Tvs diode что это
Супрессор
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.
Супрессорный диод защита против напряжения
Главная страница » Супрессорный диод защита против напряжения
Супрессорный диод – полупроводник TVS (Transient Voltage Supression), как следует из перевода, обеспечивает подавление выбросов напряжения. Этот электронный компонент находит широкое применение в схемах различных современных устройств, включая компьютерное оборудование. Рассмотрим характеристику прибора с целью получения более подробных сведений о функциональности и возможностях.
TVS-диод: характеристика + обзор на супрессорный диод
Кремниевые TVS-диоды характеризуются в первую очередь наличием переход P-N, аналогичного стабилитрону. Однако переход выполнен с большим поперечным сечением, пропорциональным номинальной импульсной мощности супрессорного диода.
Эти электронные компоненты выступают шунтирующими устройствами, способными ограничивать скачки напряжения посредством низкоимпедансного лавинного пробоя P-N перехода.
На картинке ниже показана графическая кривая V — I, сильно напоминающая по форме графическую кривую стабилитрона. Но разница между электроникой здесь в том, что супрессорный диод разработан и предназначен для подавления переходных напряжений, тогда как стабилитрон выполняет функцию регулирования.
Графическая кривая электрической вольтамперной характеристики однонаправленного (однополярного) супрессорного диода в процессе действия
Импульсы большой длительности подавляются TVS-диодом за счёт увеличенной площади кристалла и свойств хорошего рассеивания тепла. Пороговые значения напряжения и мощности на супрессорном диоде допустимо увеличивать путём последовательного или параллельного соединения приборов.
Переходный процесс мгновенно шунтируется, что сопровождается не менее быстрым отводом чрезмерно сильного тока от защищаемого устройства. На картинке ниже демонстрируется простейшая схема защиты, где работает супрессорный диод, и результат отвода переходного тока на землю.
Демонстрационная схема работы однополярного TVS-диода: 1 — положительный и отрицательный входные (3) импульсы величиной 8 кВ в момент переходного процесса; 2 – импульсы положительный (12В) и отрицательный (0,6В) фиксированной формы волны на выходе (4)
Как и любой другой электронный компонент, супрессорный диод обладает электрическими характеристиками. Это своего рода набор параметров, определяющих критерии функциональности заключённой внутри прибора схемы.
Супрессорный диод — расшифровка электрических характеристик
Основными показателями электрических характеристик на супрессорный диод являются:
Напряжение холостого хода — максимальное длительное постоянное или пиковое значение, которое допускается применять в стандартном диапазоне рабочих температур. Как правило, напряжение холостого хода на 10% ниже аналогичного параметра пробоя.
Напряжение пробоя — значение, измеренное на устройстве при заданном импульсном постоянном токе на характеристической кривой V / I в месте или рядом с местом возникновения пробоя (лавины). Также этот параметр известен как значение на устройстве в области пробоя до точки переключения при заданном токе пробоя.
Ток утечки — максимальный ток, который протекает через супрессорный диод при номинальном противостоянии напряжения холостого хода для заданной температуры. Также этот параметр известен как обратный ток утечки.
Ёмкость – параметр, связанный с применениями, обусловленными высокой скоростью передачи данных. Измеряется при определённой частоте и смещении. Высокий параметр ёмкости ухудшает сигналы.
Прямое напряжение – величина на супрессорном диоде в прямом проводящем состоянии при заданном токе.
Напряжение ограничения – величина на пике, измеренная на устройстве во время приложения импульсного тока для заданной формы волны. Следует иметь в виду: ток утечки и ёмкость не должны оказывать влияние на характеристики цепи.
Супрессорный диод – типичное исполнение приборов
Супрессорными диодами ограничиваются скачки напряжения до уровня допустимой величины при помощи действия шунтирующего вентиля (схемы автоматического шунтирования выхода источника питания).
Супрессорный диод шунтирующего типа начинает проводить, когда пороговая величина превышает допустимую величину.
Схематичное исполнение применяемых на практике супрессорных диодов: 1 – однонаправленного действия; 2 – двунаправленного действия; 3 – массив (матрица) управляющих элементов
Напротив, TVS-диод возвращается в непроводящее состояние, если напряжение падает ниже порогового значения. Скачки импульсов отсекаются до безопасного уровня с помощью шунтирования.
Электронные приборы TVS-диоды являются показательными примерами шунтирующих устройств. Существуют две основные категории шунтирующих конструкций:
Супрессорный диод + функция шунтирующего действия
Шунтирующие устройства срабатывают в условиях превышения пороговых напряжений, в результате чего создают падение напряжения в открытом состоянии всего на несколько вольт. Этим процессом, собственно, и обусловлено название «шунтирующий вентиль».
Приборы TVS-диоды переходят в непроводящее состояние, когда управляющее напряжение и / или ток уменьшаются в условиях переходного процесса. Примерами устройств на основе шунтирующих вентилей являются газоразрядные трубки (GDT — Gas Discharge Tubes), а также тиристоры.
Большинство супрессорных диодов, которые используются в схемах защиты с низким энергопотреблением, имеют форму волны 8/20 мкс, как показано на картинке ниже. Приборы большой мощности характеризуются формой волны импульсного перенапряжения 10/1000 мкс.
График формы волны импульса (8/20 мкс): 1 – пиковое значение тока; 2 – временная точка; 3 – параметры формы волны; Ipp – импульсные токи; Tms – значения времени в мкс
Пиковая импульсная мощность на супрессорном диоде может составлять от 30 киловатт до 25 ватт. Номинальная мощность рассчитывается как произведение пикового импульсного тока и напряжения ограничения.
По мере уменьшения ширины импульсного импульса пиковая мощность импульса увеличивается логарифмически. Для более коротких импульсов TVS-диод способен обрабатывать более высокие пиковые импульсные токи.
Пиковая импульсная мощность импульса 3 мкс составляет примерно 1 кВт. Когда импульс скачка увеличивается, как на кривой выше до 10/1000 мкс, пиковая мощность импульса снижается до 60 Вт.
Конфигурации корпусов супрессорных диодов доступны различными размерами от больших модулей до миниатюрных изделий. Поддерживается конфигурация под условия поверхностного монтажа. Электронные супрессорные приборы надёжно защищают схемы с одной или несколькими линиями, однонаправленного или двунаправленного хода.
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Дешевые варисторы или дорогие TVS-диоды?
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.
Варисторы против TVS-диодов
Если попробовать проанализировать публикации в технической литературе, содержащие сравнительную оценку способности варисторов и TVS-диодов защищать от коротких импульсных перенапряжений наносекундного диапазона, то ничего утешительного мы из анализа этих публикаций не получим, поскольку они содержат прямо противоположные выводы. Например, в [1] TVS-диоды отнесены к быстродействующим защитным элементам, а варисторы — к медленнодействующим. В [2] TVS-диоды
отнесены к быстродействующим элементам, а варисторы к «умеренно быстрым». В [4] приведены вообще фантастические данные о быстродействии TVS-диодов: 0,01 нс, при этом отмечается, что варисторы срабатывают примерно в 50–100 раз медленнее. В [5] утверждается, что TVS-диоды имеют значительно более высокое быстродействие, в то время как в статье [6] на основе результатов экспериментальных исследований серийных образцов варисторов и TVS-диодов утверждается прямо противоположное. Из неопубликованных в открытой печати отчетов известно об экспериментальных исследованиях пригодности варисторов для защиты от ЭМИ ЯВ и о полученных положительных результатах этих исследований, вопреки многочисленным утверждениям о недостаточном быстродействии варисторов.
В связи с существующей неопределенностью и отсутствием однозначно подтвержденных данных автором были проведены самостоятельные исследования.
Испытания мощных защитных элементов в условиях, приближенных к реальным
В реальных условиях эксплуатации промышленного электронного оборудования, расположенного в металлических шкафах, к входам и выходам которого подключены длинные кабели, параметры цепей, подвергающиеся воздействию ЭМИ ЯВ, будут совершенно не такими, как в стерильных лабораторных условиях.
В связи с чем нами были проведены собственные исследования на макете, конструкция которого хоть както отражает реальные условия (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид макета с установленными испытуемыми элементами и схема испытаний
В процессе испытаний на макете менялся испытуемый защитный элемент (варистор MOV и супрессор TVS), длина соединительного проводника (0,1 и 1 м). Исследовался варистор типа B72220S0600K101 с номинальным напряжением 60 В (85 В на постоянном токе), остаточным напряжением 165 В, емкостью 3600 пФ, а также эквивалентный ему по мощности диодный супрессор типа PTVS10076TH с напряжением срабатывания 85–95 В, остаточным напряжением 140 В и емкостью 5600 пФ.
В макете использовались широко применяемые в шкафах с аппаратурой клеммные колодки, монтажный провод, печатная плата, соответствующая по размерам реальной конструкции, на которой будут установлены в шкафу защитные элементы (варисторы или TVS-диоды). Совершенно очевидно, что при такой конструкции макета его высокочастотные параметры (емкость, индуктивность, волновое сопротивление) очень далеки от совершенных и от согласованных с выходом генератора импульсов и входом осциллографа.
В связи с этим оказалась практически невозможной одновременная запись на импульсном осциллографе сигнала, подаваемого с генератора, и сигнала, остающегося на защитном элементе, таким образом, чтобы оба сигнала позволяли оценить свойства защитных элементов и сравнить их между собой, как планировалось заранее. Поэтому в процессе испытания сначала записывался калибровочный импульс с выпаянным из печатной платы защитным элементом. Потом защитный элемент возвращался на место и повторно проводилась запись сигнала без внесения каких бы то ни было изменений в схему или переключений в ней. Полученные осциллограммы показаны на рис. 2.
Рис. 2. Осциллограммы, полученные при испытании двух типов защитных элементов:
TVS-диода (TVS) и варистора (MOV) на макете с короткими проводниками (длиной 0,1 м);
RT — rise time (время нарастания переднего фронта импульса)
Калибровочный импульс, подаваемый на макет без защитного элемента, сохранял высокую скорость нарастания (rise time — RT) в диапазоне единиц наносекунд, хотя длительность импульса увеличилась до сотни наносекунд. Оба испытуемых защитных элемента срезали амплитуду входного импульса до уровня, примерно соответствующего их напряжению срабатывания. Причем скорость нарастания амплитуды импульса на этих элементах претерпела существенные изменения и уменьшилась примерно в пять раз, что можно, по-видимому, объяснить влиянием емкости самих защитных элементов.
На рис. 3 показаны результаты испытаний защитных элементов с длинным проводом на входе. Как можно видеть из представленных осциллограмм, скорость нарастания калибровочного импульса не изменилась, но скорость нарастания импульса на защитных элементах еще более уменьшилась по сравнению с коротким проводом. Как и прежде, оба защитных элемента успевают сработать и ограничить амплитуду входного импульса. Уровень ограничения напряжения несколько возрос по сравнению с предыдущим экспериментом, что связано с увеличением амплитуды напряжения входного импульса и, соответственно, тока, протекающего через защитные элементы после их срабатывания.
Рис. 3. Осциллограммы испытаний двух типов защитных элементов:
супрессора (TVS) и варистора (MOV) на макете с длинными проводниками (длиной 1 м);
RT — rise time (время нарастания импульса)
И наконец, последним тестировался варистор с длинным проводом (рис. 4). Испытания проводились с увеличенной до 2 кВ амплитудой тестового импульса. Из полученной осциллограммы можно заметить, что остаточное напряжение на варисторе значительно ниже амплитуды приложенного импульса (2 кВ), это означает, что варистор успешно сработал и срезал данный импульс. Однако нельзя не заметить, что амплитуда остаточного напряжения на варисторе впервые в эксперименте превысила, причем существенно, нормируемое в справочных данных значение (165 В).
Рис. 4. Осциллограммы работы варистора при воздействии испытательного импульса с амплитудой 2 кВ.
FWHM (Full Width at Half Maximum) — ширина импульса на половине амплитуды
Что это означает? Для ответа на поставленный вопрос нужно разобраться в том, что такое остаточное напряжение (clamping voltage) на импульсном защитном элементе, нормируемое производителем для каждого типа элемента. По логике, это должно быть напряжение, оставшееся на защитном элементе после его срабатывания, то есть то напряжение, которое будет прикладываться к защищаемому этим элементом оборудованию. Именно так и есть. Но тогда как объяснить существенное увеличение этого самого clamping voltage в нашем эксперименте относительно значения, записанного в паспортных данных варистора? Оказывается, поскольку характеристики варисторов весьма далеки от идеальных, производители пошли на маленькую хитрость и приводят в справочных данных значения clamping voltage для тока, гораздо меньшего (1% и ниже), чем тот, на который рассчитан варистор (табл. 1). А поскольку падение напряжения на защитном элементе зависит от тока, протекающего по нему, то совершенно очевидно, что для малых значений тока и clamping voltage будет небольшим. В описанном выше эксперименте импульс тока, протекающий через варистор при подаче на него напряжения 2 кВ, превысил то значение тока, при котором производитель измерял clamping voltage, и поэтому реальное остаточное напряжение на варисторе оказалось больше нормируемого. Но ведь из этого следует, что в реальных условиях эксплуатации при заранее не известной амплитуде тока, который будет протекать через варистор после его срабатывания, невозможно предварительно узнать, какое напряжение останется на нем, то есть на защищаемом оборудовании! При импульсных токах в несколько килоампер, на которые рассчитаны мощные варисторы, остаточное напряжение на них может достигать нескольких киловольт! А в случае воздействия мощного ЭМИ ЯВ эффективность защиты, построенной на основе варисторов, оказывается вообще непредсказуемой, причем вне всякой связи с их быстродействием. Но в случае с TVS-диодами такой проблемы не существует, поскольку, за редким исключением специальных типов диодов, производители указывают в паспортных данных значение остаточного напряжения при протекании через них максимального импульсного тока, на который они рассчитаны (табл. 1).