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 оборудованияЮ 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 чатьслова, 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 изготавливаются как в однонапрвленом, так и в двунаправленном исполнеиях. 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:

V rm - пиковое обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) - максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течении длятельного времени ток не вызывает выхода защищаемого компонента из строя.

V br - 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 %.

V cl - 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.

I pp - пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме.

V f - прямоенапряжение (Forward Voltage) - напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В.

I f - прямой ток (Forward Current) - максимальный пиковый ток в прямом направлении.

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: P p =V cl *I pp . Потери также зависят от температуры (рис.4) длительности импульса (рис.5).

Потери для переодических импульсов таковы:

P av =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 или P6E440CA.

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. на рис.6 показан набор диодов TRANSIL, предназначенный для защиты параллельного порта.

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. Условное обозначение диодов приведено на рис.7.

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 (рис.8) 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 как это показанно на рис.9.

Основные параметры диодов TRISIL

V rm - максимальное непрерывное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через компонент, не вызывает повреждений. Для данного напряжения в спецификации указывается соответствующий ток I rm .

V br - 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 I br =1мА.

V bo - 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 ненобходимым DATA-SHEET и, конечно, надежными поставками электронных компонентов.

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды выпрямительные, стабилитроны, диоды Ганна, диод Шотки , 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 (T ransient V oltage S uppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и в среде общения 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.

По некоторым данным потери связанные с выходом из строя и последующим ремонтом всей электронной аппаратуры в США составляют около $ 12 млрд. в год. Специалисты посчитали, что и в нашей стране потери соответствуют этой сумме.

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.

На принципиальных схемах супрессор (ака защитный диод) обозначается так (VD1, VD2 - симметричные; VD3 - однонаправленные).

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). Симметричный диод может работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричный 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 наноситься 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 V BR (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 –I R (Max. Reverse Leakage Current ). Так же может обозначаться как I RM .

U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре V RWM (Working Peak Reverse Voltage ). Может обозначаться как V RM .

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как V CL или V C – Max. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage .

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как I PP (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 (P PP ).

Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (V CL ) и I огр. мах. (I PP ).

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 ©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.

Диоды TRANSIL TM фирмы THOMSON широко используются для защиты автомобильной электроники от перенапряжений. Самым сильным источником электрических импульсов является система зажигания. Для защиты автомобильного музыкального центра достаточно одного диода TRANSIL TM .

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.

Основные понятия

Статическое электричество – явление, при котором на поверхности и в объеме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд. Как правило, незаряженные атомы обладают одинаковым количеством положительных и отрицательных электронов, электрически заряженными объектами считаются, обладающие малым либо избыточным числом электронов. Взаимодействие точечных электрических зарядов описывается законом Кулона.

Статическое электричество – совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхность или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

Переходный процесс – в электрической цепи, явление, возникающее при переходе из одного режима работы электрической цепи в другой, отличающийся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров или конфигурацией цепи.

История открытия статического заряда и его происхождение

Закон взаимодействия электрических зарядов был открыт Шарлем Огюстен де Кулоном в 1785 году. Однако за 11 лет до открытия и формулирования его закона, Генри Кавендиш установил закономерность взаимодействия зарядов, но результаты его исследовании не были опубликованы и долгое время оставались неизвестными.

Электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия атомных и молекулярных сил (из-за различия работы выхода электрона из материалов). При этом происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах – еще и ионов) с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоев с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы и молекулы одного вещества отрывают электроны от другого вещества. Полученная разность потенциалов соприкасающихся поверхностей зависит от ряда факторов – диэлектрических свойств материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажности и температуры поверхностей этих тел, климатических условий. При последующем разделении этих тел каждое из них сохраняет свой электрический заряд, а с увеличением расстояния между ними за счет совершаемой работы по разделению зарядов, разность потенциалов возрастает и может достигнуть десятков и сотен киловольт.

Электрические разряды могут взаимно нейтрализоваться вследствие некоторой электропроводности влажного воздуха. При влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает.

Статическое электричество вокруг нас

Среда вокруг нас очень загрязнена не только пылью, химическими элементами от выбросов промышленных предприятий, но и помехами, вызванными электрическими зарядами. Электрические помехи окружающие нас вызваны атмосферными явлениями и промышленными устройствами.

Статическое электричество в природе

Электростатические явления встречаются повсюду вокруг нас. Впервые электризация жидкости при дроблении была замечена у водопадов Швейцарии в 1786 году, это явление получило название баллоэлектрического эффекта . Заряженный воздух у водопадов сообщают микроскопические капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от водной поверхности и уносятся в окружающую среду. Эффект электризации наблюдается не только у водопадов, но и в пещерах.

Воздух у берегов морей приобретает положительный заряд, вследствие разбрызгивания соленой воды. Так же наблюдаются электрические разряды в ходе схода снежных лавин.

В результате движения атмосферных масс мы достаточно часто можем наблюдать такое явление как молния. Молния – это тот же электрический разряд, возникший в атмосфере. Это явление достаточно изучено, и в настоящей статье это явление более подробно рассматривать не будем.

Статическое электричество в технике

В технике из-за статического электричества возникают перенапряжения, вызывающие импульсы тока, что ведет зачастую к выходу из строя электроники. Методы защиты электроники от скачков и выбросов напряжения и тока мы рассмотрим позже.

Статическое электричество может быть хорошим помощником человека, если изучить его свойства и правильно их применять. В технике применяется следующий метод: мельчайшие твердые или жидкие частицы материала поступают в электрическое поле, где на их поверхность «оседают» электроны и ионы, т.е. частицы, приобретают заряд и далее движутся под действием электрического поля. В зависимости от назначения аппаратуры можно с помощью электрических полей по-разному управлять движением частиц в соответствии с необходимым технологическим процессом.

Такие технологии активно применяются в автомобиле строении, рыбной промышленности, текстильной и хлебопекарной промышленности. А так же на основе заряженных частиц построен ряд систем для очистки воздуха.

Возникновение перенапряжения

При эксплуатации электронного оборудования в его цепях возникают различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перепады напряжения.

Перепад напряжения – случайные пульсации напряжения с амплитудой большей, чем рабочее напряжение в цепи. Такие перегрузки возникают в результате возникновения электромагнитных импульсов естественного происхождения (грозовые разряды), импульсов искусственного происхождения (излучение радиопередающих устройств, высоковольтных линий передач, сетей электротранспорта и др.), а так же за счет внутренних переходных процессов в оборудовании, которые возникают при отключении емкостной, индуктивной нагрузки или электростатических разрядов. Перепад может длиться от несколько наносекунд до нескольких миллисекунд.

Такие переходные процессы сокращают срок службы электронного оборудования или вовсе выводят его из строя, что усложняет жизнь разработчикам электроники, которым необходимо разрабатывать схемы защиты электронных устройств. В то время как перепады могут возникать по различным причинам наиболее распространенными и опасными являются грозовой и статический разряд.

Перепады, вызванные грозовым разрядом , характеризуются высокоэнергетическими длительными импульсами с длительностью от десятков до тысяч микросекунд. Формы импульсов определяются стандартами IEC61000-4-5 и 61643-321 :

Электростатический разряд – другой наиболее распространенный перепад напряжения. Электростатический заряд возникает из-за трибоэлектрического эффекта.

Трибоэлектрический эффект – эффект при котором электрический заряд возникает из-за механического контакта двух диэлектриков. Наиболее распространенные трибоэлектрические материалы – нейлон, бумага, резина, винил, эбонит. Человеческое тело является отличным аккумулятором статического напряжения, по мере своей активной деятельности статический заряд может накапливаться на теле человека и при контакте с токопроводящим объектом происходит разряд.

Статически разряды могут достигать напряжения до 15 тысяч вольт . Форма волны разряда достигает пика в 1 наносекунду с общей продолжительностью до 60 наносекунд:

Для защиты цепей электронных устройств от воздействия электрических перегрузок могут использоваться различные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-фукнциональные, схемотехнические:
Конструкционные методы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.
Методы структурно-функциональной защиты включают в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов.
Схемотехнические способы защиты включают в себя: пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия является активная защита.

Основными элементами активной защиты являются TVS-диоды (transient voltage suppressors) (или так называемые супрессоры, защитные диоды, ограничители напряжения), варисторы , TVS-тиристоры и разрядники .

Методы защиты электроники от выбросов напряжения

Методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC-, RC -фильтров, а так же экранов между обмотками сетевых трансформаторов зачастую не спасают положение. Избежать негативных последствий скачков напряжения позволяют устройства защиты, которые вводятся в состав схемы и принимают на себя удары, которые могут выводить из строя электронные устройства.

Защитные элементы должны выполнять две основные функции: отклонять перепад от цепи или фиксировать перепад напряжения ниже порога повреждения защищаемого элемента для данной ширины импульса. В дальнейшем, во время восстановления нормальной работы цепи (без явлений перепадов), защитный элемент не должен ухудшать функционирование защищаемой цепи.

Так гасящий элемент для высокоскоростных интерфейсов должен обладать достаточно быстрым временем реакции, низким защитным и рабочим напряжением и в случае портативных или ручных устройств, они должны занимать минимум рабочего пространства. Как правило, чем ближе находится элемент гасящий броски напряжения к защищаемому устройству, тем лучше могут быть его ограничивающие характеристики.

На сегодняшний день, стратегия борьбы от электростатического разряда и его последствий заключается в использовании схем защиты электронных устройств от импульсных всплесков при переходных процессах. Реализуется он с помощью установки на основной схеме элементов защиты – устройства гашения импульсов, например варисторы, полупроводниковые элементы общего назначения или специальные полупроводниковые ограничители напряжения. В течение переходного процесса ток протекает через устройство гашения импульсов, в свою очередь это ведет к снижению значения переходного напряжения в основной схеме.

Устройства гашения импульсов можно разделить на две категории: ограничители сигнала и электронные ключи . Каждый из типов устройств оптимизирован для определенных условий переходного процесса.

Электронно-ключевые устройства

На первом 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 электронные ключи способны манипулировать большими значениями токов. Недостатком электронных ключей является то, что для возврата устройства в непроводящее состояние необходимо понижать значение прямого тока до определенного уровня отключения, а так же высокая цена.

TVS -диоды

Ограничитель напряжения – это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) с лавинным пробоем или на прямой ветви ВАХ.

TVS-диод предназначен для защиты от перенапряжения интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и др. У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична ВАХ стабилитронов. В условия 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 защитного устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода.

Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничитель автоматически возвращается в высокоимпедансное состояние.

Одним из основных параметров TVS-диодов является время реакции . Время реакции на обратной ветке ВАХ (ветка лавинного пробоя) составляет несколько пикосекунд .

Поскольку реализация защиты цепей на основе защитных тиристоров достаточно трудоемка и более дорогостоящая, большее распространение получили схемы защиты на основе TVS-диодов. К сожалению, стандартная технология TVS-диодов не позволяет делать их достаточно эффективными для напряжений ниже 5 вольт. Как правило защитные диоды – это кремниевые плоскостные диоды намеренно разработанные с большой областью переходя, для того чтобы они могли справляться с высокими скачками напряжения, что делает их бесполезными для использования при низком напряжении. Их емкостное сопротивление напрямую относится к области перехода и растет экспоненциально, в то время как рабочее напряжение снижается.

Влияние емкостной нагрузки, которую создает защитный диод высокочастотному 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 их основе делятся на три группы: низкоемкостное шунтирование, защита на основе информации о скачках напряжения и низкоемкостной мост.

Низкоемкостное шунтирование

Этот метод имеет преимущество перед другими методами, заключающееся в том, что емкостные элементы соединены последовательно (в качестве емкостных элементов выступают компенсационный и защитный диод).

Величина эффективной емкости двух последовательно соединенных элементов всегда меньше величины емкости наименьшего из них. В таком случае TVS-диод выигрывает за счет наличия соединенного последовательно низкоемкостного компенсационного выпрямителя. Две пары защитный диод плюс выпрямитель соединенных 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.

Конфигурация Rail-to-Rail

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

Между двух устройств, размещенных на линии в ряд, проведены 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 при использовании данного метода, необходимо учитывать следущее:
дискретные элементы обычно не рассчитаны на высокие скачки токов, связанных с электростатическим разрядом (выпрямители обладают маленькой площадью перехода и при превышении номинальной мощности могут выйти из строя),
перенаправление импульса на питающую шину может привести к повреждению компонентов источника питания. Проблему перенаправления выброса можно решить с помощью добавления TVS-диода на шину питания, для того что бы волна направлялась на землю, и фиксировать напряжение ниже уровня максимально допустимого для данного источника питания.

Низкоемкостной мост

Третий метод низкоемкостной защиты – мостовая конфигурация, заключается в следующем: мостовые выпрямители работают на уменьшение эффективной емкостной нагрузки, а так же направляют входящий переходный ток через TVS-диод.

Использование данного метода позволяет защитить линии передач данных, как от помех общего вида, так и от помех при дифференциальном включении. Однако применение данного метода, выполненного на дискретных компонентах не рекомендуется в силу выше перечисленных причин. Предпочтительным решением в этом случае будет применение интегрированного устройства, включающего в одном корпусе корректирующий всплески диодный мост и T VS -диод.

Выбор и применение TVS-диодов

Для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры основную роль играет выбор и правильность применения полупроводниковых защитных диодов (супрессоров). От этого зависит надежность аппаратуры и самих диодов.

Таким образом, полупроводниковые TVS-диоды для любого устройства должны удовлетворять следующим требованиям :
технические характеристики и параметры диодов должны быть такими, что бы при отсутствии переходных процессов они не оказывали влияния на характеристики функциональных блоков и устройств в которых они используются;
уровень напряжения во время действия импульса переходного процесса в точках подключения защитных диодов должен быть как можно ближе к уровню напряжения, действующему до перегрузки;
надежность TVS-диодов должна быть выше надежности защищаемых устройств;
быстродействие супрессоров должно быть максимально возможным, для возможности обеспечения качественной защиты при больших скоростях изменения напряжения переходных процессов;
габариты и масса защитных диодов должны быть меньше габаритов и массы защищаемой аппаратуры;
параметры и характеристики TVS-диодов должны соответствовать требованиям, по устойчивости к воздействию внешних факторов, предъявляемым к аппаратуре и иметь срок службы соответствующий данному классу аппаратуры.

Схемы защиты аппаратуры

При выборе защитных диодов в первую очередь определяются параметры импульса переходного процесса, то есть амплитуду напряжения, длительность импульса и его форму. Параметры защищаемой цепи выбираются из следующих условий: активное сопротивление и/или индуктивность цепи, и характеристики напряжения действующего в цепи при отсутствии импульса переходного процесса, а так же допустимую амплитуду напряжения в цепи в момент воздействия импульса переходного процесса.

Защитный диод выбирается исходя из расчетного значения пиковой мощности P PPM с учетом длительности импульса переходного процесса t p и его формы и постоянного обратного напряжения V WM , которое должно быть равно напряжению, действующему в цепи или несколько превышать его с учетом максимального допуска.

При недостаточной мощности P PPM одного TVS-диода, соответствующей заданному требованию, защитные диоды устанавливаются последовательно, пиковая мощность установленных последовательно защитных диодов суммируется. Возможна установка неограниченного числа защитных диодов, но при этом необходимо учитывать, что разброс по напряжению пробоя V BR каждого диода не должен быть более 5% . Это требование необходимо учитывать для равномерного распределения нагрузки на последовательно соединенных элементах. При невозможности достичь требуемой пиковой мощности последовательно соединенных диодов допускается их параллельное включение. При рассмотрении схемы так же необходимо точное согласование диодов по импульсному напряжению ограничения V C , что обеспечит равномерную загруженность диодов по мощности; оно не должно отличаться более чем на 20 мВ . На практике зачастую необходимо применять смешанное соединение диодов, что вполне допустимо.

Защищаемые цепи подразделяются на цепи постоянного тока, переменного тока (симметричные или асимметричные), а так же сигнальные цепи, несущие информацию посредством одно- или двухполярных импульсных сигналов (высокой или низкой частоты); исходя из этого, необходимо выбирать требуемую схему защиты и ее элементы.

Одноуровневые схемы защиты

Защита цепей переменного тока может осуществляться путем включения двух несимметричных TVS-диодов:

Схемы защиты цепи с несимметричными TVS-диодами

Включение элементов защиты на входе и выходе трансформатора позволит снизить уровень напряжения на его выходе. При наличии в цепи переменного тока выпрямительных диодов включенных по мостовой схеме их защита может быть осуществлена одним симметричным TVS-диодом при его включении в диагональ моста:

Однако быстродействие защиты в этом случае будет определяться временем отключения выпрямительных диодов.

Для защиты цепей постоянного тока от различного рода перегрузок по напряжению используются несимметричные защитные диоды. Несимметричность TVS-диодов позволяет осуществить защиту на разных потенциальных уровнях, что характерно для цепей постоянного тока.

Пороговое напряжение этих приборов ниже уровня ограничителя и позволяет обеспечивать автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса напряжения. Время их включения меньше самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока. Защитные диоды в таком случае должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания:

Типовая схема TVS-диодов для защиты источников питания постоянного тока
от электрических перегрузок по напряжению

Защита от перенапряжений ключевых элементов , в цепях которых имеется индуктивная нагрузка, осуществляется по следующим схемам:

а ) TVS-диоды параллельны защищаемому элементу
б ) параллельны нагрузке
в ) комбинированно

Одной из наиболее частых причин выхода из строя электронных устройств, включающих в себя MOSFET транзисторы, является превышение допустимого значения напряжения сток-исток V DS . Так при переключении индуктивной нагрузки происходит перенапряжение, в результате которого превышается максимально допустимое напряжение V DS MOSFET транзистора, что вызывает лавинный пробой полупроводника и разрушение транзистора. Одним из методов защиты MOSFET является схема включения защитного диода между стоком и истоком.

Переходные процессы в затворе MOSFET транзистора часто происходят из-за разрядов электростатического электричества (ESD). Установка супрессора между затвором и истоком позволит защитить транзистор от входных переходных процессов. В таком случае рекомендуется устанавливать защитный диод со значением обратного напряжения, превышающим входное напряжение MOSFET транзистора.

Цепи передачи данных и высокочастотные цепи также могут быть защищены с помощью TVS-диодов. Для защиты цепей с однополярными сигналами может быть использована схема включения несимметричных TVS-диодов:

Защитные диоды включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных. При наличии в цепи двухполярных сигналов, вместо, несимметричных защитных диодов используются симметричные TVS-диоды.

Защита портов USB может быть реализована на диодной сборке серии PRTR5V0U2X (NXP), обладающей низкой емкостью и высокой скоростью реакции, в корпусе SOT-4. Диодная сборка позволяет обеспечить защиту двух высокоскоростных шин без потерь сигнала:

Особую роль играют схемы защиты в автомобильной электронике . На схеме ниже приведена схема защиты для автомобильной системы передачи данных, построенной на высокоскоростном CAN -трансивере серии TJA1042 . В качестве элемента защитной схемы применена диодная сборка серии PESD1CAN обеспечивающая защиту двух линий. Сборка, выполненная в корпусе SOT23, разработанна компанией NXP для применения в автомобильной электронике.

Аналогичную схему защиты можно применять и для LIN шин, например, с использованием диодной сборки в корпусе SOD323 серии PESD1LIN . Асимметричная конструкция диода позволяет максимально эффективно защитить электронику автомобиля. Для защиты высокоскоростной автомобильной шины стандарта FlexRay компания NXP рекомендует применять защитные диоды серии PESD1FLEX выполненных в маленьком корпусе для SMD монтажа SOT23.

В цепях высокой частоты рекомендуется использовать супрессоры с маленькой емкостью, а для уменьшения емкости, как уже отмечалось ранее, последовательно включается импульсные диоды с малой емкостью (диоды с барьером Шоттки), как показано на примере защиты схемы симметричных линий связи (а и б ):

Многоуровневые схемы защиты

Многоуровневые схемы защиты используются в том случае, когда величина энергии защитного диода превышает установленный для него допустимый уровень. Типичным примером использования многоуровневой защиты является двухступенчатая защита в симметричных линиях связи, где TVS-диоды включают в каждую цепь линии симметрично относительно общей шины заземления, как показано на рисунке (а и б ), для случаев защиты низкочастотных и высокочастотных цепей:

Время прохождения импульса тока через TVS-диоды равно времени запаздывания пробоя разрядников, которое не превышает 0,5-1 мкс , поэтому поглощаемая диодом энергия не велика, и основная доля энергии напряжения поглощается разрядником. При наличии второй ступени защиты в цепь должен быть включен дополнительно ограничивающий резистор.

Сравнение элементов защиты от перенапряжений

Как отмечалось ранее, основными элементами активной защиты являются, TVS-диоды (transient voltage suppressors), варисторы, TVS-тиристоры, разрядники и др.

Сравним их функциональные характеристики для применения в схемах защиты от перенапряжений:

Защитный элемент	Преимущества	Недостатки	Варианты использования
Разрядник	Высокое значение допустимого тока. Низкая емкость. Высокое сопротивление изоляции.	Высокое напряжение возникновения разряда. Малый срок службы. Низкая надежность. Значительное время срабатывания. Шунтирование защищаемой цепи после прохождения импульса. Высокая цена.	Первичная защита телекоммуникационных и силовых цепей. Первая ступень комбинированной защиты.
Варистор	Высокое значение допустимого тока. Низкая цена. Широкий диапазон рабочих токов и напряжений.	Ограниченный срок службы. Высокое напряжение ограничения. Большая собственная емкость. Проблема SMD монтажа.	Вторичная защита. Защита силовых цепей и автомобильной электроники. Защита электронных компонентов печатной платы. Первая и вторая ступень комбинированной защиты.
TVS-тиристор	Не подвержен деградации. Высокое быстродействие. Высокий управляющий ток.	Ограниченный диапазон рабочих напряжений. Шунтирование защищаемой цепи. Необходимость понижения значения прямого тока для возврата устройства в непроводящее состояние. Высокая цена.	Первичная и вторичная защита в телекоммуникационных цепях
	Низкие уровни напряжения ограничения. Высокая долговечность и надежность. Широкий диапазон рабочих напряжений. Высокое быстродействие. Низкая собственная емкость. Удобные корпуса для SMD монтажа. Низкая стоимость.	Низкое значение номинального импульсного тока.	Оптимален для защиты полупроводниковых компонентов на печатной плате. Вторичная защита. Защита от электростатического разряда и переходных процессов. Оконечная ступень в комбинированных защитных устройствах.

Основные игроки на рынке защитных диодов

На рынке производителей защитных полупроводниковых электронных компонентов есть ряд основных игроков, такие как Vishay, NXP, STMicroelectronics , Diotec , Fairchild и др.

Одним из игроков на рынке производства электронных компонентов для силовой электроники является компания Vishay . Компания за счет приобретения ряда производителей или их подразделений по производству полупроводниковых элементов таких как Siliconix, Telefunken , Infineon , General Semiconductor , Dale , Draloric , Sprague , Vitramon , Sfernice , BCcomponents , Beyschlag, росла и развивала направления своей продукции.

STMicroelectronics – одна из крупнейших компаний производящая полупроводниковые компоненты, образованная в результате слияния двух компаний по производству микроэлектроники: итальянской Societa и Generale Semiconduttori (SGS) Microelettronica и французской Thomson Semiconducteurs . На момент слияния компания называлась SGS-Thomson, а затем преобразована в тот вид, в котором сейчас выступает на рынке электронных компонентов.

Infineon , немецкая компания, образовавшаяся путем выделения в самостоятельную компанию подразделения корпорации Siemens, заняла свою нишу на рынке силовых электронных компонентов.

Fairchild – американская компания до недавнего времени принадлежавшая компании National Semiconductor, и в 1997 году ставшая самостоятельным предприятием со штаб-квартирой в штате МЭН.

ON - Semiconductors – еще один американский производитель электронных компонентов. Штаб-квартира компании находится в городе Феникс (штат Аризона) была выделена из компании Motorola в августе 1999 года.

Так же на Российском рынке электронных компонентов распространены электронные компоненты различных Восточных производителей с сомнительным качеством выпускаемой продукции, например Diodes , DC Components , Pan Jit и другие.

Компания NXP Semiconductors – одна из ведущих компаний по производству полупроводниковых компонентов, основанная компанией Philips Semiconductors , и выделена в самостоятельную компанию в 2006 году имеет более 50 заводов по всему миру. В продукции выпускаемой компанией NXP можно найти практически все полупроводниковые компоненты от диодов, транзисторов общего назначения и MOSFET транзисторов, одну из наибольших линеек микроконтроллеров (более 300), микросхем для бесконтактных охранных систем (HITAG, MIFARE, I-CODE, UCODE, NFC) и заканчивая мультимедийными микросхемами аудио и видео кодеров и декодеров, и Hi-END процессором Nexperia.

В сочетании с передовыми технологиями и европейским подходом к организации производства продукция компании NXP позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности аппаратуры.

В портфолио компании NXP насчитывается около 300 наименований защитных диодов. TVS -диоды выпускаются в различных модификациях исполнения и вариантах корпусов, от простых SOT23, до 20-выводных SOIC. В таблице перечислены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики:

Защитные диоды NXP
Наименование	Упаковка	I RM макс (мА)	Число линий защиты	P имп (Вт)	V тип (В)	V обр (В)

Еще одним из ведущих производителей полупроводниковых элементов является компания Diotec. Компания Diotec Semiconductor AG (Diotec) – была образована в 1973 году в городе Хайтерсхайм (Германия). На сегодняшний день компания является ведущим производителем стандартных и силовых полупроводниковых диодов и выпрямителей. Благодаря применению собственной уникальной технологии Plasma EPOS , не имеющей аналогов в мире, обеспечивающей высокое качество производимой продукции.

В сочетании с передовыми технологиями и немецким подходом к организации производства продукция Diotec позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности.

Одной из наиболее сильных и многочисленных линеек продукции Diotec являются TVS-диоды (transient voltage suppressors) в этой линейке насчитывается более 1500 наименований, в таблице приведены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики:

TVS-диоды Diotec
		Импульсная мощность макс	Напряжение стабилизации	Обратный ток макс	Напряжение пробоя

Маркировка и краткий перечень TVS-диодов Diotec

Маркировка TVS-диодов Diotec основано на различных системах обозначения:

Обозначение, основанное на напряжении пробоя VBR:
P4KE …, P6KE…, 1.5KE…, BYZ35…, BYZ50…, TGL34…, TGL41…, SDA2AK , SDA4AK , наименование таких позиции основано на номинальном напряжении пробоя. Номинальное напряжение допускается ±5% или ±10%, в дополнение к этому Diotec устанавливает максимальное значение напряжения стабилизации для каждого типа.

Обозначение, основанное на напряжении стабилизации VWM:
BZW04…, BZW06…, 5KP …, P4AMAJ …, P6SMBJ …, 1.5SMCJ …, наименование таких позиции основано на максимальном значении напряжения стабилизации. Соответствующее напряжение пробоя так же определяется спецификацией, но не номинальной величиной, а минимальным значением.

Выводные TVS-диоды Diotec
Корпус		Опорное напряжение	Пиковое значение мощности P PPM Вт
		VBR/VWM В
	BZW04-5V8… BZW04-376B
	P4KE6.8…P4KE440CA
	BZW06-5V8… BZW06-376B
	P6KE6.8…P6KE440CA
	1.5KE6.8…1.5KE440CA
	5KP5.0…5KP110A
	BYZ35A22…BYZ35A37 BYZ35K22…BYZ35K37
	BYZ50A22…BYZ50A37 BYZ50K22…BYZ50K37

SMD TVS-диоды Diotec
Корпус	Тип	Опорное напряжение	Пиковое значение мощности PPPM Вт
		VBR/VWM В	150	300	400	600	1500
SOD-80 MiniMELF	TGL34-6.8…TGL34-200CA	6,8-200
SOD-80 MiniMELF	SDA2AK, SDA4AK	1, 2
	TGL41-6.8…TGL41-200CA	6,8-200
SMA DO-214AC	P4SMAJ6.5…P4SMAJ170CA	6,5-170
SMB DO-214AA	P6SMAJ6.5…P6SMAJ170CA	6,5-170
SMC DO-214AB	1.5SMCJ6.5…1.5SMCJ170CA	6,5-170

При выборе схем защиты электронных устройств следует учитывать некоторые рекомендации, описанные выше. Одной из важных составляющих при защите электронных устройств является качество элементов. Установленный некачественный защитный элемент может повлиять на функциональность дорогой аппаратуры, или вовсе вывести ее из строя. При выборе защитных элементов не стоит руководствоваться только ценой, и закупать электронные компоненты сомнительных и неизвестных или малоизвестных компаний, а руководствоваться качеством приобретаемых элементов и приобретать у официальных представителей компаний производителей.

Примеры аналогов TVS-диодов различных производителей
	Производитель	Макс V WM , В	Мин V BR , В	V C , В	I PPM , А
	ON - Semiconductors
	STMicroelectronics

Защита электроники от перенапряжения и мощных помех является проблемой важной не только для спецтехники, но и для промышленности, проводных сетей и устройств вычислительной техники, связи и бытовой электроники. Эта проблема решается достаточно просто с помощью супрессоров - TVS диодов (ограничителей напряжения), варисторов, TVS-тиристористоров и разрядников и с помощью ограничителей напряжения на обычных диодах. Здесь я расскажу о применении TVS- диодов и немного разрядников.

TVS диоды (супрессоры) - полупроводниковые диоды, позволяющие ограничивать импульсные всплески перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжение лавинного пробоя диода. Эти перенапряжения возникают из-за внешних воздействий, таких как: электростатические разряды (ESD), грозовые разряды, подключение индуктивной нагрузки и др.

Статическое электричество – явление, при котором на поверхности и в объеме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд. Как правило, незаряженные атомы обладают одинаковым количеством положительных и отрицательных электронов, электрически заряженными объектами считаются, обладающие малым либо избыточным числом электронов. Взаимодействие точечных электрических зарядов описывается законом Кулона.

При стекании на металлоконструкции (в том числе и заземленные) происходит кратковременное повышение напряжения на металлоконструкции, проводниках, элементах электронных схем. Это повышение может многократно превышать напряжение питания электронных схем.

Переходный процесс – в электрической цепи, явление, возникающее при переходе из одного режима работы электрической цепи в другой, отличающийся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров или конфигурацией цепи.

История открытия статического заряда и его происхождение

Закон взаимодействия электрических зарядов был открыт Шарлем Огюстен де Кулоном в 1785 году. Однако за 11 лет до открытия и формулирования его закона, Генри Кавендиш установил закономерность взаимодействия зарядов, но результаты его исследовании не были опубликованы и долгое время оставались не известными. Электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия атомных и молекулярных сил (из-за различия работы выхода электрона из материалов). При этом происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах еще и ионов) с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоев с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы и молекулы одного вещества отрывают электроны от другого вещества. Полученная разность потенциалов соприкасающихся поверхностей зависит от ряда факторов – диэлектрических свойств материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажности и температуры поверхностей этих тел, климатических условий. При последующем разделении этих тел каждое из них сохраняет свой электрический заряд, а с увеличением расстояния между ними за счет совершаемой работы по разделению зарядов, разность потенциалов возрастает и может достигнуть десятков и сотен киловольт.
Электрические разряды могут взаимно нейтрализоваться вследствие некоторой электропроводности влажного воздуха. При влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает.

Статическое электричество вокруг нас

Среда вокруг нас очень загрязнена не только пылью, химическими элементами от выбросов промышленных предприятий, но и помехами, вызванными электрическими зарядами. Электрические помехи окружающие нас вызваны атмосферными явлениями и промышленными устройствами.

Статическое электричество в природе

Электростатические явления встречаются повсюду вокруг нас. Впервые электризация жидкости при дроблении была замечена у водопадов Швейцарии в 1786 году, это явление получило название баллоэлектрического эффекта. Заряженный воздух у водопадов сообщают микроскопические капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от водной поверхности и уносятся в окружающую среду. Эффект электризации наблюдается не только у водопадов, но и в пещерах.

Воздух у берегов морей приобретает положительный заряд, вследствие разбрызгивания соленой воды. Так же наблюдаются электрические разряды в ходе схода
снежных лавин.

В результате движения атмосферных масс мы достаточно часто можем наблюдать такое явление как молния. Молния – это тот же электрический разряд, возникший в атмосфере. Это явление достаточно изучено, и в настоящей статье это явление более подробно рассматривать не будем.

Статическое электричество в технике

В технике из-за статического электричества возникают перенапряжения, вызывающие импульсы тока, что ведет зачастую к выходу из строя электроники. Методы защиты электроники от скачков и выбросов напряжения и тока мы рассмотрим позже.
Статическое электричество может быть хорошим помощником человека, если изучить его свойства и правильно их применять. В технике применяется следующий
метод: мельчайшие твердые или жидкие частицы материала поступают в электрическое поле, где на их поверхность «оседают» электроны и ионы, т.е. частицы, приобретают заряд и далее движутся под действием электрического поля. В зависимости от назначения аппаратуры можно с помощью электрических полей по-разному управлять движением частиц в соответствии с необходимым технологическим процессом. Такие технологии активно применяются в автомобиле строении, рыбной промышленности, текстильной и хлебопекарной промышленности. А так же на основе заряженных частиц построен ряд систем для очистки воздуха.

Возникновение перенапряжения

При эксплуатации электронного оборудования в его цепях возникают различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перепады напряжения.

Перепад напряжения – случайные пульсации напряжения с амплитудой большей, чем рабочее напряжение в цепи. Такие перегрузки возникают в результате возникновения электромагнитных импульсов естественного происхождения (грозовые разряды), импульсов искусственного происхождения (излучение радиопередающих устройств, высоковольтных линий передач, сетей электротранспорта и др.), а так же за счет внутренних переходных процессов в оборудовании, которые возникают при отключении емкостной, индуктивной нагрузки или электростатических разрядов. Перепад может длиться от несколько наносекунд до нескольких миллисекунд.

Такие переходные процессы сокращают срок службы электронного оборудования или вовсе выводят его из строя, что усложняет жизнь разработчикам электроники, которым необходимо разрабатывать схемы защиты электронных устройств.
В то время как перепады могут возникать по различным причинам наиболее распространенными и опасными являются грозовой и статический разряд.
Перепады, вызванные грозовым разрядом, характеризуются высокоэнергетическими длительными импульсами с длительностью от десятков до тысяч микросекунд. Формы импульсов определяются стандартами IEC61000-4-5 и 61643-321 рисунок 1.
Электростатический разряд другой наиболее распространенный перепад напряжения. Электростатический заряд возникает из-за трибоэлектрического эффекта.

Трибоэлектрический эффект – эффект при котором электрический заряд возникает из-за механического контакта двух диэлектриков. Наиболее распространенные трибоэлектрические материалы – нейлон, бумага, резина, винил, эбонит.
Человеческое тело является отличным аккумулятором статического напряжения, по мере своей активной деятельности статический заряд может накапливаться на теле человека и при контакте с токопроводящим объектом происходит разряд.

Статически разряды могут достигать напряжения до 15 тысяч вольт. Форма волны разряда достигает пика в 1 наносекунду с общей продолжительностью до 60 наносекунд рисунок 2.

Рис.2. Импульс статического разряда стандарт IEC61000-4-2

Для защиты цепей электронных устройств от воздействия электрических перегрузок могут использоваться различные методы, основными из которых являются:
конструкционные, структурно - функциональные, схемотехнические.
Конструкционные методы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.
Методы структурно-функциональной защиты включают в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов.

Схемотехнические способы защиты включают в себя: пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия является активная защита.

Основными элементами активной защиты являются, TVS-диоды (transient voltage suppressors) (или так называемые супрессоры, защитные диоды, ограничители
напряжения), варисторы, TVS-тиристоры и разрядники.

Методы защиты электроники от выбросов напряжения

Методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC и RC-фильтров, а так же экранов между обмотками сетевых трансформаторов зачастую не
спасают положение. Избежать негативных последствий скачков напряжения позволяют устройства защиты, которые вводятся в состав схемы и принимают на себя удары, которые могут выводить из строя электронные устройства.

Защитные элементы должны выполнять две основные функции:

Отклонять скачек напряжения от защищаемых цепей,

Фиксировать перепад напряжения ниже порога повреждения защищаемого элемента для данной ширины импульса.

С дальнейшим, восстановления нормальной работы цепи (без явлений перепадов), защитный элемент не должен ухудшать функционирование защищаемой цепи.

Так гасящий элемент для высокоскоростных интерфейсов должен обладать достаточно быстрым временем реакции, низким защитным и рабочим напряжением и вслучае портативных или ручных устройств, они должны занимать минимум рабочего пространства.

Как правило, чем ближе находится элемент гасящий броски напряжения к защищаемому устройству, тем лучше могут быть его ограничивающие характеристики.
На сегодняшний день, стратегия борьбы от электростатического разряда и его последствий заключается в использовании схем защиты электронных устройств от
импульсных всплесков при переходных процессах. Реализуется он с помощью установки на основной схеме элементов защиты – устройства гашения импульсов, например варисторы, полупроводниковые элементы общего назначения или специальные полупроводниковые ограничители напряжения. В течение переходного процесса ток протекает через устройство гашения импульсов, в свою очередь это ведет к снижению значения переходного напряжения в основной схеме.
Устройства гашения импульсов можно разделить на две категории:

Ограничители сигнала,

Электронные ключи.

Каждый из типов устройств оптимизирован для определенных условий переходного процесса.

Электронно-ключевые устройства

На первом 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 электронные ключи способны манипулировать большими значениями
токов. Недостатком электронных ключей является то, что для возврата устройства в непроводящее состояние необходимо понижать значение прямого тока до определенного уровня отключения, а так же высокая цена.

TVS-диоды

Ограничитель напряжения – это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) с лавинным пробоем или на прямой ветви ВАХ. TVS-диод предназначен для защиты от перенапряжения интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и др.

У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична ВАХ стабилитронов. В условия 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 защитного устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода.

Рис. 3. Вольтамперная характеристика (ВАХ) TVS-диода

Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничитель автоматически возвращается в высокоимпедансное состояние.

Одним из основных параметров TVS-диодов является время реакции. Время реакции на обратной ветке ВАХ (ветка лавинного пробоя) составляет несколько пикосекунд.

Применение TVS - диодов позволяет упростить схемы устройств защиты и повысить их надежность (например по сравнению с защитными тиристорами).

К сожалению, стандартная технология TVS-диодов не позволяет делать их достаточно эффективными для напряжений ниже 5 вольт.

Как правило защитные диоды – это кремниевые плоскостные диоды намеренно разработанные с большой областью переходя, для того чтобы они могли справляться с высокими скачками напряжения, что делает их бесполезными для использования при низком напряжении. Их емкостное сопротивление напрямую относится к области перехода и растет экспоненциально, в то время как рабочее напряжение снижается.

Влияние емкостной нагрузки, которую создает защитный диод высокочастотному 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 их основе делятся на три группы: низкоемкостное шунтирование, защита на основе информации о скачках напряжения и низкоемкостной мост.

Низкоемкостное шунтирование

Этот метод имеет преимущество перед другими методами, заключающееся в том, что емкостные элементы соединены последовательно (в качестве емкостных элементов выступают компенсационный и защитный диод) (рис. 4). Величина эффективной емкости двух последовательно соединенных элементов всегда меньше величины емкости наименьшего из них. В таком случае TVS-диод выигрывает за счет наличия соединенного последовательно низкоемкостного компенсационного выпрямителя. Две пары защитный диод плюс выпрямитель соединенных 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.

Рис.4. Встречно-параллельное включение

Конфигурация Rail-to-Rail

При защите высокоскоростных устройств передачи данных на основе информации о скачках напряжения используются низкоемкостные регулирующие диоды (рис. 5).

Рис.5. Встречно-параллельное включение выпрямительных диодов

Между двух устройств, размещенных на линии в ряд, проведены 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 при использовании данного метода, необходимо учитывать:

Первое - дискретные элементы обычно не рассчитаны на высокие скачки токов, связанных электростатическим разрядом (выпрямители обладают маленькой площадью перехода и при превышении номинальной мощности могут выйти из строя),

Второе – перенаправление импульса на питающую шину может привести к повреждению компонентов источника питания.
Проблему перенаправления выброса можно решить с помощью добавления TVS-диода на шину питания, для того что бы волна направлялась на землю, и фиксировать напряжение ниже уровня максимально допустимого для данного источника питания.

Низкоемкостной мост

Третий метод низкоемкостной защиты – мостовая конфигурация, заключается в следующем: мостовые выпрямители работают на уменьшение эффективной емкостной нагрузки, а так же направляют входящий переходный ток через TVS-диод (рисунок 6).

Рис.6. Встречно-параллельное включение выпрямительных диодов

Использование данного метода позволяет защитить линии передач данных, как от помех общего вида, так и от помех при дифференциальном включении. Однако применение данного метода выполненного на дискретных компонентах не рекомендуется в силу выше перечисленных причин.

Предпочтительным решением в этом случае будет применение интегрированного устройства, включающего в одном корпусе корректирующий всплески диодный мост и TVS-диод.

Выбор и применение TVS-диодов

Для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры основную роль играет выбор и правильность применения полупроводниковых защитных диодов (супрессоров). От этого зависит надежность аппаратуры и самих диодов. Таким образом, полупроводниковые TVS-диоды для любого устройства должны удовлетворять следующим требованиям:
- технические характеристики и параметры диодов должны быть такими, что бы при отсутствии переходных процессов они не оказывали влияния на характеристики
функциональных блоков и устройств в которых они используются;
- уровень напряжения во время действия импульса переходного процесса в точках подключения защитных диодов должен быть как можно ближе к уровню напряжения, действующему до перегрузки;
- надежность TVS-диодов должна быть выше надежности защищаемых устройств;
- быстродействие супрессоров должно быть максимально возможным, для возможности обеспечения качественной защиты при больших скоростях изменения напряжения переходных процессов;
- габариты и масса защитных диодов должны быть меньше габаритов и массы защищаемой аппаратуры;
- параметры и характеристики TVS-диодов должны соответствовать требованиям, по устойчивости к воздействию внешних факторов, предъявляемым к аппаратуре и иметь срок службы соответствующий данному классу аппаратуры.

Схемы защиты аппаратуры

При выборе защитных диодов в первую очередь определяются параметры импульса переходного процесса, то есть амплитуду напряжения, длительность импульса и его форму. Параметры защищаемой цепи выбираются из следующих условий: активное сопротивление и/или индуктивность цепи, и характеристики напряжения действующего в цепи при отсутствии импульса переходного процесса, а так же допустимую амплитуду напряжения в цепи в момент воздействия импульса переходного процесса.
Защитный диод выбирается исходя из расчетного значения пиковой мощности P PPM с учетом длительности импульса переходного процесса t p и его формы (рис.1) и постоянного обратного напряжения V WM , которое должно быть равно напряжению, действующему в цепи или несколько превышать его с учетом максимального допуска.
При не достаточной мощности P PPM одного TVS-диода соответствующей заданному требованию, защитные диоды устанавливаются последовательно, пиковая мощность установленных последовательно защитных диодов суммируется. Возможна установка неограниченного числа защитных диодов, но при этом необходимо учитывать, что разброс по напряжению пробоя V BR каждого диода не должен быть более 5%. Это требование необходимо учитывать для равномерного распределения нагрузки на последовательно соединенных элементах. При невозможности достичь требуемой пиковой мощности последовательно соединенных диодов допускается их параллельное включение. При рассмотрении схемы так же необходимо точное согласование диодов по импульсному напряжению ограничения V C , что обеспечит равномерную загруженность диодов по мощности, оно не должно отличаться более чем на 20 мВ. На практике зачастую необходимо применять смешанное соединение диодов, что вполне допустимо.
Защищаемые цепи подразделяются на цепи постоянного тока, переменного тока (симметричные или асимметричные), а так же сигнальные цепи, несущие информацию посредством одно- или двухполярных импульсных сигналов (высокой или низкой частоты), исходя из этого, необходимо выбирать требуемую схему защиты и ее элементы.

Одноуровневые схемы защиты

Защита цепей питания переменного тока

Защита цепей переменного тока может осуществляться путем включения двух несимметричных TVS-диодов, как показано на рисунке 7 и 8. Включение элементов

Рис.7 Схема защиты цепи с несимметричными TVS-диодами	Рис.8 Схема защиты цепи с несимметричными TVS-диодами

Защиты на входе и выходе трансформатора позволит снизить уровень напряжения на его выходе. При наличии в цепи переменного тока выпрямительных диодов включенных по мостовой схеме их защита может быть осуществлена одним симметричным TVS-диодом при его включении в диагональ моста рисунок 9.

Рис.9 Схема защиты с симметричными TVS-диодом включенным в диагональ моста

Однако быстродействие защиты в этом случае будет определяться временем отключения выпрямительных диодов.

Защита цепей постоянного тока

Для защиты цепей постоянного тока от различного рода перегрузок по напряжению используются несимметричные защитные диоды.

Рис.10. Типовая схема включения TVS-диодов для защиты ИП

Несимметричность TVS-диодов позволяет осуществить защиту на разных потенциальных уровнях, что характерно для цепей постоянного тока. Пороговое напряжение этих приборов ниже уровня ограничителя и позволяет обеспечивать автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса напряжения. Время их включения меньше самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока. Типовая схема TVS-диодов для защиты источников питания постоянного тока от электрических перегрузок по напряжению приведена на рисунке 10. Защитные диоды в таком случае должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания.
Для защиты от перенапряжений ключевых элементов, в цепях которых имеется индуктивная нагрузка, TVS-диоды включаются параллельно защищаемому элементу как показано на рисунке 11а, либо параллельно нагрузке рис.11б.

Для надежной защиты ключевого элемента от опасных перегрузок по напряжению используется схема защиты, приведенная на рис.11в.

Рис.11. Схемы защиты ключевых элементов

Одной из наиболее частых причин выхода из строя электронных устройств, включающих в себя MOSFET транзисторы, является превышение допустимого значения напряжения сток-исток V DS . Так при переключении индуктивной нагрузки происходит перенапряжение, в результате которого превышается максимально допустимое напряжение V DS MOSFET транзистора, что вызывает лавинный пробой полупроводника и разрушение транзистора. Одним из методов защиты MOSFET является схема включения защитного диода между стоком и истоком.
Переходные процессы в затворе MOSFET транзистора часто происходят из-за разрядов электростатического электричества (ESD). Установка супрессора между затвором и истоком позволит защитить транзистор от входных переходных процессов (рисунок 12). В таком случае рекомендуется устанавливать защитный диод со значением обратного напряжения, превышающим входное напряжение MOSFET транзистора.

Рис.12. Защита MOSFET транзистора

Защита цепей передачи данных и цепей переменного тока высокой частоты

Применение TVS-диодов – это хорошее решение для защиты подобных цепей. Выбор защитного диода зависит от характера сигналов действующих в цепях (одно- или двухполярных) и частоты их повторения.

Рис.13. Защита линии передачи данных

Для защиты цепей с однополярными сигналами может быть использована схема включения несимметричных TVS-диодов, приведенная на рисунке 13. Защитные диоды включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных. При наличии в цепи двухполярных сигналов, вместо, несимметричных защитных диодов используются симметричные TVS-диоды.

Рис.14. Защита USB

На рисунке 14 приведена схема защиты для портов USB, в качестве защитного элемента в схеме можно применить сборку защитных диодов серии PRTR5V0U2X (NXP), обладающую низкой емкостью и высокой скоростью реакции, выполненных в едином 4-выводном корпусе SOT4. Диодная сборка позволяет обеспечить защиту двух высокоскоростных шин без потерь сигнала.

Рис.15. Защита CAN шины

Особую роль играют схемы защиты в автомобильной электронике. На рисунке 15 приведена схема защиты для автомобильной системы передачи данных, построенной на высокоскоростном CAN-трансивере серии TJA1042. В качестве элемента защитной схемы применена диодная сборка серии PESD1CAN обеспечивающая защиту двух линий. Сборка, выполненная в корпусе SOT23 разработанная компанией NXP для применения в автомобильной электронике.

Рис.16. Защита высокочастотных линий

Аналогичную схему защиты можно применять и для LIN шин, например с использованием диодной сборки в корпусе SOD323 серии PESD1LIN. Асимметричная конструкция диода позволяет максимально эффективно защитить электронику автомобиля. Для защиты высокоскоростной автомобильной шины стандарта FlexRay компания NXP рекомендует применять защитные диоды серии PESD1FLEX выполненных в маленьком корпусе для SMD монтажа SOT23.
В цепях высокой частоты рекомендуется использовать супрессоры с маленькой емкостью, а для уменьшения емкости как уже отмечалось ранее, последовательно включается импульсные диоды с малой емкостью (диоды с барьером Шоттки), как показано на примере защиты схемы симметричных линий связи рисунок 16 а и б.

Многоуровневые схемы защиты

Многоуровневые схемы защиты используются в том случае, когда величина энергии защитного диода превышает установленный для него допустимый уровень. Типичным примером использования многоуровневой защиты является двухступенчатая защита в симметричных линиях связи, где TVS-диоды включают в каждую цепь линии симметрично относительно общей шины заземления, как показано на рисунке 17 а и б, для случаев защиты низкочастотных и высокочастотных цепей. Время прохождения импульса тока через TVS-диоды равно времени запаздывания пробоя разрядников, которое не превышает 0,5-1 мкс, поэтому

Рис.17. Многоуровневые схемы защиты

поглощаемая диодом энергия не велика, и основная доля энергии напряжения поглощается разрядником. При наличии второй ступени защиты в цепь должен быть включен дополнительно ограничивающий резистор.

Необходимо учитывать!

При проектировании защиты на TVS - диодов необходимо учитывать их высокую емкость, которая обуславливается их конструкцией и принципом работы.

Эта емкость может существенно влиять на сигнальные цепи шунтируя сигнал, искажая его.

Рис. 18. Зависимость С от V (BR) для серий дискретных TVS-диодов серии 1.5KE6.8 - 1.5KE440CA (1N6267 - 1N6303A)

Для снижения влияния емкости применяются методы описанные выше.

Сравнение элементов защиты от перенапряжений

Как отмечалось ранее, основными элементами активной защиты являются, TVS-диоды (transient voltage suppressors), варисторы, TVS-тиристоры, разрядники и др.
Сравним их функциональные характеристики для применения в схемах защиты от перенапряжений.

Защитный элемент	Преимущество	Недостатки	Варианты использования
Разрядник	Низкая емкость. Высокое сопротивление изоляции.	Высокое напряжение возникновения разряда. Малый срок службы. Низкая надежность. Значительное время срабатывания. Шунтирование защищаемой цепи после прохождения импульса. Высокая цена.	Первичная защита телекоммуникационных и силовых цепей. Первая ступень комбинированной защиты.
Варистор	Высокое значение допустимого тока. Низкая цена. Широкий диапазон рабочих токов и напряжений.	Ограниченный срок службы. Высокое напряжение ограничения. Большая собственная емкость. Проблема SMD монтажа.	Вторичная защита. Защита силовых цепей и автомобильной электроники. Защита электронных компонентов печатной платы. Первая и вторая ступень комбинированной защиты.
TVS-тиристор	Не подвержен деградации. Высокое быстродействие. Высокий управляющий ток.	Ограниченный диапазон рабочих напряжений. Шунтирование защищаемой цепи. Необходимость понижения значения прямого тока для возврата устройства в непроводящее состояние. Высокая цена.	Первичная и вторичная защита в телекоммуникационных цепях
TVS-диод	Низкие уровни напряжения ограничения. Высокая долговечность и надежность. Широкий диапазон рабочих напряжений. Высокое быстродействие. Низкая собственная емкость. Удобные корпуса для SMD монтажа. Низкая стоимость.	Низкое значение номинального импульсного тока.	Оптимален для защиты полупроводниковых компонентов на печатной плате. Вторичная защита. Защита от электростатического разряда и переходных процессов. Оконечная ступень в комбинированных защитных устройствах.

Производители защитных диодов

На рынке производителей защитных полупроводниковых электронных компонентов работают: Vishay, NXP , STMicroelectronics, Diotec, Fairchild и др.

Наиболее известна компания Vishay . Компания за счет приобретения ряда производителей или их подразделений по производству полупроводниковых элементов таких как Siliconix, Telefunken, Infineon, General Semiconductor, Dale, Draloric, Sprague, Vitramon, Sfernice, BCcomponents, Beyschlag, росла и развивала направления своей продукции.

STMicroelectronics – одна из крупнейших компаний производящая полупроводниковые компоненты, образованная в результате слияния двух компаний по производству микроэлектроники: итальянской Società и Generale Semiconduttori (SGS) Microelettronica и французской Thomson Semiconducteurs.

Infineon , немецкая компания, образовавшаяся путем выделения в самостоятельную компанию подразделения корпорации Siemens, заняла свою нишу на
рынке силовых электронных компонентов.

Fairchild – американская компания до недавнего времени принадлежавшая компании National Semiconductor, и в 1997 году ставшая самостоятельным предприятием со штаб-квартирой в штате МЭН.

ON-Semiconductors – еще один американский производитель электронных компонентов. Штаб-квартира компании находится в городе Феникс (штат Аризона) была
выделена из компании Motorola в августе 1999 года.

NXP Semiconductors одна из ведущих компаний по производству полупроводниковых компонентов, основанная компанией Philips Semiconductors, и выделена в самостоятельную компанию в 2006 году имеет более 50 заводов по всему миру. В продукции выпускаемой компанией NXP можно найти практически все полупроводниковые компоненты от диодов, транзисторов общего назначения и MOSFET транзисторов, одну из наибольших линеек микроконтроллеров (более 300), микросхем для бесконтактных охранных систем (HITAG, MIFARE, I-CODE, UCODE, NFC) и заканчивая мультимедийными микросхемами аудио и видео кодеров и декодеров, и Hi-END процессором Nexperia. В каталогах компании NXP насчитывается около 300 наименований защитных диодов. TVS-диоды выпускаются в различных модификациях исполнения и вариантах корпусов, от простых SOT23, до 20-выводных SOIC. В таблице 1 перечислены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики. В сочетании с передовыми технологиями и европейским подходом к организации производства продукция компании NXP позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности аппаратуры.

Так же на Российском рынке электронных компонентов распространены электронные компоненты различных Восточных производителей с сомнительным качеством выпускаемой продукции, например Diodes, DC Components, Pan Jit и другие.

Наименование	Упаковка	I RM макс (мА)	Число линий защиты	Pимп (Вт)	Vтип (В)	Vобр (В)
BZA100	SO20	2	18	-	6,8	5,25
BZA408B	SC-74	0,1	4	-	5,5	5
BZA820A	SC-88A	0,1	4	-	20	15
BZA956A	SO5	1	4	-	5,6	3
BZA956A VL	SO5	0,2	4	-	5,6	3
MMBZ12V AL	TO-236AB	0,005	1	40	12	8,5
PESD12VL1BA	SOD323	0,05	1	200	15,9	12
PESD1CAN	SOT23	0,05	2	200	27,8	24
PESD1FLEX	SOT23	50	-	200	27,8	24
PESD1LIN	SOD323	0,05	1	160	27,8	24
PESD24VL1BA	SOD323	0,05	1	200	27,8	24
PESD2CAN	SOT23	10	2	230	28	24
PESD3V3L1BA	SOD323	2	1	500	6,4	3,3
PESD5V0L1BA	SOD323	1	1	500	7,6	5
PESD5Z12	SOD523	10	-	200	-	12
PRTR5V0U1T	SOT23	0,1	1	-	-	3
PTVS10VS1UR	SOD123	0,6	-	400	18	3,3

Таблица 1, Защитные диоды NXP

Еще одним из ведущих производителей полупроводниковых элементов является компания Diotec. Компания Diotec Semiconductor AG (Diotec) – была образована в 1973 году в городе Хайтерсхайм (Германия). На сегодняшний день компания является ведущим производителем стандартных и силовых полупроводниковых диодов и выпрямителей. Благодаря применению собственной уникальной технологии Plasma EPOS, не имеющей аналогов в мире, обеспечивающей высокое качество производимой продукции.
В сочетании с передовыми технологиями и немецким подходом к организации производства продукция Diotec позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности.
Одной из наиболее сильных и многочисленных линеек продукции Diotec являются TVS-диоды (transient voltage suppressors) в этой линейке насчитывается более 1500 наименований, в таблице 2 приведены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики.

Таблица 2. TVS-диоды Diotec

P/N	Корпус
		Импульсная мощность макс	Напряжение стабилизации	Обратный ток макс	Напряжение пробоя
		P PPM Вт	VWM В	ID @ VWM мА	VBRмин В	VBRмакс В	@ IT мА
1.5KE10	D5,4x7,5	1500	8,1	10	9	11	1
1.5KE100	D5,4x7,5	1500	81	5	90	110	1
1.5SMCJ10	SMC	1500	10	5	11,1	13,5	1
1.5SMCJ100	SMC	1500	100	5	111	135	1
5KP10	D8x7,5	5000	10	10	11,1	14,1	1
5KP100	D8x7,5	5000	100	10	111	141	1
BYZ35A22	D13x10,7	-	-	-	19,8	24,2	100
BZW04-10	DO-15	400	10,2	5	11,4	12,6	1
BZW04-102	DO-15	400	102	5	114	126	1
BZW04-10B	DO-15	400	10,2	5	11,4	12,6	1
BZW06-10	DO-15	600	10,2	5	11,4	12,6	1
BZW06-102	DO-15	600	102	5	114	126	1
BZW06-10B	DO-15	600	10,2	5	11,4	12,6	1
P4KE10	DO-15	400	8,1	10	9	11	1
P4KE100	DO-15	400	81	5	90	110	1
P4SMAJ10	SMA	400	10	5	11,1	13,5	1
P4SMAJ100	SMA	400	100	5	111	135	1
P6KE10	DO-15	600	8,1	10	9	11	1
P6KE100	DO-15	600	81	5	90	110	1
P6SMBJ10	SMB	600	10	5	11,1	13,5	1
P6SMBJ100	SMB	600	100	5	111	135	1
SDA2AK	DO-213	300	0,5	1000	0,8	1	1
SDA4AK	DO-213	300	1	1000	1,6	2	1
TGL34-10	DO-213	150	8,1	10	9	11	1
TGL34-100	DO-213	150	81	5	90	110	1

Маркировка TVS-диодов Diotec основано на различных системах обозначения:

Обозначение, основанное на напряжении пробоя: V BR: P4KE…, P6KE…, 1.5KE…, BYZ35…, BYZ50…, TGL34…, TGL41…, SDA2AK, SDA4AK, наименование таких позиции основано на номинальном напряжении пробоя. Номинальное напряжение допускается ±5% или ±10%, в дополнение к этому Diotec устанавливает максимальное значение напряжения стабилизации для каждого типа.

Обозначение, основанное на напряжении стабилизации : V WM: BZW04…, BZW06…, 5KP…, P4AMAJ…, P6SMBJ…, 1.5SMCJ…, наименование таких позиции основано на максимальном значении напряжения стабилизации. Соответствующее напряжение пробоя так же определяется спецификацией, но не номинальной величиной, а минимальным значением.

При выборе схем защиты электронных устройств следует учитывать некоторые рекомендации, описанные выше, одной из важных составляющих при защите
электронных устройств является качество элементов. Установленный некачественный защитный элемент может повлиять на функциональность дорогой аппаратуры, или вовсе вывести ее из строя. При выборе защитных элементов не стоит руководствоваться только ценой, и закупать электронные компоненты только проверенных производителей.

В таблице 5 приведены примеры аналогов защитных диодов различных производителей.

Таблица 3, Примеры аналогов TVS-диодов различных производителей

Тип	Производитель	Макс V WMВ	Мин V BR В	V C В	I PPM А
P6SMBJ8.5A	Diotec	8,5	9,4	14,4	41,7
P6SMB10A	ON-Semiconductors	8,55	9,5	14,5	41
SMBJ8.5A	Microsemi	8,5	9,44	14,4	41,7
SM6T10A	STMicroelectronics	8,55	9,5	14,5	41

Опыт применения компонентов компаний NXP и Diotec показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких как Infineon, STMicroelectronics, Fairchaild, ON-Semiconductors, Vishay, а зачастую и превосходить качественные и ценовые параметры этих производителей.

Газонаполненный разрядник (GDT - Gas Discharge Tube)

Газонаполненный разрядник (GDT - Gas Discharge Tube) - устройство, предназначенное для ограничения перенапряжений, возникающее в электрических цепях при коммутации электроустройств, при атмосферных явлениях (в частности грозовой разряд) и др. Обычно состоит из керамической трубки, заполненной инертными газами. В сравнении с другими устройствами защиты от перенапряжений газоразрядники способны рассеивать большую энергию и выдерживать токи до десятков килоампер. Главный минус газоразрядников - достаточно большое время срабатывания (до единиц микросекунд) делает их не самым лучшим решением для защиты скоростных интерфейсов. Эта проблема решается созданием комплексных цепей защиты, т.е. комбинированием газоразрядника и, например, TVS диода.

а

б

Рисунок 19

Схема работы

При нахождении газоразрядника в состоянии покоя (напряжении ниже напряжения пробоя) внутренне сопротивление газоразрядника велико и он не проводит ток.

При увеличении напряжения выше напряжения пробоя сопротивление резко падает и газоразрядник переходит в проводящее состояние. Это состояние тлеющего разряда, при котором газоразрядник потребляет ток около 0,5 А и напряжение между электродами достигает около 100 В. Далее внутри газоразрядника возникает разряд (световая дуга), напряжение которого составляет примерно 20 В, а протекающий ток достигает десятков килоампер. Через некоторое время напряжение дуги ослабевает, ток прекращается и разрядник переходит в нормальное состояние.

Стоит заметить, что собственная емкость газонаполненного разрядника мала, т.е. он не вносит существенных изменений в сигнал.

Основные применения

Газонаполненный разрядники находят применеие в телекомуникационной аппаратуре, телефонии, передающем оборудовании.

Преимущества разрядников

• Малая емкость
• Способность рассеивать большую энергию
• Стойкость к воздействию внешних факторов

Littelfuse предлагает линейку газонаполненных разрядников на большой диапазон напряжений, для поверхностного и навесного монтажа (двух- и трех - электродные). Также Littelfuse изготавливает газонаполненные разрядники с термической защитой (Failsafe), которая представляет из себя термоактивную внешнюю скобу. При перегревании корпуса скоба замыкает все электроды и заряд "стекает" в землю, тем самым сохраняя работоспособность устройства.

Серия	Корпус	Uном проб, В (DC)	Imax DC, A	Iпик, А (8х20 мкс)	Сmax, пФ	Кол-во электродов	Выводы
CG5		90-600	5	5000	1.5	2	Безвыводные Аксиальные
SL0902A		90-600	5	5000	1.5	2	Безвыводные
SL1002A		75-600	5	5000	1.2	2	Безвыводные
SL1003A		90-500	10	10000	1.2	3	Безвыводные Радиальные
SL1011A		75-600	5	5000	1.5	2	Безвыводные Аксиальные

Таблица 4.

Пример применения разрядников

Основные источники перегрузок с кабельных сетях - грозовые (электромагнитная наводка от грозового разряда и токи растекания разряда) и индустриальные (коммутация мощных потребителей и источников, перегрузки сети, переходные процессы в ЛЭП).

Удар молнии в телевизионную башню вызывает, за счет конечного сопротивления цепей заземления, бросок напряжения на земле башни (и, следовательно, передатчика и модулятора) по отношению к удаленной земле (например, земле аппаратно-студийного комплекса /АСК/). Величина перегрузки зависит от энергии молнии и сопротивления грозозащитного заземления башни, определяемого типом и влажностью грунтов. Как показывает статистика ремонта, наихудшее сочетание (высокоэнергичные грозы и сухой грунт) обычно достигается во второй половине лета.

В зависимости от энергии и протяженности разряда, длины линии между АСК и передатчиком и способа ее прокладки, перегрузка, вызванная грозовым разрядом на линиях между башней и АСК, обычно составляет от десятков до сотен вольт в течении нескольких десятков микросекунд. В ряде случаев (скалистый грунт, сухое лето, длинная воздушная линия) перегрузки могут достигать многих киловольт в течении сотен микросекунд.

Рисунок 19. Формирование грозового импульса
а). эквивалентная схема телевизионной башни и АСК
б). форма напряжения грозового импульса в магистральном кабеле

На рисунке 19 а приведена эквивалентная схема телевизионной башни, соединенной с АСК,

где: L – индуктивность башни, С 2 – емкость башни относительно земли, С 1 – распределенная емкость элементов башни, R i – сопротивление заземления башни, R r – сопротивление заземления АСК.

На рисунке 1.1б приведена форма огибающей импульса напряжения в магистральном кабеле, соединяющим телевизионную башню и АСК при грозовом разряде. Первый пик импульса обусловлен емкостью C 1 , второй – контуром LС 1 C 2.

В зависимости от параметров башни и линии, длительность первого импульса, обусловленного прямой электромагнитной наводкой на линию, может составлять от сотен наносекунд до единиц микросекунд, а длительность второго импульса – во много раз больше.

Рисунок 20. Эквивалентная схема распределения грозовых токов и
напряжений.

На рисунке 20 приведена эквивалентная схема распределения грозовых токов, протекающих по цепям заземления и оплеткам кабелей, и соответствующих напряжений,

где: R k – сопротивление магистрального кабеля, Rб – сопротивление башни, RАСК – эквивалентное сопротивление цепей сигнального заземления АСК, i 0 – ток грозового разряда, i k – ток грозового импульса в линии, i a – ток заземляемый грозозащитой, i e – ток грозового импульса в линии после прохождения грозозащиты, ΔU – разница потенциалов между землями башни и АСК, Uвх – напряжение, поступающее на вход АСК.

При ударе молнии в башню, ток разряда i 0 частично заземляется через сопротивление заземления башни R i , а частично поступает в линию (i k). Разность потенциалов между землями башни и аппаратно-студийного комплекса определится потенциалом земли башни в момент разряда молнии и составит ΔU = i 0 R i. При типичном значении тока грозового разряда 20-100 кА (пиковое значение) и сопротивлении заземления башни 0.1 Ом (например), разность потенциалов между землями составит 2-10 кВ, что способно вывести из строя и кабельные системы и устройства формирования и передачи сигнала.
Потенциал грозового импульса на выходе АСК определится, в основном, током разряда, попавшем в линию и входным сопротивлением АСК:

Uвх = i х Rаск

и будет тем меньше, чем меньше сопротивление цепей заземления и чем больше сопротивление кабеля и разделительных/защитных устройств в кабельной цепи.

Типовая схема защиты симметричной линии (рис. 21) складывается из токовой защиты и защиты от перенапряжения. В качестве токовой защиты применяют различные типы предохранителей, мощные резисторы. В качестве защиты от перенапряжения применяют разрядники, полупроводниковую защиту: стабилитроны, тиристоры.

Рисунок 21. Типовая схема защиты.

Газовый разрядник (GDT – Gas Discharge Tube) является первичной относительно быстродействующей (80-200 нс) защитой, способной погасить значительные (до 20 кА) импульсные токи и обеспечивает разряд импульса напряжения на землю при достижении U gdt .(90-120В).
Полупроводниковая защита (D) является вторичной защитой и обеспечивает поглощение импульсов с напряжением ниже U gdt и ограничение выходногонапряжения на уровне 20-30В, что безопасно для большинства аналоговых устройств.
Полупроводниковая защита обладает высоким быстродействием (20-100 нс) и способна оперативно реагировать на короткие импульсы.
Компоненты полупроводниковой защиты имеют заметную емкость (многие сотни пФ), что ограничивает их применение цепями аналогового звука.

Пример работы устройства защиты серии TRZ

Рисунок 22. Формы напряжения в различных участках устройства грозозащиты TRZ-41AS:
а). входное воздействие, U in = 450 В; б). напряжение на газовом разряднике, U gdt = 90 В;
в). напряжение на стабилитроне, U d = 25 В; г). напряжение на выходе.

Конечно проблема защиты электронных устройств от перенапряжений много шире чем это описано здесь и каждый конкретный случай требует особого рассмотрения и своего оптимального решения. И здесь невозможно описать все.

Но цель этой подборки ознакомить Вас с возможными решениями с применением рассмотренных компонентов.

По материалам: сайтов МикроЭМ http://microem.ru/ и Гамма http://www.gamma.spb.ru/