Οι παροδικές αιχμές και υπερτάσεις τάσης έχουν ποικίλους βαθμούς επίδρασης στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, που κυμαίνονται από ενοχλητικά μικρά σφάλματα έως καταστροφικές συνέπειες που προκαλούν ζημιά στα εξαρτήματα του κυκλώματος. Οι αιτίες αυτών των παροδικών είναι ποικίλες, συμπεριλαμβανομένων των κεραυνών, του στατικού ηλεκτρισμού και των επαγόμενων εκκενώσεων (Εικόνα 1).
Σχήμα 1. Τα μεταβατικά μπορεί να προκληθούν από κεραυνό, στατικό ηλεκτρισμό ή προκαλούμενες εκκενώσεις κ.λπ., που μπορεί να προκαλέσουν σοβαρή ζημιά σε μη προστατευμένο ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Πηγή εικόνας: LitInc.)
Μεταβατικά όπως αυτό μπορούν να παράγουν παλμούς με μέγιστες τάσεις που κυμαίνονται από εκατοντάδες βολτ έως δεκάδες χιλιάδες βολτ και ρεύματα έως κιλοαμπέρ, που διαρκούν από εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα έως χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Η σμίκρυνση του IC και του επεξεργαστή και η μείωση της τάσης τροφοδοσίας τα καθιστούν πιο ευαίσθητα σε ηλεκτρικά παροδικά φαινόμενα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για οχήματα που ελέγχονται από πολλαπλά ηλεκτρονικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου του κινητήρα, του συστήματος διεύθυνσης, πέδησης, κλιματισμού και ψυχαγωγίας.
Για την προστασία των ευαίσθητων κυκλωμάτων, έχουν αναπτυχθεί διάφορες στρατηγικές σχεδιασμού, συμπεριλαμβανομένων θωρακισμένων καλωδιώσεων, φίλτρων, καταστολής τόξου και συσκευών σύσφιξης. Η θωράκιση και το φιλτράρισμα είναι παθητικά, ενώ η καταστολή τόξου και η προστασία από σφιγκτήρες είναι ενεργά. Συσκευές καταστολής τόξου, όπως διάκενα σπινθήρα, σωλήνες εκκένωσης αερίου και θυρίστορ μεταφέρουν τα μεταβατικά ρεύματα στο έδαφος για να προστατεύσουν το κύκλωμα. Όταν η συσκευή καταστολής τόξου είναι ενεργή, ο προστατευμένος εξοπλισμός δεν λειτουργεί, αλλά μόλις εξαφανιστεί το παροδικό, ο εξοπλισμός μπορεί να λειτουργήσει κανονικά.
Οι συσκευές σύσφιξης περιλαμβάνουν βαρίστορ μεταλλικού οξειδίου (MOV), δίοδο zener και διόδους χιονοστιβάδας μεταβατικής καταστολής τάσης (TVS) που διατηρούν σταθερή τάση στον προστατευμένο εξοπλισμό με μεταβαλλόμενη αντίσταση. Αυτές οι τεχνολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωριστά ή ταυτόχρονα. Η δίοδος TVS χρησιμοποιείται ευρέως ως συσκευή σύσφιξης λόγω της γρήγορης απόκρισής της και της μεγάλης απαγωγής ισχύος.
Μεταβατική δίοδος καταστολής τάσης
Η δίοδος TVS είναι μια δίοδος χιονοστιβάδας που χρησιμοποιείται ως συσκευή σύσφιξης. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει την τάση διάσπασης χιονοστιβάδας, διακόπτει το υπερβολικό ρεύμα και συγκρατεί ή συγκρατεί την τάση σε σταθερό δυναμικό. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι χαμηλότερη από την τιμή διάσπασης, θα επαναφερθεί αυτόματα.
Οι δίοδοι TVS μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές μονής κατεύθυνσης για την πρόληψη μεταβατικών διατάξεων μονοπολικών ή αμφίδρομων συσκευών για την αποφυγή μεταβατικών φαινομένων οποιασδήποτε πολικότητας (Εικόνα 2). Οι αμφίδρομες συσκευές μπορούν να είναι συμμετρικές, συσφιγμένες σε οποιαδήποτε τάση πολικότητας με το ίδιο πλάτος ή ασύμμετρες, συσφιγμένες σε διαφορετικά επίπεδα τάσης ανάλογα με την πολικότητα του μεταβατικού.
Εικόνα 2: Τα χαρακτηριστικά κατανομής ρεύματος-τάσης των τριών συσκευών TVS και τα σχηματικά τους σύμβολα. Πηγή εικόνας: LitInc.)
Η αρχή λειτουργίας της μονοκατευθυντικής διόδου TVS είναι παρόμοια με αυτή της απλής διόδου. Ανάβει όταν εφαρμόζεται μπροστινή πόλωση και όχι όταν εφαρμόζεται αντίστροφη πόλωση μέχρι να ξεπεραστεί η τάση διάσπασης (VBR) της διόδου. Όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει το VBR, η δίοδος ενεργοποιείται και η τάση και στα δύο άκρα διατηρείται στην τάση του σφιγκτήρα (VC). Η μέγιστη ισχύς που μπορεί να διαχέει αυτή η δίοδος είναι το μέγιστο παλμικό ρεύμα (IPP) x VC.
Οι δίοδοι TVS διπλής κατεύθυνσης ισοδυναμούν με δύο διόδους πλάτη με πλάτη. Όταν δεν γίνεται υπέρβαση της τάσης διάσπασης (VBR) προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, ρέει μόνο ένα μικρό αντίστροφο ρεύμα διαρροής (IR). Αυτή η λειτουργία είναι συμμετρική επειδή τα πλάτη της τάσης διάσπασης είναι τα ίδια και για τις δύο συνθήκες πόλωσης.
Οι ασύμμετρες δίοδοι TVS συμπεριφέρονται παρόμοια με τις αμφίδρομες συσκευές, αλλά οι τάσεις διάσπασης (VBR1 και VBR2) είναι διαφορετικές.
Ασύμμετρη δίοδος TVS
Ίσως θέλετε να μάθετε γιατί απαιτούνται ασύμμετρες δίοδοι TVS. Αυτά τα εξαρτήματα έχουν σχεδιαστεί για να προστατεύουν τους οδηγούς πύλης σε MOSFET καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Λόγω της γρήγορης ταχύτητας μεταγωγής του SiC, αυτοί οι δίσκοι είναι ευάλωτοι σε ζημιές λόγω μεταβατικών υπερτάσεων. Ας δούμε το SiC MOSFET ή τον μετατροπέα έλξης για ενσωματωμένη φόρτιση (Εικόνα 3).