Как выбрать TVS-диод для защиты электрической схемы?

Электрические системы промышленного назначения нередко требуют защиты входных цепей. Здесь важный момент — как выбрать TVS-диод, является определяющим. Именно упомянутый прибор, как правило, видится оптимальным для защиты входов электрической схемы от значительных по силе переходных импульсов. Таковые могут наводиться расположенным поблизости оборудованием, ударами молнии, скачками электрического напряжения.

TVS-диоды на подавление переходных электрических процессов

Разработаны и применяются большое число компонентов, как пассивных, так и активных, способных обеспечить защиту от импульсов (скачков) напряжения на входе электрических схем. Защита, в частности, предполагает:

1. Рассеивание энергии короткого замыкания.
2. Шунтирование импульсного тока.

Здесь, помимо TVS-диодов, шунтирование тока реализуется за счёт использования приборов:

• металлооксидных варисторов (MOV),
• газоразрядных трубок (GDT),
• искровых разрядников,
• RC-фильтров.

Однако каждый прибор списка обладает определёнными недостатками. Конечно же, TVS-диоды не идеальное решением. Но этот тип приборов, как правило, является наиболее эффективным вариантом защиты от импульсных токов величиной 2 — 250 А.

Газоразрядные трубки, металлооксидные варисторы и тиристоры обычно предпочтительны для более высоких уровней рассеивания перенапряжения. В свою очередь RC-фильтры видятся оптимальными для более низких значений рассеивания перенапряжения.

Между тем, для электриков и электронщиков, малознакомых с защитными диодами и техническими характеристиками этих приборов достаточно сложно определиться с выбором. Поэтому ниже рассматривается тема: как выбрать TVS-диод для защиты от перенапряжения, создавая тем самым более надежную электрическую схему.

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.

Как выбрать TVS-диод для электрической схемы?

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

Параметр #1: Приложенное напряжение (V_RWM)

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

Обратное рабочее максимальное напряжение (V_RWM) определяется как напряжение, приложенное к TVS-диоду с гарантией минимальной утечки тока в результате нагрузки рабочего процесса или перегрева. Определение «утечки тока» зависит от производителя прибора, но обычно значение здесь составляет <100 нА. Спецификация V_RWM позволяет проектировщику выбрать TVS-диод, обладающий минимальной утечкой в рабочих условиях.

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

Параметр #2: Напряжение пробоя (V_BR)

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

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

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

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

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

Параметр #3: Максимальный ток (I_PP)

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

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

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

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

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

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

Параметр #4: Динамическое сопротивление (R_DYN) и напряжение фиксации (V_CLAMP)

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

V_CLAMP = V_BR + I_SURGE × R_DYN

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

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

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

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

R_DYN = (V_CLAMP — V_BR) / I_SURGE

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

Параметр #5: Полярность приборов

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

Создание надежного продукта — одна из самых важных и сложных задач, которую предстоит решить разработчику схем. Самая важная часть — обеспечение защиты от кратковременных скачков напряжения, способных разрушить оборудование, привести к отказу. Защита от перенапряжения, однако, возможна и работает эффективно, если внимательно изучить спецификации TVS-диодов и применить на практике.

---

При помощи информации: TI