Diody ograniczające przepięcia pozwalają na wzmocnienie obwodów i zachowanie integralności elektrycznej

Szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT) są rzeczywistością, którą projektanci muszą uwzględniać, aby chronić obwody, systemy i użytkowników systemów. Szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT) mają wiele źródeł, w tym zwykłe wyładowania elektrostatyczne (ESD) spowodowane prostymi czynnościami, takimi jak chodzenie po dywanie, rozruch silnika lub uderzenie pioruna, powodujące zjawisko tętnień. Takie stany nieustalone mogą negatywnie wpływać na każdą klasę produktów, od urządzeń ubieralnych zasilanych niskim napięciem z baterii po systemy silników o dużej mocy.

Skutki szybkich elektrycznych stanów przejściowych (EFT) wahają się od tymczasowego zakłócenia i niezdolności do działania, aż po długotrwałe pogorszenie parametrów działania i wręcz trwałe uszkodzenie i awarie. Projektanci mogą podjąć kroki w celu zmniejszenia stanów nieustalonych napięcia, takie jak stosowanie obudów antystatycznych, filtrowanie, ograniczanie u źródła lub wdrożenie dodatkowego uziemienia, jednak środki te często wymagają zmian lub aktualizacji w zależności od konkretnego scenariusza zastosowania.

W celu skutecznej minimalizacji lub eliminacji szkodliwych konsekwencji stanów nieustalonych napięcia, projektanci mogą użyć dwuzaciskowych komponentów pasywnych zwanych diodami ograniczającymi przepięcia (lub ochronnikami TVS). Chociaż ogólnie postrzegane są jako przerwa w obwodzie, diody te reagują niemal natychmiastowo i przypominają w działaniu zwarcie, gdy wystąpi stan nieustalony, tym samym przekierowując nadmierne napięcie do ziemi. Diody TVS zapewniają szybką reakcję, wysokie napięcie wytrzymywane, długą żywotność i niską pojemność.

W tym artykule przeanalizowano potrzebę, rolę, typy i zastosowania diod TVS na przykładzie różnych grup urządzeń i pojedynczych urządzeń firmy Eaton Corporation plc (Eaton).

Zacznijmy od norm IEC

W celu ograniczenia ryzyka związanego z szybkimi elektrycznymi stanami przejściowymi (EFT), Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) zdefiniowała trzy uznane na całym świecie normy dotyczące zabezpieczeń nadnapięciowych w ramach normy IEC 61000-4 („Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC): Techniki testowania i pomiarów”):

1) Norma IEC 61000-4-2 omawia odporność na wyładowania elektrostatyczne na poziomie systemu, która dotyczy wyładowań elektrostatycznych (ESD) spowodowanych kontaktem z ciałem człowieka (ilustracja 1). W przypadku tego przebiegu czas narastania (tr) jest krótki i wynosi od 0,7 do 1ns, przy czym większość energii rozpraszana jest w ciągu pierwszych 30ns, po czym szybko zanika. W związku z tym wymagane jest bardzo szybko działające zabezpieczenie nadnapięciowe, aby w odpowiednim czasie zareagować na zdarzenia wyładowań elektrostatycznych (ESD).

Ilustracja 1: typowy przebieg impulsu wyładowania elektrostatycznego (ESD) spowodowanego kontaktem z ciałem człowieka, scharakteryzowany przez normę IEC 61000-4-2, wykazuje bardzo krótki czas narastania, krótszy niż nanosekunda, przy czym większość energii rozpraszana jest w ciągu pierwszych 30ns. (Źródło ilustracji: Eaton)

Sam przebieg nie wskazuje związanych z nim poziomów napięcia. Norma IEC 61000-4-2 określa napięcia probiercze dla poziomu odporności systemu na wyładowania elektrostatyczne (ESD) w różnych urządzeniach dla wyładowań kontaktowych i w powietrzu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: poziomy IEC 61000-4-2 dla wyładowania w powietrzu i wyładowania kontaktowego dodatkowo definiują specyfikę kontaktu człowieka z urządzeniem. (Źródło ilustracji: Eaton)

Odpowiedni dobór diody TVS zależy od poziomu zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) wymaganego w danym zastosowaniu. Należy pamiętać, że wszystkie diody TVS firmy Eaton oferują minimalne parametry działania na poziomie 4, gdy są testowane zgodnie z normą IEC 61000-4-2. Dostępne są inne opcje z jeszcze wyższą wytrzymałością zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), zapewniające ochronę do 30kV, zarówno dla wyładowań w powietrzu, jak i kontaktowych.

2) Norma IEC 61000-4-5 obejmuje odporność na udary elektryczne, na przykład pochodzące z wyładowań atmosferycznych lub z impulsowych systemów zasilania. W przeciwieństwie do elektryczności statycznej o stosunkowo niskiej mocy, uderzenia pioruna mogą charakteryzować się energią dochodzącą do 1GJ i napięciem udarowym do 120kV. Stany nieustalone wywołane wyładowaniami atmosferycznymi mogą wystąpić z powodu bezpośredniego uderzenia pioruna, generującego napięcia udarowe, w zewnętrzne obwody elektryczne, z powodu pośrednich uderzeń pioruna wywołujących napięcia udarowe w żyłach lub przepływów prądu doziemnego z powodu uderzenia pioruna. Należy pamiętać, że ochronniki TVS ESD nie są przeznaczone do ochrony przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów, ale nadal są potrzebne, ponieważ uderzenia te mogą wywoływać stany nieustalone w systemach dystrybucji energii elektrycznej w odległościach nawet powyżej 1,5 kilometra.

Norma IEC 61000-4-5 definiuje typowy przebieg napięcia piorunowego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przebieg impulsu uderzenia pioruna zdefiniowany przez normę IEC 61000-4-5 (I_PP oznacza prąd szczytowy). (Źródło ilustracji: Eaton)

Norma IEC 61000-4-5 określa również poziomy napięcia probierczego dla odporności na udary w poszczególnych klasach urządzeń elektrycznych i elektronicznych (ilustracja 4).

Poziomy są zależne od zastosowania końcowego:

• Klasa 1: środowisko częściowo chronione
• Klasa 2: środowisko elektryczne, w którym kable są dobrze odseparowane, nawet na krótkich odcinkach
• Klasa 3: środowisko elektryczne, w którym kable zasilające i sygnałowe biegną równolegle
• Klasa 4: środowisko elektryczne, w którym połączenia są prowadzone jako kable zewnętrzne wraz z kablami zasilającymi, a kable są używane zarówno do obwodów elektronicznych, jak i elektrycznych

Ilustracja 4: Norma IEC 61000-4-5 definiuje cztery klasy poziomów testów odporności na udary elektryczne. (Źródło ilustracji: Eaton)

3) Norma IEC 61000-4-4 omawia ochronę przed szybkimi elektrycznymi stanami przejściowymi (ilustracja 5). Szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT) są spowodowane działaniem obciążeń indukcyjnych, takich jak silniki dużej mocy, przekaźniki, styczniki przełączające w systemach rozdziału zasilania oraz włączanie i wyłączanie urządzeń do korekcji współczynnika mocy.

Ilustracja 5: przebieg impulsowy szybkiego elektrycznego stanu przejściowego (EFT) według normy IEC 61000-4-4. (Źródło ilustracji: Eaton)

Należy zauważyć, że szybkie elektryczne stany przejściowe są często charakteryzowane po prostu przez dwie liczby: czas narastania do wartości szczytowej (t₁) i czas trwania impulsu do momentu, gdy stan nieustalony spadnie do 50% wartości szczytowej (t₂). Stany nieustalone o długości 8/20µs są częstymi impulsami w zastosowaniach przemysłowych.

Wielkość napięcia przejściowego wyładowania elektrostatycznego (ESD), które musi wytrzymać obwód lub system, zależy od zastosowania. Norma MIL-STD-883, która jest szeroko stosowana w przemyśle, a także w wojskowości i systemach lotnictwa i kosmonautyki definiuje trzy klasy (ilustracja 6).

Ilustracja 6: według metody numer 3015 określonej normą MIL-STD-883 istnieją trzy poziomy klasyfikacji wrażliwości na wyładowania elektrostatyczne (ESD). (Źródło ilustracji: Eaton)

Problem rozwiązują ochronniki TVS

Aby spełniać różne wymagania i chronić systemy, projektanci mogą stosować diody TVS. Diody TVS to krzemowe zabezpieczenia nadnapięciowe, które działają w oparciu o zasadę przebicia lawinowego diody. Są one instalowane równolegle z normalnym obwodem w celu ochrony jego komponentów wewnętrznych przed krótkotrwałymi (przejściowymi) i średnimi oraz wysokimi napięciami (ilustracja 7).

Ilustracja 7: dioda TVS jest umieszczona poprzecznie na wejściu, między linią chronioną a masą układu. (Źródło ilustracji: Eaton)

W normalnym trybie pracy, bez stanów nieustalonych, diody TVS utrzymują wysoką impedancję i nie zakłócają przenoszenia zasilania ani sygnału przez urządzenie. Jednakże, gdy na zaciskach diody TVS wystąpi chwilowy udar wysokoenergetyczny, chroni ona elementy w dalszej części obwodu poprzez szybkie przejście w stan niskiej impedancji (zwany przebiciem lawinowym) w celu pochłonięcia dużego prądu i ograniczenia napięcia do bezpiecznego poziomu.

Diody TVS są dostępne jako jednokierunkowe lub dwukierunkowe urządzenia ze złączem P-N. Pomimo nazwy, większość jednokierunkowych diod TVS tłumi napięcia w obu polaryzacjach. Różnica polega na tym, że typy jednokierunkowe mają asymetryczne charakterystyki napięciowo-prądowe (V-I), podczas gdy charakterystyki napięciowo-prądowe (V-I) dwukierunkowych diod TVS są symetryczne (ilustracja 8). Dwukierunkowe diody TVS dobrze sprawdzają się w ochronie węzłów elektrycznych z sygnałami, które są dwukierunkowe lub występują zarówno powyżej, jak i poniżej napięcia masy.

Ilustracja 8: nazwy diod TVS nie odzwierciedlają żadnej charakterystycznej kierunkowości. Jednokierunkowe diody TVS mają asymetryczne charakterystyki napięciowo-prądowe (V-I), a charakterystyki V-I diod dwukierunkowych są symetryczne. (Źródło ilustracji: Eaton)

O działaniu diod TVS decydują najwyższej klasy parametry, obudowy i rozmieszczenie

Diody TVS są definiowane przez wiele specyfikacji wysokiego poziomu. Są to między innymi:

• Znamionowe maksymalne napięcie pracy wstecznej (V_RWM): nazywane również wstecznym napięciem zaporowym, jest maksymalnym napięciem roboczym diody TVS, gdy jest ona „WYŁĄCZONA”
• Napięcie przebicia (V_BR): napięcie, przy którym dochodzi do przebicia lawinowego w diodzie TVS, które powoduje jej niską impedancję
• Wsteczny prąd upływu (I_R): prąd płynący przez diodę TVS, gdy jest ona poddana polaryzacji zaporowej
• Napięcie progowe (Vc): napięcie na diodzie TVS przy jej szczytowym prądzie impulsowym (I_pp)
• Pojemność: miara zmagazynowanego ładunku, zwykle podawana w pikofaradach (pF), między wtykiem wejściowym i innym punktem odniesienia (często uziemieniem lub masą), zwykle mierzona przy sygnale o częstotliwości 1MHz
• Prąd szczytowy (I_pp): różnica między maksymalną dodatnią i maksymalną ujemną amplitudą przebiegu prądu

Wybór diody TVS to zazwyczaj czteroetapowy proces:

1. Wybór diody o napięciu zaporowym wyższym niż normalne napięcie robocze
2. Sprawdzenie, czy określony prąd szczytowy przekracza oczekiwany prąd szczytowy i upewnienie się, że dioda jest w stanie obsłużyć wymaganą moc podczas zdarzeń stanów nieustalonych
3. Obliczenie maksymalnego napięcia progowego (V_CL) wybranej diody
4. Upewnienie się, że obliczona wartość V_CL jest mniejsza niż określona bezwzględna maksymalna wartość znamionowa dla chronionego wtyku

Umieszczenie ochronników TVS na płytce drukowanej ma kluczowe znaczenie dla uzyskania pełnych możliwości działania tych urządzeń. Aby uzyskać najlepszą ochronę przeciwprzepięciową, diody powinny być umieszczone jak najbliżej punktu wejścia napięcia, takiego jak porty wejścia-wyjścia, aby zminimalizować wpływ zjawisk pasożytniczych na skuteczne tłumienie szybkich stanów przejściowych.

Przykładowe ochronniki TVS ilustrują zakres oferty

Diody TVS firmy Eaton doskonale nadają się do zabezpieczenia nadnapięciowego w interfejsach wejścia-wyjścia oraz szybkich cyfrowych i analogowych liniach sygnałowych. Oferują one bardzo niskie napięcia progowe, wysoką moc szczytową, wysokie rozpraszanie prądu i nanosekundowe czasy odpowiedzi.

Obudowy diod TVS są ściśle związane z ich specyfikacją. Dostępne są zarówno obudowy do montażu powierzchniowego, jak i przewlekanego, przy czym te drugie oferują wyższe parametry napięcia i prądu.

Diody TVS muszą zapewniać ochronę przed szerokim zakresem napięć i prądów. Dlatego jedna wartość napięcia znamionowego i innych parametrów nie może stanowić odpowiedzi na wszystkie sytuacje szybkich elektrycznych stanów przejściowych (EFT). Ilustrują to przykłady z czterech różnych grup.

1) Seria SMFE ma szczytową moc impulsową 200W przy przebiegu 10/1000µs. Urządzenia są umieszczone w standardowej niskoprofilowej obudowie do montażu powierzchniowego SOD-123FL o wymiarach 2 × 3 × 1,35mm, która optymalizuje przestrzeń na płytce w urządzeniach mobilnych i ubieralnych.

Jednym z produktów należącym do tej serii jest SMFE5-0A (ilustracja 9). Posiada napięcie progowe 9,2V, natężenie I_pp 21,7A i obsługuje jednokierunkowe lub dwukierunkowe przypadki użycia. Prąd upływu wstecznego jest mniejszy od 1μA powyżej 10V, a czas odpowiedzi jest krótki, typowo poniżej 1,0ps od 0V do V_BR.

Ilustracja 9: dioda TVS 9,2V SMFE5-0A jest dostarczana w niskoprofilowej obudowie SOD-123FL do montażu powierzchniowego i jest przeznaczona do zastosowań mobilnych oraz urządzeń ubieralnych. (Źródło ilustracji: Eaton)

2) Seria ST chroni jedną dwukierunkową linię wejścia-wyjścia i jest przeznaczona do portów USB oraz innych portów danych, paneli dotykowych, przycisków, zasilania prądem stałym, złączy RJ-45 i anten RF. Do tej grupy należy między innymi charakteryzujące się napięciem 33V i prądem I_pp 12A urządzenie STS321120B301, umieszczone w niewielkiej obudowie SMT SOD-323 o wymiarach 1,8 × 1,4 × 1,0mm, charakteryzujące się mocą szczytową 400W na linię (t_P = 8/20μs). Diody z tej serii obsługują napięcia robocze prądu stałego od 2,8V₌ do 70V₌ przy ultraniskiej pojemności do 0,15pF. Diody te zapewniają zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) do 30kV (zgodnie z normą IEC 61000-4-2).

3) Seria AK obejmuje diody TVS dużej mocy, zapewniające ochronę przeciwprzepięciową do 10kA i przeznaczone do pracy w trudnych warunkach testów przepięciowych w zastosowaniach prądu zmiennego i prądu stałego. Diody te charakteryzują się niską rezystancją nachyleniową, a także doskonałym współczynnikiem ograniczającym dzięki technologii snapback. Spełniają one normy UL1449, dotyczące ochronników przeciwprzepięciowych do zastosowań takich jak elektronika użytkowa, urządzenia, automatyka przemysłowa czy ochrona linii prądu zmiennego. (Uwaga: rezystancja nachyleniowa lub rezystancja dynamiczna to rezystancja diody po przyłożeniu prądu zmiennego. Snapback to zjawisko w urządzeniu, które polega na utrzymującym się przewodzeniu dużych prądów nawet przy niższych napięciach.)

Aby spełnić wymagania dotyczące natężeń prądu i norm UL, urządzenia z tej serii wykorzystują obudowy do montażu przewlekanego z odprowadzeniami osiowymi, na przykład stosowane w diodach AK6E-066C, na napięcie progowe 120V i prądy I_pp 6000A (ilustracja 10). Dioda ta mierzy 25 mm wzdłuż odprowadzeń i posiada niemal kwadratowy „centralny” korpus o wymiarach około 13 × 15mm.

Ilustracja 10: dioda TVS 120V dużej mocy AK6E-066C zapewnia ochronę do 10kA i jest umieszczona w obudowie do montażu przewlekanego z odprowadzeniami osiowymi. (Źródło ilustracji: Eaton)

4) Diody TVS z serii SMAJExxH w rozmiarze SMA są wyjątkowe, ponieważ posiadają kwalifikację norm AEC-Q101, wymaganą dla zastosowań motoryzacyjnych. Zapewniają one wytrzymałość na impulsy o mocy szczytowej 400W (przy przebiegu 10/1000μs) i charakteryzują się krótkim czasem odpowiedzi, zwykle poniżej 1,0ps od 0V do V_BR, przy I_R mniejszym od 1μA powyżej 10V.

Urządzenia z tej grupy charakteryzują się napięciami od 5 do 440V. Każde urządzenie dostępne jest w wersji jednokierunkowej i dwukierunkowej. Przykładem może być urządzenie SMAJE22AH, które charakteryzuje się napięciem progowym 35,5V przy I_pp 11,3A (ilustracja 11). Wszystkie urządzenia z tej serii zamknięte są w plastikowych obudowach do montażu powierzchniowego o wymiarach (maksymalnych) 3,0 × 4,65 × 2,44mm i spełniają wymogi klasy palności UL 94 V-0 (ilustracja 11).

Ilustracja 11: dioda TVS 35,5V SMAJE22AH jest zgodna ze standardami motoryzacyjnymi określonymi w normie AEC-Q101. Zastosowano w niej również plastikową obudowę spełniającą normę palności UL 94 V-0. (Źródło ilustracji: Eaton)

Podsumowanie

Stany nieustalone spowodowane elektrycznością statyczną, rozruchem silnika elektrycznego lub pobliskimi wyładowaniami atmosferycznymi mogą uszkodzić układy elektroniczne i ich komponenty. Diody TVS reagują niemal natychmiast na te nadmierne napięcia oraz kierują napięcie i energię do masy, chroniąc w ten sposób układ. Firma Eaton oferuje różne serie diod TVS. Każda z nich zawiera szereg urządzeń o różnych napięciach znamionowych, dopasowanych do przewidywanego stanu nieustalonego napięcia, ograniczeń produktu końcowego i wymogów prawnych, zajmując przy tym zaledwie kilka milimetrów kwadratowych powierzchni płytki drukowanej.