С наступлением холодов каждый обитатель наших суровых северных земель становится настоящим повелителем статического электричества.
Отопление сушит воздух, все ходят в куртках, шерстяных и меховых вещах, еще и в обуви на толстой подошве.
Как известно, напряжение пробоя сухого воздуха равно 1-3 кВ/мм. Думаю, вы не раз замечали, как после снятия свитера стреляете молниями пару сантиметров длиной. Сами понимаете, какое там получается страшенное напряжение.
Современная электроника строится в большинстве случаев на КМОП логике, которая ну очень не любит высокие напряжения. И заряд бодрости от пальца может ее сжечь... К сожалению... Сколько флешек и USB-портов погорело, ужас...
Радиолюбители постарше скажут, вон, советские микросхемы умирали от того, что мимо кошка пробежала, хвостиком махнула. Опасное тогда было время.
На помощь приходят защитные диоды (или по-другому, супрессоры, TVS (Transient Voltage Suppressor), ПОН (полупроводниковые ограничители напряжения)).
По принципу работы схожи со стабилитроном (и поэтому иногда классифицируются, как стабилитроны) и основаны на применении обратимого лавинного пробоя. Подключаются так же, как стабилитроны.
Если к супрессору приложить напряжение амплитудой больше напряжение пробоя Vbr, начнется пробой с лавинообразным увеличением носителей. Ток через диод практически неограниченно возрастает, а напряжение почти не изменяется. Таким образом, напряжение будет ограничено уровнем остаточного напряжения Vcl.
Как видно из ВАХ, напряжение во время пробоя все же несколько возрастает, поэтому TVS не являются идеальными ограничителями.
Защитные диоды спасают от не только от статики, но и от кратковременных выбросов напряжения, ударов молнии и прочих помех.
TVS обычно защищают:
- блоки питания постоянного и переменного тока
- Mosfet рядом с индуктивной нагрузкой
- входы и выходы ОУ
- цифровые порты и интерфейсы
Можно задаться вопросом: а чем варисторы хуже? Или обычные стабилитроны?
Считается, что TVS быстрее, точнее и компактнее варисторов. Но самое главное - их можно использовать для защиты сигнальных и цифровых линий благодаря меньшему значению напряжению ограничения. Также плюсом является то, что с помощью симметричных TVS можно защищать дифференциальные интерфейсы (например, USB, CAN, RS-485).
По сравнению со стабилитроном у TVS намного выше скорость срабатывания и хуже стабилизация (напряжение, на котором он "остановится", может плавать). Также они способны выдержать намного большие импульсные токи.
Под RS-485, кстати, выпускаются специальные защитные диоды с номинальными напряжениями -7/12 В.
Рассмотрим основные характеристики защитного диода (в скобках даны обозначения на английском в литературе и datasheetах):
- Напряжение стабилизации / рабочее напряжение / напряжение закрывания (Rated Stand-Off Voltage, Vwm) - напряжение, при котором защитный диод точно будет закрыт и не будет мешать работе схемы
- Минимальное напряжение пробоя / открывания (Breakdown Voltage, Vbr) - напряжение, при котором диод начнет открываться, "срабатывать"
- Максимальное напряжение пробоя / фиксации / остаточное напряжение (Maximum clamping voltage, Vc) - максимальное возможное напряжение на диоде в режиме пробоя
- Максимальный импульсный ток (Rated peak pulse current, Ipp) - что логично, максимальный ток, который выдержит диод
- Защита от электростатики (ESD protection) - максимальное напряжение, от которого диод может защитить
- Максимальная энергия рассеяния (Peak pulse power, Ppk) - сколько Ватт диод может рассеять в течение времени tp (время импульса, обычно написано рядом)
- Ток утечки (Leakage current, Id) - обратный ток диода
- Емкость (Capacitance, C) - важно учитывать при применении с высокочастотными интерфейсами; чем она меньше, тем лучше
В настоящее время защитные диоды стараются использовать во всех местах, где могут возникать серьезные помехи - на портах интерфейсов, с которыми взаимодействует пользователь или подключается длинная линия, рядом с источниками электромагнитных помех (двигателями) и т.п.
Хорошим тоном является использование TVS совместно с предохранителями, ограничивающими ток резисторами или позисторами.