Среда, в которой мы обитаем, загрязнена не только различными химикатами, но также и помехами, вызванными всевозможными электронными компонентами. Большую часть помех создают иак называемые переходные процессы, которые возникают при отключении емкостной или индуктивной нагрузки. Данные переходные процессы не только усложняют жизнь конструкторам электронного оборудования, но и одновременно сокращает срок его службы. Именно большие перенапряжения являются опасными для электронных компонентов. Компоненты типа TRANSIL, TRISIL и TVS разработанны специально для подавления таких перенапряжений.
В шестидесятые годы, на ирландском заводе GSI, было организованно первое производство диодов, специально предназначенных для подавления перенапряжений. Вскоре подобные диоды начала выпускать фирма SGS-Thomson пол торговой маркой TRANSIL и TRISL. В настоящее время электротехнический гигант GENERAL INSTRUMENTS (GI) изготавливает диоды GSI. По некоторым сведениям, ежедневная производительность составляет 1,5 миллиона приборов, причем примерно половина выпускаемых защитных приборов, причем примерно половина выпускаемых защитных диодов имеет классическое исполнение, вторая половина изготавливается в корпусах для поверхостного монтажа (SMD). Защитные диоды производства фирмы GI имеют обозначение TVS - Transient Voltage Supressor ( подавитель напряжений переходных процессов). TVS и TRRANSIL - это различные коммерческие названия одних и тех же диодов. Обозначения обоих изделий для многоих классов диодов являются одинаковыми. В статье будет использоваться обозначение TRANSIL, поскольку оно является более приличным.
Диоды TRANSIL
Диоды TRANSIL специально предназначенны для подавления перенапряжений возникающих припереходных процессах (в наименовании диода используется чаcть слова, происходящего от английского слова transient - переходный). Основновной областью применения является защита от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защита мощных мощных транзисторов и теристорови т д .
Диоды изготывливаются как в днонапрвленом, так и в двунаправленном исполнениях. Однонаправленное исполнение применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы TRANSIL данного типа должны включаться в контур с учетом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL данного типа должны включатьсмя в контур с учетом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей. Двунаправленный диод TRANSIL может быть сотавлен из двух однонаправленных диодов TRANSIL путем их встречного последовательного включения.
В отличии от варисторов, которые таку же используются для подавления перенапряжений, диоды TRANSIL являются значительно более быстродействующими. Время срабатывания диодов TRANSIL составляет несколько пикосекунд. На рис.2 схематически изображены однонаправленые и двунаправленные диоды TRANSIL. Двунаправленые диоды TRANSIL всегда включаются параллельно защищаемому оборудованию. Сопротивление Rs представляет собой сумму всех сопротивлений, начиная от источника помех и заканчивая защищаемым оборудованием. Величина этого сопротивления влияет на выбор диода TRANSIL, поскольку нон ограничивает максимальный ток вызванный волной перенапряжения.
Изготовитель утверждает, что на практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя слишком мала. Само собой разумеется , что в цепь необходимо включить предохранители на случай, если в следствии малого инпедансаожидается появление больших перенапряжений. Хотя диод TRANSIL всегда осуществляет ограничение, в слечае контура с малым Rs диод может полностью сгореть.
Своиства диодов TRANSIL определяются следующими параметрами:
Vrm - пиковое обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) - максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течении длятельного времени ток не вызывает выхода защищаемого компонента из строя.
Vbr - пробивное напряжение (Break-down Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость увеличения тока превышает скорость увеличения напряжения. Величина напряжения обычно укказывается для температуры 25° C, температурный коэфициент положительный, допустимые отклонения в пределах 5% либо в интервале от - 5 до +10 %.
Vcl - напряжение фиксации(Clamping Voltage) - максимальное напряжение для так называемого "нормальзованного" максимального импульса пикового тока Ipp. Внешний вид "нормализованного" импульса приведен на рис. 3 .Характеристика тока является экспоненциальной. В таблице приведены параметры для двух стандартных форм импульса тока.
Ipp - пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме.
Vf- прямоенапряжение ( Forward Voltage) - напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В.
If - прямой ток ( Forward Current) - максимальный пиковый ток в прямом направлении.
| Воздействие |
t1, мкс |
t2 , мкс |
| Волна " 8/20 мкс" |
8 |
20 |
| Волна "10/100 мкс" |
10 |
1000 |
Пиковые потери в диодах TRANSIL
Исследованиями было установленно, что во многих устройствах возникают перенапряжения , вызывающие импульсы тока, временная характеристика которых составляет примерно 10/1000 мкс (возрастание /убывание) в соответствии с экспонинциальной кривой (рис.3). В спецификациях обычно приводятся данные для подобного типа переходных процессов. Указанные в спецификации потери для непереодических импульсов определяются по следующей формуле: Pp=Vcl*Ipp. Потери также зависят от температуры (рис.4) длительности импульса (рис.5).
Потери для переодических импульсов таковы:
Pav=f*W, где f- частота следования импульсов, W-энерги каждого импульса.
Сравнение защиты оборудования с помощю варисторов и диодов TRANSIL
Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжении составляет 25 нс. Такое время для некоторого оборудования может оказаться недостаточным. Теоретическая скорость срабатывания диодов TRANSIL на импульс находится в области пикосекунд. Изготовитель утверждает, что в лабораторных условиях трудно создать такой переходный импульс, на который диод TRANSIL срабатывал бы с опозданием, т. е. в его пиковой части. Моделируемое время нарастания фронта всегда находилось в пределах 5 нс - на практике это время может составлять несколько пикосекунд. в данном случае необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что может оказаться заманчивым использовать диоды TRANSIL в качестве быстродействующих выпрямительных приборов. Однако диоды TRANSIL вобще нельзя использовать в данных целях, поскольку они имеют большой остаточный заряд и длительнное время рассасывания.
Диоды TRANSIL фирмы SGS-THOMSON и диоды TVS фирмы GI
Оба изготовителя выпускают большое разнообразие защитных диодов, рассчитаных на различные значения напряжения Vvr или Vbr , причем используется небольшой шаг дискретизации по номинальному напряжению. Однако обычно не все диоды являются доступными, поскольку на практике не играет роли, используете ли Вы диод, рассчитанный на напряжение, например, 33 В или 37 В. Вследствии этого изготовитель предлагает в каждом классе некоторые предпочтительные значения. Остальные значения носят информационный характер, изготовитель осуществляет их производство только в гиперколичествах.
Защита электронных схем в автомобилях
Важнейшими источниками перенапряжений в автомобилях являются устроиства, содержащие индуктивности: генератор переменнго тока, свечи зажигания , стартер, реле и т.п. Самым сильным источником помех является система зажигания, величина перенапряжений откоторой может достигать 300 В. вследствии этого в автомобилях широко применяется защита с помощью диодов TRANSIL. Для автомобильного радио-приемника достаточно включить один диод TRANSIL, в этом случае не надо беспокоится о выходе из строя его электронных компонентов. Подобные затраты всегда оправдываются. Вданном случае справедливо следующее правило: аккумулятор вследствии малого внутреннего сопротивления является наилучшим поглотителем перенапряжений.Поэтому лучше всего электропитание отдельных устройств перенести к месту как можно ближе к его зажимам. Фирма SGS-Thomson производитдлязащиты оборудования автомобилей специальные типы защитных диодов - LD24AS, LD24M. Их отличие от диодов обычногоприменения заключается в мощной металлической конструкции. Диоды имеют полупроводниковый кристалл больших размеров и выдерживают большую температуру. Это, однако, не означает, чтов автомобиле нельзя использовать обычные диоды TRANSIL .
Защита транзисторов
Диоды TRANSIL удобно использовать для защиты биополярных и МОП-транзисторов. Диоды TRANSIL можно использовать для защиты как управляющего электрода МОП-транзисторов, так и самого перехода. В данном случае всегда следует учитывать характер импульсов перенапряжения - однократные или переодические.
Защита сетевого распределительного устройства - сеть 220 В
В настоящее время диоды TRANSIL широко применяются для защиты оборудования, подключенного к сетевому распределителю. За счет небольшого вложения средств представляется возможность защититьдорогостоящее оборудование. Одним из основных источников перенапряжений в таких сетях являются атмосферные помехи. Применение диодов TRANSIL является особенно полезным для защиты объектов, подключенных к воздушным линиям. Для этих целей обычно применяют двунаправленные диоды TRANSIL, в часности 1.5KE440CA.
Защита линий передач данных
Защита линий передач данных - важная область применения диодов TRANSIL. Разработанны наборы диодов TRANSIL, которые могут применяться как для защиты TTL-схем параллельного ввода/вывода, в частности, ТРВ220, так и для линий последователь ной передачи, например, сетевых карт ESDA6V1S3 фирмы SGS-Thomson.
Диоды TIRISIL
Диоды TIRISIL предназначены для защиты электронного оборудования от перенапряжений главным образом в области телекоммуникаций. Диоды разработанные фирмой SGS-Thomson в 1983 году и изготавливаются исключительно этой фирмой. Вольтамперная характеристика диодов TRISIL напоминает характеристику компонентов DIAK. Диоды TRISIL выпускаются только в двунаправленном направлении и подключаются параллельно защищаемому оборудованию.
Описание функционирования диодов TRISIL
В рабочем состоянии через диод TRISIL протекает незначительный ток. Припревышении определенного (порогового) значения напряжения, импеданс диода скачкообразно изменяется и происходит ограничение напряжения. Работа на этом участке волтамперной характеристики сходна с работой двунаправленного диода TRANSIL.
При дальнейшем незначительном увеличении тока происходит резкое снижение импеданса до десятков Ом, что практически закорачивает цепь, тем самым "срезая" полезную часть импульса перенапряжения.
Основные параметры диодов TRISIL
Vrm - максимальное непрерывное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через компонент, не вызывает повреждений. Для данного напряжения в спецификации указывается соответствующий ток Irm. Vbr - пробивное напряжение ( Breakdown Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение проходящего через TRISIL тока, причем скорость изменения тока выше, чем скорость нарастания напряжения. Этому напряжению соответствует ток Ibr=1мА.
Vbo - напряжение опрокидывания (Breakover Voltage). В точке Vво происходит резкое изменение импеданса от большого неопределенного значения до нескольких от большого неопределенного значения до нескольких Ом. В спецификации для данного напряжения указан ток Iво.
Iн - при падении тока ниже данного значения происходит обратное увеличение импеданса диода TRISIL.
Ipp - предельное значение тока для определения формы импульса - относительно10/1000 мкс, экспоненциальная форма.
Наиболее часто для защиты телекоммуникационных целей используют диоды TRISIL серии THBT фирмы SGS-Thomson.
В заключение хочется отметить, что невозможно указать стопроцентно производителю аппаратуры, какой из защитных диодов лучше применить. в конце концов, фирменные каталоги - это не догма, а "руководство к действию". Выбор конкретного TRANSIL или TRISIL диода - это в первую очередь, кропотливый труд инженеров разработчиков. А поставщики-дистрибьюторы электронных компонентов должны обеспечить их необходимым DATA-SHEET и , конечно, надежными поставками электронных компонентов.
