Rambler's
Top100


Rambler's
Top100

Статьи

Применение TVS-диодов

Назад

Источники возникновения переходных процессов

Перепад напряжения — это случайные пульсации напряжения с амплитудой большей, чем рабочее напряжение в цепи. Типичное явление такого перепада может возникнуть где угодно и длиться от десятков наносекунд до нескольких миллисекунд. Для нормального функционирования РЭА опасными являются как стойкие, так и кратковременные превышения напряжения питающей сети. Известно, что в бытовой сети (220 В, 50 Гц) достаточно часто присутствуют опасные для аппаратуры высоковольтные (свыше 400 В) импульсы напряжения длительностью от десятых долей микросекунды до единиц миллисекунд.

Грозовые и статические разряды — два наиболее распространенных источника возникновения перепадов напряжения. Электростатический разряд может возникнуть, когда аккумулированный статический заряд переходит от одного объекта к другому, обладающему более низким потенциалом.

Человеческое тело является отличным аккумулятором статического напряжения. Представьте себе человека, который идет по ковру из синтетического материала в обуви с изолирующей подошвой, например, резиновой. Ковер и резиновая подошва ботинок соприкасаются друг с другом, заряд на подошвах растет, переходя, в конечном итоге, на тело человека. Когда человек вступает в контакт с токопроводящим объектом, происходит разряд.

Методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC- и RC-фильтров, а также экранов между обмотками сетевых трансформаторов, зачастую не спасают положения. Избежать негативных последствий скачков напряжения позволяют устройства защиты, которые вводятся в состав схемы и принимают на себя все удары, которые могли бы привести к отклонениям от ее нормального функционирования.

Использование элементов защиты в целях профилактики

Не только человеческое тело может быть носителем статического заряда. Например, сетевые кабели накапливают потенциал при работе, а статический разряд может произойти, когда кабель присоединяется к разъему ПК.

Профилактика электростатического разряда и его последствий заключается в использовании схем защиты чувствительных устройств от импульсных всплесков при переходных процессах. Этого можно достичь, разместив параллельно основной схеме элементы защиты — устройства гашения импульсов. К полупроводниковым приборам, применяемым в качестве устройств защиты, относят металлооксидные варисторы, полупроводниковые приборы общего назначения и специальные полупроводниковые ограничители напряжения. В течение переходного процесса ток будет протекать через устройство гашения импульсов. В свою очередь, это приведет к снижению значения переходного напряжения в основной схеме.

Устройства гашения импульсов, можно подразделить на две категории: ограничители сигнала и электронные ключи. Каждый из типов устройств оптимизирован для определенных условий переходного процесса. В качестве ограничителей и ключевых устройств выступают TVS-тиристоры и TVS-диоды.

1. Электронно-ключевые устройства

На первоначальном этапе устройства гашения импульсов (электронные ключи — TVS-тиристоры) находятся в закрытом состоянии. Это состояние длится до тех пор, пока не будет подано напряжение переключения, замыкающее ключ. По сравнению с ограничителями (см. ниже) электронные ключи способны манипулировать большими значениями экстратоков. Недостатком электронных ключей является то, что для возврата устройства в непроводящее состояние необходимо понижать значение прямого тока до определенного уровня отключения.

2. TVS-диоды

Ограничитель напряжения — это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви ВАХ с лавинным пробоем или на прямой ветви BAX. Он предназначен для защиты от перенапряжения интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и пр. У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична стабилитрону. В условиях нормальной работы ограничители являются высокоимпедансной нагрузкой по отношению к защищаемой схеме и служат для защиты цепи. В идеале устройство выглядит как разомкнутая цепь с незначительным током утечки. Когда напряжение переходного процесса превышает рабочее напряжение цепи, импеданс ограничителя понижается, и ток переходного процесса начинает течь через ограничитель. Мощность, образовавшаяся при переходном процессе, рассеивается в пределах устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода.

Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничители автоматически возвращаются в высокоимпедансное состояние. TVS-диоды — пример таких ограничителей.

На рис 1. показаны переходные процессы, возникшие в цепи в результате разряда молнии. Отчетливо видно, что ограничитель (LC03-3.3) отлично справляется со своей задачей и обеспечивает необходимую защиту от разрядов.

Основной атрибут TVS-диодов — параметр времени реакции. Время реакции на обратной ветке ВАХ (ветка лавинного пробоя) составляет несколько пикосекунд.

Влияние емкостной нагрузки, которую традиционный TVS-диод создает высокоскоростному сигналу или передаче через длинную линию, приводит к значительному ухудшению или отражению сигнала. Инновационные разработки TVS-диодов последних лет включают в себя устройства защиты, обладающие низким емкостным сопротивлением. Методы защиты на основе этих устройств делятся на три группы: низкоемкостное шунтирование, защита на основе информации о скачках напряжения и низкоемкостной мост.

Методы защиты устройств

Низкоемкостное шунтирование. Этот метод имеет преимущество перед другими методами, заключающееся в том, что емкостные элементы соединены здесь последовательно (в качестве емкостных элементов выступают компенсационный и TVS-диоды). Величина эффективной емкости двух последовательно соединенных элементов всегда меньше величины емкости наименьшего из них. В этом случае TVS-диод выигрывает за счет наличия соединенного последовательно низкоемкостного компенсационного выпрямителя. Две пары TVS+выпрямитель соединены встречно-параллельно для гарантии того, что в условиях переходного процесса компенсационный диод не перейдет в обратное смещение. Устройства, доступные сегодня, включают в себя одну или несколько пар элементов TVS+выпрямитель, в зависимости от сферы применения.

При защите высокоскоростных устройств передачи данных на основе информации о скачках напряжения используются низкоемкостные регулирующие диоды (рис. 2).

Между двух устройств, размещенных на линии в ряд, подведены два вывода с фиксированным напряжением — «земля» и опорное напряжение. В тот момент, когда импульс напряжения на линии превысит сумму прямого напряжения диода и опорного напряжения, диоды направят его на питающую шину или «землю». Достоинства этого метода — низкая емкостная нагрузка, быстрое время реакции и двунаправленность (относительно опорного напряжения). Однако есть и недостатки, заключающиеся в том, что дискретные компоненты не рассчитаны на высокие скачки тока, связанные с электростатическим разрядом (при повышении номинальной мощности диода он может выйти из строя, поскольку выпрямители обладают маленькой площадью перехода). Другая проблема этого метода — перенаправление импульса на питающую шину — может привести к повреждению компонентов источника питания. Добавив TVS-диод на питающую шину источника питания, мы легко этого избежим.

Третий метод низкоемкостной защиты — мостовая конфигурация. Мостовые выпрямители работают на уменьшение эффективной емкостной нагрузки, а также направляют входящий переходный ток через TVS-диод. Использование данной топологии позволяет защитить линии передачи данных как от помех общего вида, так и от помех при дифференциальном включении. Однако использование подобной топологии на дискретных компонентах будет рискованно в силу вышеприведенных причин. Решением будет применение интегрированного устройства, включающего в одном корпусе контролирующий всплески диодный мост и высокомощный TVS-диод.

Назад

Добавить комментарий

 
© РЕОМ, 2006
создание сайта интернет-агентство "Волекс"
Продвижение сайта - интернет-агентство "Волекс"