Przejściowe skoki napięcia i przepięcia mają różny wpływ na obwody elektroniczne, od irytujących drobnych usterek po katastrofalne skutki, które powodują uszkodzenie elementów obwodów. Przyczyny tych stanów nieustalonych są różnorodne, obejmują wyładowania atmosferyczne, elektryczność statyczną i wyładowania indukowane (rysunek 1).
Rysunek 1. Stany nieustalone mogą być spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, elektrycznością statyczną lub wyładowaniami indukowanymi itp., co może spowodować poważne uszkodzenie niezabezpieczonego sprzętu elektronicznego. Źródło obrazu: LitInc.)
Tego typu stany nieustalone mogą wytwarzać impulsy o napięciu szczytowym od setek woltów do dziesiątek tysięcy woltów i prądach do kiloamperów, trwające od setek nanosekund do milisekund.
Miniaturyzacja układu scalonego i procesora oraz redukcja napięcia zasilania czynią je bardziej wrażliwymi na zjawiska elektryczne. Dotyczy to szczególnie pojazdów sterowanych przez wiele układów elektronicznych, w tym silnik, układ kierowniczy, hamulcowy, klimatyzację i rozrywkę.
Aby chronić wrażliwe obwody, opracowano różnorodne strategie projektowe, w tym ekranowane okablowanie, filtry, tłumienie łuku i urządzenia zaciskowe. Ekranowanie i filtrowanie są pasywne, natomiast tłumienie łuku i ochrona zacisków są aktywne. Urządzenia tłumiące łuk, takie jak iskierniki, lampy wyładowcze i tyrystory, przetaczają prądy przejściowe do ziemi, aby chronić obwód. Gdy urządzenie tłumiące łuk jest aktywne, chroniony sprzęt nie działa, ale gdy stan przejściowy zniknie, sprzęt może pracować normalnie.
Do urządzeń zaciskowych zalicza się warystor z tlenku metalu (MOV), diodę Zenera i diody lawinowe tłumiące napięcie przejściowe (TVS), które utrzymują stałe napięcie w chronionym sprzęcie poprzez zmianę impedancji. Technologie te mogą być stosowane oddzielnie lub jednocześnie. Dioda TVS jest szeroko stosowana jako urządzenie zaciskowe ze względu na szybką reakcję i duże straty mocy.
Dioda tłumiąca napięcie przejściowe
Dioda TVS to dioda lawinowa stosowana jako urządzenie zaciskowe. Kiedy przyłożone napięcie przekracza napięcie przebicia lawinowego, blokuje nadmierny prąd i utrzymuje lub ogranicza napięcie na stałym potencjale. Gdy przyłożone napięcie jest niższe niż wartość przebicia, zostanie ono automatycznie zresetowane.
Diody TVS można stosować jako urządzenia jednokierunkowe, aby zapobiec stanom przejściowym urządzeń jednobiegunowych lub dwukierunkowych, aby zapobiec stanom przejściowym o dowolnej polaryzacji (rysunek 2). Urządzenia dwukierunkowe mogą być symetryczne, z napięciem o dowolnej polaryzacji i tej samej amplitudzie, lub asymetryczne, z napięciem o różnych poziomach napięcia w zależności od polaryzacji stanu przejściowego.
Rysunek 2: Charakterystyka przebicia prądu i napięcia trzech urządzeń TVS oraz ich schematyczne symbole. Źródło obrazu: LitInc.)
Zasada działania jednokierunkowej diody TVS jest podobna do zasady działania zwykłej diody. Świeci się, gdy stosowane jest polaryzacja w kierunku przewodzenia, a nie świeci, gdy stosowane jest polaryzacja zaporowa, aż do przekroczenia napięcia przebicia (VBR) diody. Gdy przyłożone napięcie przekroczy VBR, dioda zostaje załączona, a napięcie na obu końcach utrzymuje się na poziomie napięcia zacisku (VC). Maksymalna moc, jaką może rozproszyć ta dioda, to szczytowy prąd impulsu (IPP) x VC.
Dwukierunkowe diody TVS są odpowiednikiem dwóch diod ustawionych tyłem do siebie. Jeżeli napięcie przebicia (VBR) nie zostanie przekroczone w żadnym kierunku, przepływa jedynie niewielki wsteczny prąd upływowy (IR). Operacja ta jest symetryczna, ponieważ amplitudy napięcia przebicia są takie same dla obu warunków polaryzacji.
Asymetryczne diody TVS zachowują się podobnie do urządzeń dwukierunkowych, ale napięcia przebicia (VBR1 i VBR2) są inne.
Asymetryczna dioda TVS
Możesz chcieć wiedzieć, dlaczego wymagane są asymetryczne diody TVS. Komponenty te zaprojektowano w celu ochrony sterowników bramek w tranzystorach MOSFET z węglika krzemu (SiC). Ze względu na dużą prędkość przełączania SiC, napędy te są podatne na uszkodzenia spowodowane stanami przejściowymi przepięcia. Przyjrzyjmy się MOSFETowi SiC lub falownikowi trakcyjnemu do ładowania na pokładzie (rysunek 3).