Главная

Радиотехника

Андрей Кадуков

В реальных условиях эксплуатации электронного оборудования в его цепях могут возникать различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перегрузки по напряжению (перенапряжения), создаваемые электромагнитными импульсами естественного происхождения (за счет мощных грозовых разрядов), электромагнитными импульсами искусственного происхождения (за счет излучений радиопередающих устройств, высоковольтных линий передачи, сетей электрифицированных железных дорог и т. п.), и за счет внутренних переходных циклов в оборудовании при ее функционировании (например, при переключениях индуктивных нагрузок) и электростатических разрядов (ЭСР).


Воздействие электромагнитного импульса (ЭМИ) естественного и искусственного происхождения на электронные компоненты приводит к изменению их параметров за счет как непосредственного поглощения ими энергии, так и воздействия на них наведенных в цепях импульсов токов и напряжений. По данным фирмы General Semiconductor, потери промышленности США от воздействий перенапряжений составляют более $10 млрд в год. Учитывая сроки эксплуатации электронного оборудования в России, его износ и отсутствие жестких требований по защите от перенапряжений можно предположить, что эти потери в нашей стране сопоставимы с американскими.

Наиболее чувствительными к воздействию импульсных напряжений и токов, наведенных ЭМИ естественного и искусственного происхождения на проводах и кабелях, являются подключенные к ним выходные устройства, в первую очередь выполненные на ИМС и дискретных полупроводниковых приборах.

Минимальная энергия, вызывающая функциональные повреждения полупроводниковых приборов и ИМС, составляет 10-2–10-7 Дж.

Для защиты цепей оборудования от воздействия электрических перегрузок могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.

Таблица 1. Сравнение элементов защиты от перенапряжений

Элемент защиты	Преимущество	Недостатки	Примеры использования
Разрядник	Высокое значение допустимого тока. Низкая емкость. Высокое сопротивление изоляции	Высокое напряжение возникновения разряда. Низкая долговечность и надежность. Значительное время срабатывания. Защищаемая цепь шунтируется. после прохождения имульса	Первичная защита телекоммуникацилнных 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. Высокая собственная емкость. Затруднительность поверхностного крепления	Вторичная защита. Защита силовых цепей и автомобильной электроники. Защита электронных компонентов непосредственно на печатной плате. Первая и вторая ступень комбинированной защиты
TVS-диод	Низкие уровни напряжения ограничения. Высокая долговечность и надежность. Широкий диапазон рабочих напряжений. Высокое быстродействие. Низкая собственная емкость. Идеально подходит для поверхностного монтажа	Низкое значение номинального импульсного тока. Относительно высокая стоимость	Идеален для защиты полупроводниковых компонентов на печатной плате. Вторичная защита. Защита от ЭСР, БИН и электрических переходных циклов. Оконечная ступень в комбинированных защитных устройствах
TVS-тиристор	Не подвержен деградации. Высокое быстродействие. Высокий управляющий ток	Ограниченный диапазон рабочих напряжений. Защищаемая цепь шунтируется после прохождения импульса	Первичная и втоичная защита в телекоммуникационных цепях

Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.

Группа структурно-функциональных методов включает в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов и др.

Схемотехнические методы включают в себя пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия ЭМИ является активная защита. Основным элементом схем активной защиты являются разрядники, металооксидные варисторы, TVS- (transient voltage supressor) тиристоры и TVS-диоды, называемые в отечественной литературе «супрессорами», «полупроводниковыми ограничителями напряжения (ПОН)» или «диодами для подавления переходных циклов (ППН)». Поскольку в данной аналитической статье описываются полупроводниковые приборы зарубежных производителей, будем использовать термин «TVS-диоды».

В табл. 1 приведено сравнение различных элементов активной защиты от перенапряжений.

За рубежом TVS-диоды известны под названиями (торговыми марками) Trans Zorb, Transil, Insel и т. д.

В настоящий момент рядом производителей разработаны TVS-диоды, с помощью которых защита РЭА решена полностью. Более того, с января 1996 года Европейским комитетом по стандартизации (СЕNELEC) введены стандарты, запрещающие продажу на рынке ЕС аппаратуры без защиты, в состав которой входят TVS-диоды.

Полупроводниковые TVS-диоды — полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой, подавляющие импульсные электрические перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинного пробоя диода.

В нормальном рабочем режиме TVS-диод должен быть «невидим», значит не влиять на работу защищаемой цепи до момента возникновения импульса перенапряжения. Электрические характеристики TVS-диода не должны оказывать никакого влияния на нормальное функционирование цепи.

Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничивает выброс напряжения до безопасного, в то время как опасный ток протекает через диод на землю, минуя защищяемую цепь. Принцип работы TVS-диода показан на 1.

1. Принцип работы TVS-диода

TVS-диоды часто путают с кремниевыми стабилитронами (диодами Зенера). TVS-диоды разработаны и предназначены для защиты от мощных импульсов перенапряжения, в то время как кремниевые стабилитроны предназначены для регулирования напряжения и не рассчитаны на работу при значительных импульсных нагрузках.

TVS-диод обладает высоким быстродействием в отличие от газоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за значительного времени срабатывания (более 0,15 mкс) не решают проблемы защиты множественных полупроводниковых приборов и микросхем, поскольку для них недопустимы начальные выбросы напряжения, пропускаемые разрядниками.

Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является еще то, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при их применении защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного цикла, как это имеет место у разрядников.

Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов менее 10-12 с, а у симметричных— менее 5х10-9 с. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным циклам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Другой важной характеристикой TVS-диодов является барьерная емкость р–n-перехода. Малоемкостные TVS-диоды (С=90–100 пФ) применяются для защиты линий связи переменного тока с частотой до 100 МГц от выбросов напряжения.

Вольтамперные характеристики TVS-диодов и их схемотехнические символы приведены на 1–3.

2. ВАХ несимметричного TVS-диода

3. ВАХ симметричного TVS-диода

Основные электрические параметры TVS-диодов

U_проб. при I_Т (V_(BR)), В — значение напряжения пробоя при заданном тестовом токе пробоя I_Т ;

I_обр.( I_D) , мка — значение постоянного обратного тока, протекающего через прибор в обратном направлении при напряжении, равном V_обр.;

V_обр. (VWM), В — постоянное обратное напряжение (в соответствии с этим параметром выбирается тип ограничителя);

V_{огр. имп. мах.}( V_С), В — максимальное импульсное напряжение ограничения при максимальном импульсном токе при заданных длительности, скважности, форме импульса и температуре окружающей среды;

Р_{имп. мах.}(P_ppm), Вт — максимально допустимая импульсная мощность, рассеиваемая прибором, при заданных форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды.

Таблица 2. Предельные эксплуатационные характеристики

Параметр	Обозначение	Значение параметра	Единица измерения
Макс. имп. Мощность (имп.-10/1000 мкс)(1)	Pppm	мин. 1500	Вт
Макс. имп. Ток (имп. -10/1000 мкс)(1)	Ippm	см. следующую таблицу	А
Постоянна рассеиваемая мощность при Т=75°, длине выводов 9,5мм	Pm(av)	6,5	Вт
Макс. прямой ток, только для несимметричных диодов (2)	IFSM	200	A
Макс. имп. прямое напряжене при 100 А, только для несимметричных диодов(2)	VF	3,5/5,0	V
Температура окружающей среды	Т	-55...+175	°С

Примечание.

1. При одиночном импульсе тока и при температуре 25°С.
2. Измеряется при воздействии одиночного импульса в виде синусоидальной полуволны длительностью 8,3 мс или эквивалентного прямоугольного импульса, с максимальной частотой следования импульсов - 4 имп/мин (метод JEDEC)
3. V_F = 3,5 B для диодов с V_(BR) < 220 B, и VF = 5,0 B макс. для диодов с V_(BR) > 220 B.

1. Симметричные диоды в обозначении имеют суффикс "С".
2. Диоды ICTE-5 и 1N6373 выпускаются только в несимметричном исполнении.
3. Указанное минимальное напряжение пробоя имеет допуск ±1 Вольт.
4. Коэффициент ограничения (К_огр.): не превышает 1,33 при мощности равной Р_{имп.макс} и не превышает 1,2 при 0,5 Р_{имп.макс.} К_огр. - отношение V_C/V_BR.