Utilizați diode de suprimare a tensiunii tranzitorii pentru a consolida circuitele și a menține integritatea electrică

Tensiunile electrice tranzitorii rapide (EFT) sunt o realitate de care proiectanții trebuie să țină cont pentru a-și proteja circuitele, sistemele, precum și pe utilizatorii sistemului. EFT-urile au mai multe surse, inclusiv descărcările electrostatice (ESD) obișnuite cauzate de acțiuni simple, cum ar fi mersul pe un covor, pornirea unui motor sau lovitura de trăsnet, care provoacă un efect de undă. Aceste tensiuni tranzitorii pot afecta în mod negativ fiecare clasă de produse, de la dispozitivele portabile alimentate cu baterii de joasă tensiune până la sistemele cu motoare de mare putere.

Efectele EFT-urilor variază de la întreruperi temporare și incapacitatea temporară de funcționare, până la degradarea pe termen lung a performanțelor și deteriorarea și defectarea permanentă. Deși proiectanții pot lua măsuri pentru a reduce tensiunile tranzitorii, cum ar fi utilizarea carcaselor antistatice, filtrarea, fixarea la sursă sau implementarea unei împământări suplimentare, aceste măsuri trebuie adesea revizuite sau îmbunătățite, în funcție de scenariul specific al aplicației.

Pentru a minimiza sau elimina în mod fiabil consecințele dăunătoare ale tensiunilor tranzitorii, proiectanții pot utiliza componente pasive cu două terminale numite diode de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS). Deși sunt considerate în mod obișnuit un circuit deschis, aceste diode reacționează aproape instantaneu și acționează ca un scurtcircuit în momentul producerii unui eveniment tranzitoriu, direcționând astfel supratensiunea tranzitorie către masă. Diodele TVS asigură o reacție rapidă, rezistență la tensiuni ridicate, durată de viață extinsă și o capacitate redusă.

Acest articol va examina necesitatea, rolul, tipurile și aplicațiile diodelor TVS, utilizând ca exemple diferite familii de dispozitive și dispozitive de la Eaton Corporation plc (Eaton).

Să începem cu standardele IEC

Pentru a atenua riscurile EFT-urilor, Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) a definit trei standarde recunoscute la nivel internațional pentru protecția la supratensiune în cadrul IEC 61000-4 [„Compatibilitatea electromagnetică (EMC): Tehnici de testare și măsurare”]:

1) IEC 61000-4-2 se referă la imunitatea ESD la nivel de sistem, care se aplică descărcărilor electrostatice cauzate de contactul uman (Figura 1). Pentru această formă de undă, timpul de creștere (tr) este scurt, între 0,7 nanosecunde și 1 nanosecundă (ns), cea mai mare parte a energiei fiind disipată în primele 30 ns, după care scade rapid. Astfel, este imperativ să implementăm o protecție împotriva supratensiunilor cu o reacție extrem de rapidă, astfel încât să asigurăm un răspuns prompt la evenimentele ESD.

Figura 1: O formă de undă tipică a unui impuls ESD cauzat de contactul uman, conform caracterizării din IEC 61000-4-2, prezintă un timp de creștere foarte scurt, mai mic de o nanosecundă, cea mai mare parte a energiei fiind disipată în primele 30 ns. (Sursa imaginii: Eaton)

Forma de undă în sine nu indică nivelurile de tensiune asociate. IEC 61000-4-2 specifică tensiunile de încercare pentru imunitatea ESD la nivel de sistem în diverse echipamente pentru descărcarea la contact și descărcarea prin aer (Figura 2).

Figura 2: Nivelurile IEC 61000-4-2 pentru descărcarea prin aer și descărcarea la contact definesc în continuare specificul contactului uman. (Sursa imaginii: Eaton)

Alegerea corectă a unei diode TVS depinde de nivelul de protecție ESD necesar într-o aplicație. Rețineți că toate diodele TVS de la Eaton oferă o performanță minimă de nivel 4 atunci când sunt testate conform IEC 61000-4-2. Sunt disponibile și alte opțiuni cu o protecție ESD și mai mare, care oferă până la 30 de kilovolți (kV) atât pentru descărcări prin aer, cât și pentru descărcări la contact.

2) IEC 61000-4-5 acoperă imunitatea împotriva supratensiunilor electrice, cum ar fi cele provocate de trăsnete sau de comutarea sistemelor de alimentare. Spre deosebire de electricitatea statică de putere relativ mică, loviturile de trăsnet pot conține până la 1 gigajouli (GJ) de energie și pot furniza până la 120 kV de tensiune de șoc. Tensiunile tranzitorii cauzate de trăsnete pot apărea din cauza unor evenimente precum impactul direct al trăsnetului asupra circuitelor electrice externe, generând supratensiuni, din cauza loviturilor indirecte de trăsnet inducând supratensiuni în conductoare sau din cauza curenților de masă generați de impactul trăsnetului. Rețineți că supresoarele TVS ESD nu sunt destinate să ofere protecție împotriva loviturilor directe de trăsnet, dar supresoarele sunt totuși necesare deoarece aceste lovituri pot trimite tensiuni tranzitorii în sistemele de distribuție electrică pe distanțe de 1 milă sau mai mult.

IEC 61000-4-5 definește o formă de undă tipică a tensiunii de trăsnet (Figura 3).

Figura 3: Aceasta este forma de undă a impulsului de trăsnet definită de IEC 61000-4-5 (I_PP este curentul de vârf). (Sursa imaginii: Eaton)

Standardul IEC 61000-4-5 specifică, de asemenea, nivelurile de tensiune de încercare pentru imunitatea la supratensiune în clasele de echipamente electrice/electronice (Figura 4).

Nivelurile sunt definite de aplicația finală:

• Clasa 1: Mediu parțial protejat
• Clasa 2: Mediu electric în care cablurile sunt bine separate, chiar și pe distanțe scurte
• Clasa 3: Mediu electric în care cablurile de alimentare și de semnal merg în paralel
• Clasa 4: Mediu electric în care interconexiunile sunt executate sub formă de cabluri exterioare împreună cu cabluri de alimentare, iar cablurile sunt utilizate atât pentru circuite electronice, cât și pentru circuite electrice.

Figura 4: IEC 61000-4-5 definește patru clase de niveluri de testare pentru imunitatea la supratensiuni electrice. (Sursa imaginii: Eaton)

3) IEC 61000-4-4 se referă la protecția pentru EFT-uri (Figura 5). EFT-urile sunt cauzate de funcționarea sarcinilor inductive, cum ar fi motoarele de mare putere, relee, contactoarele de comutare din sistemele de distribuție a energiei electrice, precum și de conectarea sau deconectarea echipamentelor de corecție a factorului de putere.

Figura 5: Este prezentată forma de undă a impulsului EFT, așa cum este caracterizată de IEC 61000-4-4. (Sursa imaginii: Eaton)

Rețineți că EFT-urile sunt adesea caracterizate pur și simplu prin două numere asociate: timpul de creștere până la valoarea de vârf (t₁) și durata impulsului până când tensiunea tranzitorie scade la 50% din valoarea de vârf (t₂). Tensiunea tranzitorie de 8/20 microsecunde (µs) este un impuls comun în aplicațiile industriale.

Magnitudinea tensiunii tranzitorii ESD la care trebuie să reziste un circuit sau un sistem depinde de aplicație. Trei clase sunt definite de MIL-STD-883, care este utilizat pe scară largă în industrie, precum și în sistemele militare și aerospațiale (Figura 6).

Figura 6: Există trei niveluri de clasificare a sensibilității ESD conform metodei MIL-STD-883 numărul 3015. (Sursa imaginii: Eaton)

Dispozitivele TVS rezolvă problema

Pentru a îndeplini diverse cerințe și pentru a-și proteja sistemele, proiectanții pot utiliza diode TVS. Diodele TVS sunt dispozitive de protecție la supratensiune din siliciu, care funcționează pe baza principiului de străpungere prin efectul de avalanșă al diodei. Acestea sunt instalate în paralel cu circuitul normal pentru a proteja componentele interne împotriva tensiunilor de scurtă durată (tranzitorii) și a tensiunilor medii/înalte (Figura 7).

Figura 7: Dioda TVS este plasată la intrare, între linia protejată și masa sistemului. (Sursa imaginii: Eaton)

În mod normal, în regim netranzitoriu, diodele TVS mențin o impedanță ridicată și nu interferează cu transmiterea de energie sau semnale prin echipamente. Cu toate acestea, atunci când o diodă TVS se confruntă cu un șoc instantaneu de mare energie la borne, aceasta protejează elementele circuitului din aval, intrând rapid într-o stare de impedanță scăzută (numită străpungere prin intermediul unui efect de avalanșă) pentru a absorbi curentul mare și pentru a fixa tensiunea la un nivel sigur.

Diodele TVS sunt disponibile ca dispozitive unidirecționale sau bidirecționale cu joncțiune P-N. În ciuda denumirii acestora, majoritatea diodelor TVS unidirecționale suprimă tensiunile în ambele polarități. Diferența constă în faptul că tipurile unidirecționale au proprietăți asimetrice tensiune-curent (V-I), în timp ce diodele TVS bidirecționale au proprietăți V-I simetrice (Figura 8). Diodele TVS bidirecționale sunt potrivite pentru a proteja nodurile electrice cu semnale care sunt bidirecționale sau atât peste, cât și sub tensiunea de masă.

Figura 8: Denumirile diodelor TVS nu reflectă nicio direcționalitate inerentă. În schimb, diodele TVS unidirecționale au proprietăți de tensiune-curent (V-I) asimetrice, în timp ce diodele bidirecționale au proprietăți V-I simetrice. (Sursa imaginii: Eaton)

Parametrii de top, ambalarea și poziționarea definesc performanțele TVS

Diodele TVS sunt definite de multe specificații de nivel înalt. Printre acestea se numără:

• Tensiunea maximă de lucru inversă nominală (V_RWM): numită și tensiune inversă, aceasta este tensiunea maximă de funcționare a unei diode TVS atunci când este oprită
• Tensiunea de străpungere (V_BR): tensiunea la care se produce străpungerea prin intermediul unui efect de avalanșă într-o diodă TVS, rezultând o impedanță scăzută
• Curent de scurgere inversă (I_R): curentul care trece printr-o diodă TVS atunci când este polarizată invers
• Tensiunea de fixare (Vc): tensiunea pe o diodă TVS la valoarea nominală a curentului de vârf al impulsului (I_pp)
• Capacitate: o măsură a încărcăturii stocate, în general în picofarazi (pF), între pinul de intrare și un alt punct de referință (adesea masă/pământ), măsurată de obicei cu un semnal de 1 megahertz (MHz)
• Curentul de vârf (I_pp): diferența dintre amplitudinea maximă pozitivă și cea maximă negativă a unei forme de undă de curent

Selectarea unei diode TVS este de obicei un proces în patru etape:

1. Se selectează o diodă cu o tensiune inversă mai mare decât tensiunea normală de funcționare
2. Se verifică curentul de vârf specificat pentru a se depista dacă depășește curentul de vârf așteptat și se asigură faptul că dioda este specificată pentru a gestiona puterea necesară în timpul unui eveniment tranzitoriu
3. Se calculează tensiunea maximă de fixare (V_CL) a diodei selectate
4. Se confirmă că V_CL calculată este mai mică decât valoarea nominală maximă absolută specificată pentru pinul protejat

Amplasarea dispozitivului TVS pe placa de circuit este esențială pentru realizarea tuturor capacităților de performanță ale acestor dispozitive. Pentru cea mai bună protecție împotriva supratensiunilor, diodele trebuie plasate cât mai aproape posibil de punctul de intrare a tensiunii, cum ar fi porturile de intrare/ieșire, pentru a minimiza impactul fenomenelor parazite asupra suprimării eficiente a supratensiunilor tranzitorii rapide.

Exemple de TVS-uri pentru ilustrarea gamei de oferte

Diodele TVS de la Eaton sunt potrivite pentru protecția la supratensiune în interfețele I/O și liniile de semnal digital și analogic de mare viteză. Acestea oferă tensiuni de fixare foarte scăzute, putere de vârf ridicată, disipare de curent ridicată și timpi de răspuns de nivelul nanosecundelor.

Ambalajul diodei TVS este strâns legat de specificații. Sunt disponibile atât caspule cu montare pe suprafață, cât și prin orificii, acestea din urmă oferind performanțe mai mari de tensiune/curent.

Diodele TVS trebuie să protejeze împotriva unei game largi de tensiuni și curenți. Prin urmare, o singură valoare a tensiunii nominale și a altor parametri nu poate satisface toate situațiile EFT. Exemple din patru familii distincte ilustrează aceste aspecte.

1) Seria SMFE are o capacitate de putere de impulsuri de vârf de 200 wați, cu o formă de undă de 10/1000 µs. Dispozitivele sunt adăpostite într-o capsulă cu montare pe suprafață SOD-123FL cu profil redus, standard în industrie, care măsoară 2 × 3 × 1,35 milimetri (mm) și care optimizează spațiul pe placă pentru dispozitive mobile și portabile.

Un membru al acestei serii este SMFE5-0A (Figura 9). Are o tensiune de fixare de 9,2 V, o I_pp de 21,7 amperi (A) și acceptă cazuri de utilizare unidirecțională sau bidirecțională. Curentul de scurgere inversă este sub 1 μA la o funcționare de peste 10 V, iar timpul de răspuns este rapid, de obicei mai mic de 1,0 picosecunde (ps) de la 0 volți la V_BR.

Figura 9: Dioda TVS SMFE5-0A de 9,2 V vine într-o capsulă cu profil redus și montare pe suprafață SOD-123F și vizează aplicații mobile și portabile. (Sursa imaginii: Eaton)

2) Seria ST protejează o linie I/O bidirecțională și vizează porturile USB și alte porturi de date, touchpad-urile, butoanele, alimentarea c.c., conectorii RJ-45 și antenele RF. Membrii acestei familii, cum ar fi STS321120B301 12 A I_pp de 33 de volți, sunt adăpostiți într-o micuță capsulă SMT SOD-323 cu dimensiunea de 1,8 × 1,4 × 1,0 mm și au o putere de impuls de vârf de 400 de wați pe linie (t_P = 8/20 μs). Diodele din această serie acceptă tensiuni de lucru cuprinse între 2,8 volți c.c. (V_c.c.) și 70 V_c.c., cu o capacitate ultra-redusă de până la 0,15 pF. Aceste diode asigură protecție ESD de până la 30 kV (conform IEC 61000-4-2).

3) Seria AK cuprinde diode TVS de mare putere cu o protecție de până la 10.000 A și este proiectată pentru a satisface mediile severe de testare a supratensiunilor pentru aplicații c.a. și c.c. Aceste diode se caracterizează prin rezistență redusă la înclinare, precum și un factor de fixare superior datorită tehnologiei snapback. Acestea îndeplinesc standardele UL1449 privind dispozitivele de protecție la supratensiune pentru aplicații precum aparate electronice de consum, aparate electrocasnice, automatizări industriale sau protecția liniei c.a. (Notă: rezistența la înclinare sau rezistența dinamică este rezistența oferită de diodă atunci când se aplică o tensiune c.a.; snapback-ul este un proces al dispozitivului prin care conducerea curenților mari continuă chiar și la tensiuni mai mici).

Pentru a îndeplini cerințele de amperaj și UL, dispozitivele din această serie utilizează o capsulă cu conductoare axiale cu orificiu de trecere, așa cum se utilizează cu AK6E-066C, o clemă de 120 V și o diodă I_pp de 6000 A (Figura 10). Această diodă are conductoare lungi de 25 mm, cu un corp „central” aproape pătrat de aproximativ 13 × 15 mm.

Figura 10: Dioda TVS AK6E-066C de mare putere de 120 V oferă o protecție de până la 10.000 A și este găzduită într-o capsulă cu conductoare axiale cu orificiu de trecere. (Sursa imaginii: Eaton)

4) Diodele TVS de dimensiuni SMA din seria SMAJExxH sunt unice prin faptul că sunt calificate conform standardelor AEC-Q101 necesare pentru aplicațiile auto. Acestea oferă o capacitate de putere de impulsuri de vârf de 400 de wați (cu o formă de undă de 10/1000 μs) și au un timp de răspuns rapid, care este de obicei mai mic de 1,0 ps de la 0 V la V_BR, împreună cu I_R mai mic de 1 μA peste 10 volți.

Dispozitivele din această familie variază de la 5 la 440 de volți cu versiuni unidirecționale și bidirecționale pentru fiecare dispozitiv și includ SMAJE22AH, care are o tensiune de fixare de 35,5 V cu 11,3 A I_pp (Figura 11). Toate dispozitivele din această serie sunt găzduite în capsule de plastic cu montare pe suprafață cu dimensiunea de 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (maximă) și care îndeplinesc cerințele pentru clasa de inflamabilitate UL 94 V-0 (Figura 11).

Figura 11: Dioda TVS SMAJE22AH de 35,5 V este calificată conform standardelor auto, după cum prevede AEC-Q101; de asemenea, utilizează o capsulă din plastic care respectă cerințele standardului pentru clasa de inflamabilitate UL 94 V-0. (Sursa imaginii: Eaton)

Concluzie

Fenomenele electrice tranzitorii cauzate de electricitatea statică, pornirea motorului sau fulgerele din apropiere pot deteriora sistemele electronice și componentele acestora. Diodele TVS răspund la aceste supratensiuni aproape instantaneu și deviază tensiunea și energia tranzitorie către masă, protejând astfel sistemul. După cum se arată, Eaton oferă diverse serii de diode TVS, fiecare serie cuprinzând numeroase dispozitive evaluate la diferite tensiuni pentru a se potrivi cu magnitudinea anticipată a tensiunii tranzitorii, constrângerile produsului final și cerințele de reglementare, totul într-un spațiu foarte redus pe placa de circuit, de doar câțiva milimetri pătrați.