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:

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.

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.

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.

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.

Введение

Любое высоконадежное электронное оборудование промышленного назначения, разработанное с применением полупровод­никовых приборов (микропроцессоров, цифровых и аналоговых ИС), требует наличия схем защиты от электрических перегрузок. Перегрузки имеют различную природу и отличаются по уровню мощности, наиболее опасными среди них являются перепады напряжения, представляющие собой случайные пульсации с амплитудами бóльшими, чем рабочие напряжения в цепи. Они возникают в результате воздействия кратковременных электромагнитных импульсов естественного (мощные грозовые разряды) или искусственного (излучение радиопередающих устройств, высоковольтных линий передачи) происхождения, а также за счет внутренних переходных процессов, вызванных коммутацией емкостных или индуктивных нагрузок (электродвигатели, генераторы) и электростатическими разрядами (ESD). Влияние электромагнитных импульсов любого происхождения приводит к изменению параметров электронных компонентов как за счет непосредственного поглощения энергии, так и вследствие воздействия на них индуцированных в электрических цепях оборудования импульсов напряжения и тока.
Самые распространенные причины перенапряжений — грозовые и статические разряды.

Для испытания электротехнической аппаратуры на устойчивость к воздействию данных факторов применяют IEC 61000 — наиболее признаваемый в настоящее время международный стандарт, определяющий уточненные параметры тестовых сигналов. Их характеристики были получены в результате многочисленных измерений с использованием общепринятых методов мониторинга. На рис. 1 приведены типовые формы импульсов, соответствующие грозовым (стандарт IEC 61000-4-5) и электростатическим (IEC 61000-4-2) разрядам.

Рис. 1. Характеристики импульсов тока, вызванных: а) грозовым разрядом; б) электростатическим разрядом

Разряды молний характеризуются высокоэнергетическими импульсами с длительностью от нескольких десятков до тысяч микросекунд и очень большими токами (десятки килоампер). Прямое попадание молнии — разрушительное, но достаточно редкое явление. Гораздо чаще вред приносит создаваемое при разряде магнитное поле, генерирующее импульсы помехи в близлежащих электротехнических объектах (электрических кабелях линий передачи и т. п.). Так, молния «облако-облако» может стать причиной возникновения паразитного напряжения амплитудой до 70 В в электрическом кабеле, удаленном на расстояние 1,6 км от источника [1].

Человеческое тело — отличный аккумулятор статического напряжения. По мере активной деятельности статический заряд накапливается на теле человека, разряд происходит при контакте с токопроводящим объектом. Также сетевые провода способны накапливать потенциал при работе, электростатический разряд в этом случае происходит в момент присоединения кабеля к разъему. Амплитуда электростатических разрядов может достигать 35 кВ, возбуждаемый сигнал имеет длительность фронта около 1 нс. Хотя энергия, выделяемая при возбуждении такого импульса, невелика, чрезвычайно малое время нарастания и большое пиковое значение выброса напряжения могут вызвать катастрофическое разрушение устройств, выполненных на дискретных полупроводниковых приборах и интегральных схемах. К примеру, в МОП-структурах точечный пробой оксидного слоя и, соответственно, ухудшение его диэлектрической прочности приводит к перегреву и разрушению затвора даже при незначительной рассеиваемой мощности. Это, в свою очередь, сокращает срок службы электронного оборудования или вовсе выводит его из строя.

Современные цифровые и аналоговые микросхемы сами по себе, как правило, имеют специальные защитные цепи, обеспечивающие проводящие пути для устранения помехи. Однако они не в состоянии справиться с большими токами. Кроме того, учитывая современную тенденцию к миниатюризации, сложно реализовать достаточный уровень защиты только с помощью встроенных цепей, так как их параметрами приходится жертвовать в угоду улучшения ключевых рабочих характеристик и снижения энергопотребления. Согласно прогнозам EOS/ESD-ассоциации, в дальнейшем ИС не будут содержать схемы, ограничивающие ESD-импульсы с амплитудой выше 2 кВ [2]. Поэтому для соответствия требованиям IEC 61000 и вывода на рынок конкурентоспособной продукции в дополнение к интегрированной необходимо проектировать и внедрять внешнюю защиту.

На рынке предлагается множество приборов, обеспечивающих хорошую защиту от перенапряжения, но, чтобы выбрать наиболее эффективные для конкретного применения, нужно тщательно сопоставить их параметры с учетом рабочих условий системы. Помимо традиционных плавких предохранителей, простейших LC- и RC-фильтров, широко используются специализированные приборы — газовые разрядники, металлооксидные варисторы и TVS-диоды (Transient Voltage Suppression), в разных источниках также называемые супрессорами, защитными диодами и полупроводниковыми ограничителями напряжения. Каждый из перечисленных защитных элементов имеет достоинства и недостатки (табл. 1).

Таблица 1. Сравнение параметров специализированных приборов защиты от перенапряжений

Газовые разрядники служат для защиты оборудования от самых мощных помех, они применяются в качестве первичной защиты телекоммуникационных и силовых цепей. Значение пиковых токов у них достигает тысяч ампер, при этом число срабатываний оказывается достаточно большим. Среди недостатков можно отметить высокое напряжение включения, значительные габариты и низкое быстродействие. Продолжительное время срабатывания (более 0,15 мкс) не решает проблемы защиты многих полупроводниковых приборов и микросхем.

Варисторы, благодаря высокому соотношению пиковых токов и габаритов, оптимальны для создания максимально компактных решений при защите от мощных помех. Обладающие широким диапазоном рабочих токов и напряжений, они успешно служат для защиты электронных компонентов на печатной плате, одной из основных областей применения является автомобильная электроника. К недостаткам относятся ограниченный срок службы и большая собственная емкость (тысячи пикофарад), не допускающая их включение в высокоскоростные линии передачи данных.

TVS-диоды, имеющие наименьшие значения напряжений ограничения и самое быстрое время срабатывания среди всех перечисленных компонентов, могут применяться в низковольтных цепях. Они хорошо подходят для защиты полупроводниковых приборов или для организации оконечной ступени в комбинированных защитных устройствах. Среди других очевидных достоинств — высокая долговечность и надежность, широкий диапазон рабочих напряжений, а также возможность получения компактных многоканальных решений в корпусах для планарного монтажа. Низкая собственная емкость, не влияющая на сигнальные и логические линии, позволяет устанавливать их в различных коммуникационных интерфейсах.

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.

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

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.

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.

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

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.

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

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

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.

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

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.

Маркировка и основные параметры

Маркировка варисторов отличается, поскольку каждый производитель этих радиокомпонентов имеет право устанавливать ее самостоятельно. Это, прежде всего, связано с его техническими характеристиками. Например, различия по напряжениям и необходимым уровням тока для его работы.

Вам это будет интересно Описание принципиальной электрической схемы с примером

Среди отечественных наиболее распространенным является К275, а среди импортных — 7n471k, 14d471k, kl472m и ac472m. Наибольшей популярностью пользуется варистор, маркировка которого — CNR (бывают еще hel, vdr, jvr). Кроме того, к ней прикрепляется цифробуквенный индекс 14d471k, и расшифровывается этот вид обозначения следующим образом:

1. CNR — металлооксидный тип.
2. 14 — диаметр прибора, равный 14 мм.
3. D — радиокомпонент в форме диска.
4. 471 — максимальное значение напряжения, на которое он рассчитан.
5. К — допустимое отклонения классификационного напряжения, равное 10%.

Их основные характеристики:

1. Напряжение классификации — значение разности потенциалов, взятое с учетом того, что сила тока, равная 1 мА, протекает через варистор.
2. Максимальная величина переменного напряжения — является среднеквадратичным значением, при котором он открывается и, следовательно, величина его сопротивления понижается.
3. Значение постоянного максимального напряжения, при котором варистор открывается в цепи постоянного тока. Как правило, оно больше предыдущего параметра для тока переменной амплитуды.
4. Допустимое напряжение (напряжение ограничения) является величиной, при превышении которой происходит выход элемента из строя. Указывается для определенной величины силы тока.
5. Поглощаемая максимальная энергия измеряется в Дж (джоулях). Эта характеристика показывает величину энергии импульса, которую может рассеять варистор и при этом не выйти из строя.
6. Время реагирования (единица измерения — наносекунды, нс) — величина, требуемая для перехода из одного состояния в другое, т. е. изменение величины сопротивления с высокой величины на низкую.
7. Погрешность напряжения классификации — отклонение от номинального его значения в обе стороны, которое указывается в % (для импортных моделей: К = 10%, L = 15%, M = 20% и Р = 25%).

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.

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.

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.

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.