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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
Области применения защитных диодов
Существуют несколько направлений, в которых может применяться супрессор:
Как правильно подобрать защитный диод?
Применение следующих правил поможет избежать проблем с покупкой защитного диода. Чтобы не ошибиться в выборе, необходимо:
Графическая кривая электрической вольтамперной характеристики однонаправленного (однополярного) супрессорного диода в процессе действия
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)
Схематичное исполнение применяемых на практике супрессорных диодов: 1 – однонаправленного действия; 2 – двунаправленного действия; 3 – массив (матрица) управляющих элементов
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
