в мире выпускается около 3000 типономиналов TVS-диодов с импульсной мощностью от 0,15 до 60 кВт на напряжение пробоя от 6,0 до 3000 В.

    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.

    Дискретные TVS-диоды TRANSZORB предназначены для защиты чувствительных электронных компонентов от импульсных перенапряжений, вызываемых электростатическими, коммуникационными и грозовыми разря- дами. Все серии дискретных TVS-диодов выпускаются с гибкими выводами для монтажа в сквозные отверстия, в пластиковом корпусе с защитой полупроводникового перехода пассивирующим слоем стекла. Рекомендуемая температура пайки диодов — 265 °C/10 с.

    Они характеризуются широким диапазоном рабочих напряжений (от 5,0 до 376 В) и напряжениями ограничения (от 6,0 до 440 В), малым временем срабатывания (для симметричных диодов — 1×10-9 с), способностью подавлять импульсы перенапряжений высокой мощности (до 1500 Вт при форме импульса 10/1000 мкс). Это позволяет использовать их для защиты телекоммуникационного оборудования, цифровых интерфейсов и др. в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки.

    TVS-диод: предназначение прибора + технические характеристики

    Фактически цель TVS-диода, устанавливаемого на входе электрической схемы — минимум влияния на процесс в моменты номинальной работы. Лишь в условиях переходного перенапряжения, прибор немедленно проводит и шунтирует ток на землю, поддерживая тем самым напряжение схемы на безопасно низком уровне.

    Как выбрать TVS-диод - защита электрической схемы

    По сути, TVS-диоды обладают вовсе не идеальными характеристиками, что необходимо учитывать, чтобы обеспечить надёжную защиту и минимальное воздействие на электрическую схему. Отсутствие фактора идеальности в какой-то степени сопоставимо с диодами ESD. Однако, поскольку диоды защиты от импульсных перенапряжений более важны для надежности электрической схемы, эти приборы требуют дополнительного внимания при выборе.

    Как выбрать TVS-диод для электрической схемы?

    Знакомство с техническими данными на TVS-диоды сопровождается несколькими важными характеристиками, которые способны ввести в заблуждение электрика (электронщика) с малым опытом. Отметим эти ключевые параметры с последующим более подробным рассмотрением, дабы определить степень важности конструкции защиты.

    Параметр #1: Приложенное напряжение (VRWM)

    Приложенное напряжение, при котором утечка тока TVS-диода минимальна. Обычно этот параметр выражается в наноамперах.

    Обратное рабочее максимальное напряжение (VRWM) определяется как напряжение, приложенное к TVS-диоду с гарантией минимальной утечки тока в результате нагрузки рабочего процесса или перегрева. Определение «утечки тока» зависит от производителя прибора, но обычно значение здесь составляет RWM позволяет проектировщику выбрать TVS-диод, обладающий минимальной утечкой в рабочих условиях.

    На практике конструирования (сборки схем) рекомендуется выбирать параметр VRWM несколько выше ожидаемого максимального рабочего напряжения. Если приложенное напряжение поднимается выше VRWM, существует вероятность значительного увеличения утечки тока через диод. Например, если защищенная линия работает при номинальном напряжении 5 вольт с максимальной дисперсией до 7 вольт, следует убедиться в том, что параметр VRWM составляет 7 вольт или несколько больше.

    Параметр #2: Напряжение пробоя (VBR)

    Речь идёт о величине напряжения, при которой TVS-диод начинает проводить ток. Эта величина обычно определяема при утечке 1 мА. Параметром VBR определяется точка перегиба диодной кривой, где утечка увеличивается экспоненциально, что обычно характеризуется точкой «включения» диода.

    В отличие от характеристики VRWM, характеристика VBR указывает значение постоянного тока, которое может значительно смещаться в зависимости от рабочего процесса и температуры. Соответственно характеристика определяется минимальным и максимальным значением.

    Распространенной ошибкой проектировщиков является уверенность в том, что номинальные системные напряжения ниже VBR обеспечат низкую утечку тока. Это не так, поскольку параметр VBR может сдвигаться и даёт относительно высокую определенную утечку при токе 1 мА.

    Соответственно, следует убедиться, что номинальное напряжение остаётся ниже значения VRWM, но не VBR, чтобы тем самым обеспечить очень низкую утечку для разрабатываемой электрической (электронной) схемы.

    Параметр VBR всегда выше VRWM, поэтому, когда TVS-диод имеет правильно поставленный VRWM, характеристика VBR не вызовет значительной утечки тока. В условиях скачка напряжения VBR — это напряжение, при котором TVS-диод начнет фиксировать уровень, поэтому более низкое значение VBR даст меньшее ограничение и лучшую защиту при сравнении двух TVS-диодов с одинаковой характеристикой RDYN.

    Параметр #3: Максимальный ток (IPP)

    Максимальный ток (с учётом определённой формы волны), который TVS-диод способен выдержать до момента выхода из строя. Пиковый импульсный ток (IPP) определяется как максимальный импульсный ток, шунтируемый до момента перегрева и выхода прибора из строя.

    Следует помнить — скачок напряжения характеризуется максимальным током IPP и является критическим значением. Этим значением определяется, способен ли конкретный TVS-диод пропустить нагрузку без каких-либо повреждений. Необходимо удостовериться при выборе, что значение IPP прибора больше, чем пропускаемый пиковый импульсный ток.

    TVS-диоды повреждаются избыточным током, но не избыточным напряжением. Соответственно, при выборе TVS-диода указанный параметр IPP (величина импульсного тока) определяет требования. При выборе TVS-диода обязателен учёт снижения номинальных характеристик IPP по перегреву. У многих TVS-диодов эти характеристики уменьшаются до 80% от номинального значения при повышении нагрева до 105 — 125°C.

    Все спецификации на выбираемые TVS-диоды должны включать график, показывающий пиковую рассеиваемую мощность в зависимости от температуры. Этот график необходимо использовать для расчета значения IPP.

    Чем короче импульс эталонной формы волны, тем выше IPP. Следовательно, важно убедиться, что значение IPP относится к той же форме волны, что и условия тестирования. Если таблица данных не определяет параметр относительно конкретной формы волны, обычно имеется таблица данных кривой, которая показывает пиковую мощность импульса (рассчитанную как IPP × VCLAMP) по длине импульса.

    Это уже позволяет приблизительно определить IPP для заданной длины импульса. Однако методика в данном варианте отличается неточными показателями. Рекомендуемая практика — использовать TVS-диод, где параметр IPP привязан к точной форме волны.

    Параметр #4: Динамическое сопротивление (RDYN) и напряжение фиксации (VCLAMP)

    Эти два параметра рассматриваются совместно, потому что RDYN является внутренним свойством диода, а VCLAMP важной спецификацией системы. Все TVS-диоды имеют некоторое внутреннее сопротивление, определяемое как RDYN. В момент протекания тока через прибор, напряжение, измеренное на выводах диода, определяется как:

    Характеристика VCLAMP определяет напряжение, которому система будет подвергаться во время скачка напряжения. Чем ниже VCLAMP, тем меньше вероятность того, что защищённая система откажет по причине электрического перенапряжения. Если параметр VCLAMP нарушает абсолютное максимальное напряжение системы входных цепей, сбои становятся возможны, даже если TVS-диод шунтирует ток.

    Как выбрать TVS-диод для защиты электрической схемы - динамический режим

    Эффективная конструкция защиты — это выбор TVS-диода, обладающего достаточно низким значением VCLAMP. Такой выбор позволяет обойтись без компонентов, устойчивых к высокому напряжению, но которые являются дорогостоящими и обладают худшими характеристиками. Поскольку значение VCLAMP в значительной степени определяется RDYN, выбор диода, обладающего более низким значением RDYN, становится очевидным.

    Характеристика VCLAMP всегда будет указываться в техническом описании диода TVS относительно ISURGE и эталонной формы волны, аналогично IPP. Следует проявлять осторожность при сопоставлении условий тестирования, указанных в листе данных, с рабочими условиями.

    Это обусловлено тем, что значение VCLAMP будет значительно отличаться в зависимости от условий. К тому же характеристика RDYN не всегда указывается в технических данных TVS-диодов. Если это значение не указано, допустимо приблизительно рассчитать параметр посредством формулы:

    После вычисления RDYN можно рассчитать VCLAMP для любого испытательного тока, при условии, что этот ток относится к той же форме волны. Если RDYN или VCLAMP необходимы по отношению к другой форме сигнала, способа легко вычислить эти значения не существует. Тогда выход из положения — поиски TVS-диода, обладающего нужными величинами для данной формы сигнала.

    Параметр #5: Полярность приборов

    Существуют TVS-диоды однонаправленного и двунаправленного действия. Эта разница проявляется на кривых ток / напряжение приборов.

    Как показывают кривые ток / напряжение, однонаправленные TVS-диоды имеют отрицательное напряжение пробоя чуть ниже 0 вольт. Двунаправленные TVS-диоды имеют симметричное напряжение пробоя между положительным и отрицательным направлениями.

    Этот момент означает, что если сигнал всегда нормально-положительный, допускается использовать однонаправленный TVS-диод. Однако когда сигнал способен измениться на нормально-отрицательный, следует использовать двунаправленный TVS-диод.

    Компромисс здесь заключается в том, что отрицательная характеристика VCLAMP однонаправленного TVS-диода намного лучше, чем VCLAMP двунаправленного TVS-диода по причине более низкого значения VBR. Требуется обращать внимание на рабочий диапазон электрической схемы для правильного выбора полярности TVS-диода.

    Параметр #6: Ток утечки (ILEAK) и паразитная ёмкость

    TVS-диоды, как и прочие аналоговые компоненты, обладают током утечки (ILEAK) и паразитной ёмкостью. Идеальный TVS-диод не повлияет на схему с параметром ниже VRWM. Однако ток утечки и ёмкость реальных TVS-диодов могут иметь достаточно высокие показатели и, соответственно, оказывать влияние на схему, если эти значения не учитывать. В частности, для TVS-диодов с более низким напряжением, токи утечки могут достигать значения 1 мА, а ёмкость превышать 1000 пФ.

    Для работы некоторых схем это несущественно, но для других достаточно критично. Например, в схемах с батарейным питанием постоянная утечка тока 1 мА сопровождается значительным потреблением энергии. В свою очередь на защите точных входов высокая ёмкость снижает отношение сигнал / шум.

    Необходимо убедиться, что эти паразитные элементы учтены и приемлемы, когда выполняется проектирование схемы защиты. Понимание отмеченных спецификаций позволяет разработчику быстро выбрать подходящий TVS-диод для схемы с гарантией, как надёжной работы, так и минимального воздействия на функциональность.

    Супрессор, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, ограничитель напряжения для конденсаторной контактной сварки

    В прошлом обзоре контактной сварки я ее чуть доработал, но скорее всего доработал ее не в ту сторону. Я сделал так, что полевые транзисторы стали закрываться быстрее, но в комментариях мне показали что при этом сильно увеличиваются индуктивные выбросы, которые убивают транзисторы. Я думаю что это основная причина выхода из строя полевых транзисторов в сварках такого типа. Я начал собирать сварку на конденсаторах на 100 вольт и чтоб при этом не взрывались транзисторы, решил разобраться с этим вопросом.

    Если транзисторы закрываются медленно, то они могут греться, так как долго находятся в линейном режиме. Но если они закрываются быстро, то из-за индуктивности проводов и большого тока возникают индуктивные выбросы, выглядит это как-то так:
    На фото при закрытии транзисторов появляется пик с амплитудой вольт 25. Если токи будут больше, то индуктивные импульсы будут больше, они могут превысить максимальное напряжение транзистора и его пробьет. Что и происходит у многих, когда они укорачивают провода сварки. Я тоже укоротил и усилил провода и захотел защитить сварку. Заказал два лота супрессоров, SMDJ13A и SMDJ15CA — последний чуть на большее напряжение и двунаправленный. Пришли в пакетиках, ровно по 20 штук.
    Супрессор по принципу действия похож на стабилитрон. При заданном напряжении он открывается и берет весь ток на себя или сжигает предохранитель. Как варистор, только быстрее. То есть он должен «прожевать» этот пик. Прожевать он может 3 киловатта.
    Как можно избавиться от выбросов? Если транзисторы закрываются медленно, то греются. Если быстро, то сгорают от выбросов. А если дозировать энергию не временем, а емкостью или напряжением конденсаторов? Конденсаторы будут отдавать всю энергию в точки сварки и транзисторы будут закрываться уже когда конденсаторы разряжены, индуктивных выбросов не будет. Как бы не так.

    Я купил 7 штук К50-18 на 10 000мкФ и 100 вольт. Энергии должно хватать для сварки ленты 0.2мм. Решил попробовать на одном, есть ли эти выбросы и рабочая ли такая схема сварки.
    Собрал схему навесным монтажом. Один транзистор 75NF75 из прошлого обзора, на затвор подается напряжение 10в через педаль. Чтоб он закрывался, на G-D припаян резистор, который притягивает затвор к минусу. Блок питания заряжает конденсатор до 12в. И при этом при разряде конденсатора на шунт осциллографом явно видны выбросы до 150 вольт. Это явно может пробить полевик.
    Как-то так:
    Припаиваю супрессор прямо на язычок мосфета
    Смотрю что изменилось, слева без супрессора, справа с ним, параметры прибора одинаковые:
    Явно видна разница, супрессор срезает пик и он становится шире. Поменял параметры, чтоб рассмотреть процессы подробнее:
    На осциллограмме видно, что при разряде конденсаторов на точки сварки падает напряжение, потом примерно через 150 мс прилетает индукция и всплеск до 35В. Примерно такая же картина на прошлых фото. То есть супрессор срезает пик 150 вольт до 32-36 вольт. С одной стороны он должен срезать до 21.5 вольта при максимальном для него токе, 36 как-то много. С другой стороны 35 лучше чем 150. Заказал супрессоры на 80 вольт чтоб попробовать на большем напряжении и уже можно было пробовать объединять транзисторы конденсаторы и пробовать варить.

    На фото TVS-диод припаян к транзистору одним контаком через провод. Если измерять напряжение осциллографом прямо на супрессоре, то напряжение скачет до 35 вольт. Если измерять на транзисторе, то есть с учетом провода, то будет до 45 вольт. То есть супрессор нужно припаивать максимаьно близко к стоку и истоку полевиков, а не вешать на тонких длинных проводах.

    Конденсатор разряжался на шунт 500А — 75мВ через провода сечением всего 1.5мм, чтоб не создавать больших нагрузок на транзистор. При этом оциллограф видел на шунте пик напряжения около 220мА, то есть пиковый ток около 1,3КА. Это при 12В и тонких проводах. А что будет при напряжениях до 80В и проводах потолще?

    Почему бы не попробовать срезать всплески с платы из прошлого обзора, в котором мне указали на эти иголки? На обратной стороне платы есть места для припаивания еще 5 транзисторов, я припаял туда один супрессор.
    Попробовал варить от LiPo аккумулятора — варит лучше, так как я заменил разъем XT60 на XT90 и укоротил, усилил и пропаял провода.
    На первом режиме — около 4 мс плата нормально варит стальную ленту 0,15
    Где-то через 10 пар точек, пока я пытался поймать осциллографом пики и иголки индуктивных импульсов, плата бахнула. Я думал что пробило транзисторы, но пробило супрессор. У него оторвало середину и он был в КЗ. Выпаял его, плата работает.
    В общем супрессоры рекомендую, они реально убирают индуктивные всплески при точечной сварке постоянкой. Но есть нюансы, надо изучать и тестировать. На последней плате похоже одного мало, он не смог переварить импульс, надо напаивать пачку. Продолжение следует…

    Добавить в избранное Понравилось +72 +95

    • 27 мая 2023, 22:36
    • автор: darken123
    • просмотры: 10226
    Оцените статью
    TutShema
    Добавить комментарий