Skrót TVS pochodzi od angielskiego określenia Transient Voltage Suppressor, czyli ogranicznik przepięć. Do ochrony układów przed krótkimi skokami napięcia stosuje się różne rozwiązania, między innymi diody TVS, kondensatory bocznikujące, diody Zenera oraz warystory metalotlenkowe.
W tym artykule skupiamy się na diodach TVS. Chronią one układy scalone między innymi przed szybkimi elektrycznymi stanami przejściowymi (EFT) i wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Takie impulsy mogą uszkodzić elementy lub zakłócić prawidłową pracę całego urządzenia.
Wyjaśniamy, jak działa to zabezpieczenie, które parametry decydują o jego skuteczności i gdzie należy umieścić je w obwodzie.
Co to jest dioda Tvs?
Dioda TVS jest elementem półprzewodnikowym ze złączem P-N, przeznaczonym do ochrony wrażliwych podzespołów przed krótkotrwałymi przepięciami. W normalnych warunkach praktycznie nie wpływa na pracę obwodu, natomiast po przekroczeniu określonego napięcia zaczyna przewodzić i ogranicza impuls.
(Płytka PCB z diodami).
Charakterystyka i parametry diody Tvs
Charakterystyka
Diody TVS występują w wersjach jednokierunkowych i dwukierunkowych. Wybór zależy przede wszystkim od rodzaju chronionego sygnału oraz jego polaryzacji.
Dioda dwukierunkowa ma zbliżoną charakterystykę dla obu polaryzacji i nadaje się między innymi do ochrony linii z sygnałem przemiennym. Wersję jednokierunkową stosuje się zwykle w obwodach napięcia stałego. Diodę podłącza się równolegle do chronionego elementu lub linii.
Jednokierunkowa dioda TVS jest projektowana tak, aby bezpiecznie przewodzić bardzo wysokie prądy szczytowe. Przy polaryzacji zaporowej pracuje w obszarze przebicia lawinowego, a przy polaryzacji w kierunku przewodzenia zachowuje się jak zwykła dioda.
Parametry
Przy doborze diody TVS należy zwrócić uwagę na następujące parametry:
Napięcie wsteczne stand-off
Jest to maksymalne napięcie robocze, przy którym dioda pozostaje nieaktywna i nie powinna znacząco przewodzić.
Szczytowy prąd impulsowy
Określa największy prąd impulsu, jaki dioda może bezpiecznie przewodzić w warunkach podanych przez producenta.
Napięcie przebicia
To napięcie, przy którym dioda zaczyna przewodzić w obszarze przebicia lawinowego.
Napięcie zaciskania
To maksymalne napięcie występujące na diodzie podczas przewodzenia określonego prądu impulsowego.
(Przykład urządzeń elektronicznych wymagających ochrony przepięciowej).
Zasada działania obwodu diodowego Tvs.
Dioda TVS reaguje na przepięcie, gdy napięcie przekroczy próg przebicia lawinowego. Wtedy zaczyna gwałtownie przewodzić, przejmując prąd impulsu i ograniczając napięcie do poziomu bezpieczniejszego dla chronionego układu. Po zaniku przepięcia wraca do stanu nieprzewodzenia.
Źródłem przepięć mogą być zarówno zjawiska wewnątrz urządzenia, jak i zdarzenia zewnętrzne. Do pierwszej grupy należą iskrzenie styków oraz przełączanie obciążeń indukcyjnych; do drugiej między innymi wyładowania atmosferyczne i ESD.
Stany przejściowe trudno przewidzieć: niektóre powtarzają się regularnie, inne występują jednorazowo, a ich czas trwania i energia mogą się znacznie różnić. Dlatego ochronę należy dobrać z odpowiednim zapasem.
Diodę TVS umieszcza się równolegle do chronionej linii i możliwie blisko miejsca, przez które zakłócenie wchodzi do płytki. Krótkie, szerokie połączenie z masą ogranicza indukcyjność pasożytniczą i poprawia skuteczność ochrony.
Podczas tak zwanego zaciskania dioda ogranicza wzrost napięcia, a prąd impulsu odprowadza do masy lub drugiej szyny zasilania. Poziom napięcia na chronionym węźle zależy od napięcia zaciskania diody i impedancji całej ścieżki prądowej.
Rodzaje diod t-v-s
Diody TVS można podzielić według konstrukcji i przeznaczenia. Do najczęściej spotykanych grup należą:
Standardowe diody ograniczające napięcie
Służą do szybkiego ograniczania przepięć i ochrony wrażliwych elementów przed impulsami o dużej energii.
Diody Zenera
Diody Zenera również pracują w obszarze przebicia zaporowego, lecz zwykle służą do stabilizacji napięcia lub ochrony przed impulsami o mniejszej energii. W szybkich liniach danych trzeba dodatkowo uwzględnić pojemność elementu, aby zabezpieczenie nie zniekształcało sygnału.
Samochodowe diody TVS
Są przeznaczone do instalacji pojazdów i chronią wrażliwe urządzenia przed krótkotrwałymi impulsami występującymi w sieci zasilającej.
Diody do ochrony ESD dobiera się szczególnie pod kątem szybkiej reakcji i małej pojemności. Ograniczają krótkie impulsy elektrostatyczne, zanim dotrą one do wejść chronionego układu scalonego.
Diody Littelfuse
Littelfuse jest jednym z producentów elementów ochronnych, w tym diod TVS przeznaczonych do różnych linii zasilających i sygnałowych. O wyborze konkretnego modelu powinny decydować jego parametry, a nie sama marka.
(Przykłady elementów elektronicznych).
jak używać diod w obwodzie
Diodę TVS łączy się równolegle z chronioną linią. W obwodzie prądu stałego wersję jednokierunkową montuje się zwykle zaporowo, tak aby przy prawidłowym napięciu nie przewodziła, lecz w chwili przepięcia szybko odprowadziła prąd.
Przy normalnym napięciu dioda zachowuje się jak obwód otwarty, poza niewielkim prądem upływu. Gdy pojawia się impuls, przechodzi w stan przewodzenia i rozprasza jego energię. Po ustąpieniu zakłócenia chronione urządzenie może kontynuować normalną pracę.
(Schemat obwodu z diodą TVS).
Zastosowanie obwodów dwubiegunowych TVS
Dwukierunkowe diody TVS stosuje się między innymi w następujących obwodach:
Układy mikroprocesorowe
Urządzenia telekomunikacyjne
Linie prądu zmiennego i stałego
Pamięci MOS
Przewody danych i linie sygnałowe
Mikroprocesor wymagający ochrony przed przepięciami.
Wyciąg informacyjny
W porównaniu ze zwykłymi diodami diody TVS są zoptymalizowane pod kątem przewodzenia dużych prądów impulsowych. Większa powierzchnia złącza P-N pozwala bezpiecznie odprowadzić więcej energii, a bardzo krótki czas reakcji umożliwia ograniczenie przepięcia, zanim uszkodzi ono wrażliwe elementy.
Skuteczność ochrony zależy zarówno od właściwego doboru diody, jak i od jej rozmieszczenia na płytce. Jeśli potrzebujesz pomocy w zaprojektowaniu zabezpieczenia, skontaktuj się z nami.