CC BY
106Окончание. Начало см. в № 1-2’2001
Выбор и применение полупроводниковых ГО-диодов ТМШОкВ®
Андрей Кадуков
postmaster@aogamma.spb.su
Д
Г11
ля обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры важную роль играет выбор и правильность применения полупроводниковых ТУв-диодов. От этого зависит ее надежность, а также надежность самих ограничителей при наличии различного рода перегрузок по напряжению в цепях радиоэлектронной аппаратуры. В связи с этим полупроводниковые ТУв-диоды для любого устройства должны удовлетворять следующим требованиям:
• технические характеристики и параметры ТУв-диодов должны быть такими, чтобы 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 ТУв-диодов должен быть как можно ближе к уровню напряжения, действующему до перегрузки;
• надежность ТУв-диодов должна быть выше надежности блоков и устройств, которые нуждаются в защите; быстродействие ограничителей напряжения должно быть максимально возможным, чтобы обеспечить качественную защиту при больших скоростях изменения напряжения переходных процессов;
• габариты и масса ТУв-диодов должны быть меньше габаритов и массы защищаемой аппаратуры;
• параметры и характеристики ТУв-диодов должны соответствовать требованиям по устойчивости к воздействию внешних факторов, предъявляемым к аппаратуре, и иметь срок службы не менее заданного для данного класса аппаратуры.
При выборе полупроводниковых ТУв-диодов предварительно определяют параметры импульса
переходного процесса, то есть амплитуду напряжения Ип, длительность импульса и его форму; параметры защищаемой цепи: активное сопротивление Ис и (или) индуктивность цепи Ьс, значение и характер напряжения, действующего в цепи при отсутствии импульса переходного процесса УС, а также допустимую амплитуду напряжения в цепи в момент воздействия импульса переходного процесса.
Электрические параметры ограничителей напряжения устанавливают в соответствии с указанными выше параметрами исходя из следующих условий:
1огр,н - !проб, У(БЯ), - УС, Рррш - У1
С Х ^огр.н’
[1]
где 1огрн — ток ограничения, значение которого рассчитывают по известным параметрам Ип, Ис и (или) Ьс.
Серию полупроводниковых ТУв-диодов ТИЛЫв-20КБ® выбирают исходя из рассчитанного значения Рррш с учетом длительности импульса переходного процесса ^ и его формы в соответствии с зависимостями Рррш от ^ (рис. 5). Тип ТУв-диода из выбранной серии определяют исходя из того, что постоянное обратное напряжение VWM должно быть равно напряжению, действующему в цепи, или несколько превышать его с учетом максимального допуска. Если мощность одного ТУв-диодов не удовлетворяет заданным требованиям по Рррш, их соединяют последовательно. При двух последовательно соединенных ТУв-диодах мощность удваивается, при трех — утраивается и т. д. Допускается последовательное соединение любого числа ТУв-диодов. При этом разброс по напряжению пробоя УБИ каждого диода не должен превышать 5 %, что гарантирует равную нагрузку на последовательно соединенных приборах.
1*С к
б)
Рис. 29
Если невозможно достичь требуемой мощности при последовательном соединении диодов, допускается их параллельное соединение. Для гарантированной загруженности диодов по мощности необходимо точное их согласование по импульсному напряжению ограничения УС. В этом случае оно не должно отличаться более чем на 20 мВ. Допускается также смешанное соединение диодов. Если импульс переходного процесса представляет собой быстро затухающие многократные колебания, то расчет параметров ТУв-диодов проводят по огибающей этих колебаний.
При использовании ТУв-диодов в цепях переменного тока высокой частоты, в которых их емкость влияет на характеристики и параметры защищаемых устройств, необходимо последовательно с ними включать импульсные диоды с малой собственной емкостью. При этом обратное напряжение и прямой ток каждого импульсного диода должны быть больше, чем у используемого ТУв-диода.
При монтаже ТУв-диодов следует учитывать, что напряжение импульса переходного процесса в цепи (рис. 29) распределяется согласно выражению:
ип = ИС1 + ЬС^Л + Ь0^& + 2гд1 + ио. [2]
Первые два слагаемых в этом выражении определяют величину падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях цепи в точках а-а', последние — на индуктивном и активном сопротивлениях ТУв-диодов в точках б-б'. Из [2] следует, что чем больше значения 1с и Рррт, тем меньшая доля напряжения будет падать на входе защищаемой цепи (в точках б-б'). С целью уменьшения всплесков напряжения в цепи защиты необходимо соблюдать условия:
^С >^, Ис>2гд.
[3]
Выпускаемые в настоящее время ТУв-дио-ды ТКЛ№20КБ® не всегда могут удовлетворять одновременно всем требованиям, изложенным в предыдущем разделе, в особенности при больших уровнях энергии импульсов напряжений. Поэтому на практике применяют комбинированные схемы защиты с двумя или тремя ограничителями напряжения, выполненными с использованием различных физических принципов.
Одноступенчатые схемы защиты
Защита цепей постоянного тока
Для защиты цепей постоянного тока от различного рода перегрузок по напряжению используются несимметричные ТУв-диоды. Несимметричность их ВАХ позволяет осуществлять защиту на разных потенциальных уровнях, что характерно для цепей постоянного тока. Пороговое напряжение этих приборов ниже напряжения ограничителя, что обеспечивает их автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса напряжения. Время их включения меньше времени самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока.
Типовая схема включения ТУв-диодов для защиты источников питания постоянного тока от электрических перегрузок по напряжению приведена на рис. 30. ТУв-диоды в этих случаях должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания. На рис. 31 показаны схемы защиты цепей питания потребителей от разнополярных источников, например, для защиты микросхем.
При больших скоростях изменения тока переходного процесса наибольшая эффективность защиты может быть достигнута при условии ЬС >Ь0. Поэтому при монтаже ТУв-дио-дов их следует размещать как можно ближе к защищаемой схеме, а пайку выводов диода проводить на минимально возможном расстоянии от корпуса прибора.
Рекомендуемые схемы защиты цепей электронного оборудования от электрических перегрузок по напряжению с помощью ТУБ-диодов ТРДМБ7ОРВ'
Конкретные типы ТУв-диодов ТИЛЫв-20ИБ® в каждой схеме защиты выбираются в зависимости от характеристик защищаемых цепей. Защищаемые цепи подразделяются на цепи постоянного тока, переменного тока (симметричные или асимметричные), а также сигнальные цепи, несущие информацию посредством одно- или двухполярных импульсных сигналов. В свою очередь, сигнальные цепи и цепи переменного тока могут быть низкой или высокой частоты, что также необходимо учитывать при выборе ТУв-диодов.
Для защиты от опасных напряжений ключевых элементов, в цепях которых имеется индуктивная нагрузка, ТУв-диоды включаются параллельно защищаемому элементу, как показано на рис. 32, а, либо параллельно нагрузке (рис. 32, б). Для надежной защиты ключевого элемента от опасных перегрузок по напряжению используется схема защиты, приведенная на рис. 32, в.
Одной из наиболее частых причин выхода из строя электронных устройств, включающих в себя МОП-транзисторы, является превышение допустимого значения напряжения сток-исток (УБв). Например, переключение индуктивной нагрузки вызывает перенапряжение, в результате которого превышается максимально допустимое напряжение УБв МОП-транзистора. Это вызывает лавинный пробой полупроводника и разрушение транзистора. Один из методов защиты МОП-транзистора состоит в подключении ТУв-диода между стоком и истоком. Для правильного выбора ТУв-диода необходимо выполнить следующие рекомендации:
• Значение обратного напряжения ТУв-дио-да (Уздм) должно превышать максимально возможное значение напряжения питания в защищаемой схеме.
• ТУв-диод должен иметь значение напряжения ограничения (УС) меньше, чем минимальное напряжение пробоя МОП-транзи-стора при пиковых значениях импульсного тока.
• Для применения в силовых цепях и в цепях с переключениями индуктивных нагрузок рекомендуется использовать ТУв-диоды ТКЛ№20КБ® со значением максимально допустимой импульсной мощности (Рррт) — 1500 Вт.
Переходные процессы в затворе МОП-тран-зистора часто происходят из-за разрядов электростатического электричества (БвБ). Установка ТУв-диода между затвором и истоком позволит защитить МОП-транзистор от входных переходных процессов. В этом случае рекомендуется устанавливать ТУв-диод со значением обратного напряжения, превышаю-
щим входное напряжение МОП-транзистора. Для подавления ЕвБ рекомендуется использовать ТУв-диоды ТКЛ№20КБ® со значением максимально допустимой импульсной мощности (Рррт ) — 400 Вт. Схема, иллюстрирующая эти методы защиты, показана на рис. 33.
Защита цепей питания переменного тока
Защита цепей переменного тока может осуществляться путем включения двух несимметричных ТУв-диодов, как показано на рис. 34 и 35. 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 несимметричным ТУв-диодом при его включении в диагональ моста (рис. 36). Однако быстродействие защиты в этом случае будет определяться временем включения выпрямительных диодов.
Защита информационных цепей и цепей переменного тока высокой частоты Применение ТУв-диодов — это хорошее решение для защиты подобных цепей. Выбор типа ТУв-диода ТКЛШ20КБ® зависит от характера сигналов, действующих в цепях
ки), как это показано на примере защиты схемы симметричных линий связи (рис. 39).
Многоступенчатые схемы защиты
Многоступенчатые схемы защиты используются в том случае, когда величина поглощаемой энергии ТУв-диода превышает установленный для него допустимый уровень. Типичным примером использования многоступенчатой защиты является двухступенчатая защита в симметричных линиях связи, где ТУв-диоды включают в каждую цепь линии симметрично относительно общей шины заземления, как показано на рис. 40 для случаев защиты низкочастотных и высокочастотных цепей. Время прохождения импульса тока через ТУв-диоды УБ1-У06 равно времени запаздывания пробоя разрядников Р1-Р2, которое не превышает
0,5.. .1 мкс, поэтому поглощаемая диодом энергия невелика и основная доля энергии напряжения поглощается затем разрядником.
(одно- или двухполярных), и частоты их повторения. Так, для защиты цепей с однополярными сигналами может быть использована схема включения несимметричных ТУв-диодов, приведенная на рис. 37 и 38. ТУв-диоды включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных. При наличии в цепи двухполярных сигналов вместо несимметричных используются симметричные ТУв-диоды.
В цепях высокой частоты рекомендуется использовать малоемкостные ТУв-диоды или для уменьшения емкости ТУв-диода последовательно с ними включать малоемкостные импульсные диоды (диоды с барьером Шот-
При наличии второй ступени защиты в цепь должен быть дополнительно включен резистор, сопротивление которого определяется по следующей формуле:
Rorp = ис1 — ис2 / Ippm,
где Uc1, Uc2 — уровни ограничения разрядника и TVS-диода соответственно; Ippm — допустимый ток TVS-диода.
Включение резисторов с незначительным сопротивлением (единицы Ом) в информационные цепи не окажет заметного влияния на параметры рабочих сигналов. Н
Литература:
1. Черепанов В. П., Хрулев А. К., Блудов И. П. Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок. — М.: Радио и связь, 1994. С. 223.
2. http:// www.gensemi.com.
