Теперь мы знаем, от чего защищаемся, знаем факторы воздействия. Но пока не касались вопроса собственно защиты от этих воздействий. Не знаем, как именно нам могут помочь супрессоры. И почему именно они. Так что продолжаем разбираться. Причем рассматривать будем не только работу TVS диодов, но и построение цепей защиты, хоть и далеко не в полном объеме.
Классический TVS диод является, по своей сути, специфическим стабилитроном (clampng device). То есть, они работают в режиме обратимого пробоя при обратной полярности приложенного напряжения. Параметрами супрессоров мы займемся в следующей статье, а сегодня нам достаточно того, что они довольно сильно похожи на стабилитроны.
Есть еще один тип защитных диодов, в их основе лежит динисторный (тиристорный) эффект. Такие диоды (crowbar device) используются реже и мы их сегодня касаться не будем. Возможно, я коротко расскажу о них в отдельной статье.
Начнем с довольно простого случая.
Защита от обратной полярности на входе
Уверен, если не все, то подавляющее большинство читателей сталкивались с необходимостью укорачивать длительность импульсов, например, в схемах построенных на логических/цифровых дискретных элементах. И решение могло быть очень простым, примерно таким
Нам сейчас совершенно не важен тип логических элементов. Но важно, что входное напряжение этих элементов должно находиться в определенных границах. В типовом случае, между 0 В и напряжением питания. А такая схема укорачивания импульсов (или выделения фронта, если вам это больше нравится) формировала на входе второго элемента сигнал имеющий запрещенные значения. На иллюстрации это показано красным цветом.
Причина появления сигнала отрицательной полярности заключается в том, что при появлении уровня логического 0 на выходе первого элемента конденсатор C оказывается подключенным параллельно резистору R. Причем в обратной полярности. Решить проблему помогает диод VD, который открывается, что ограничивает величину отрицательного выброса уровнем падения напряжения на прямосмещенном p-n переходе.
Побочным, но полезным, эффектом является более быстрый разряд конденсатора, который производится током через диод, а не через резистор. На иллюстрации черным цветом показано, как выглядит сигнал в точке (1) при наличии диода. Возникает вопрос, какой величины может достигать ток через диод в начале разряда конденсатора? Этот ток будет зависеть от выходного сопротивления первого логического элемента и параметра конденсатора, который сегодня чаще обозначается как ESR. Или последовательное эквивалентное сопротивление конденсатора, если говорить русским языком.
В случае использования логических элементов, как на иллюстрации, и небольшой емкости конденсатора (что типично для схем укорачивания импульсов) ток может достигать сотен миллиампер, но он очень быстро спадает. Так что в качестве VD можно использовать обычный импульсный диод.
Итак, в данном случае у нас не возникает никакой необходимости использовать супрессор. Обычного быстродействующего диода вполне достаточно. Но давайте немного изменим постановку задачи...
Защита от обратной полярности и превышения амплитуды импульсов на входе. Или совершенно типовая цепь защиты входов
Уберем первый логический элемент. Теперь входом является непосредственно левая обкладка конденсатора. Как вариант, в качестве первого элемента используется высокопороговая логика с высоким напряжением питания, а в качестве второго обычная. И мы сразу сталкиваемся не только с проблемой обратной полярности на входе второго элемента, но и с превышением амплитуды положительного импульса допустимых значений.
Одного диода тут будет недостаточно. Уверен, читатели прекрасно знают классический способ решения проблемы. Достаточно добавить еще один диод
В этой схеме и включении двух диодов для защиты логического элемента нет ничего необычного. Когда напряжение в точке (1) оказывается выше напряжения питания +Uп диод VD1 открывается и фиксирует потенциал точки (1) на уровне +Uп плюс падение напряжения на прямосмещенном p-n переходе. При этом конденсатор С быстро заряжается, но когда диод закрывается, напряжение в точке (1) станет меньше +Uп, скорость заряда конденсатора будет определяться сопротивлением резистора R. Диод VD2, как и раньше, защищает от обратной полярности.
Вы не замечаете никаких особенностей такой схемы защиты входов? Посмотрите внимательнее... Когда напряжение в точке (1) отрицательное, ток (разряда конденсатора) полностью замыкается на диоде VD2 и не виляет на остальную часть схемы. А когда напряжение в точке (1) выше напряжения питания (+Uп)? В цепи протекания тока (заряда конденсатора) оказываются включенным и цепи питания! А значит, выброс напряжения может появиться и в цепях питания не только логического элемента, но и других узлов и элементов устройства.
Насколько это критично? Это зависит от нескольких факторов. Важное значение имеет внутреннее сопротивление источника питания и его способность поглотить энергию импульса перенапряжения на входе нашей схемы. А амплитуда импульса, в отличии от ранее рассмотренного случая, уже может быть заметно больше. Да, в цепи питания обычно установлены конденсаторы значительной емкости, причем не только электролитические, но и керамические. Это немного снижает остроту проблемы, но полностью проникновение значительной помехи (как минимум, помехи) не решает. А если еще и устройства маломощное с питанием от батарей, которые могут быть уже не первой свежести?
Почему же такая защита из двух диодов получила очень широкое распространение? Такая защита дешева и действительно позволяет в значительной степени решить проблемы, возникающие внутри отдельно взятого блока/модуля устройства. А внешние соединения между модулями и блоками устройства, не говоря уже о соединении устройства с внешним миром, просто требуют отдельной защиты. Как и нетиповые случаи.
И такой защитой может быть TVS диод. Давайте немного изменим наш пример схемы заменив диоды на супрессор
Мне нравится такое обозначение супрессоров, так как оно позволяет отличать их от стабилитронов.
Замена никак не сказалась на диаграммах напряжений в схеме, но диод теперь один. И это именно супрессор. Можно ли вместо TVS диода использовать обычный стабилитрон? Да, можно, но при обязательном условии допустимости для него амплитуд токов при срабатывании защиты. А эти токи для стабилитронов значительно меньше, чем для супрессоров. Но об этом с следующей статье.
Что нам дала замена диодов на супрессор? Для отрицательного выброса напряжения ничего не изменилось, ток разряда конденсатора по прежнему полностью замыкается через диод (супрессор). А вот для положительно выброса (перенапряжения) изменилось очень многое! Теперь ток заряда конденсатора, при превышении напряжением на входе логического элемента допустимого уровня (именно при превышении, а не всегда!) полностью замыкается через супрессор. Цепи питания никакого участия в защите теперь не принимают.
Почему же супрессоры не используют внутри микросхем для защиты входов? Дело в том, что кристалл супрессора имеет значительно большую площадь, чем обычный диод. Его не получится изготовить на кристалле в едином технологическом процессе, как обычные диоды. Но супрессоры могут устанавливаться, например, для защиты затвора в корпусе полевого транзистора.
Итак, мы рассмотрели первый случай, когда использование супрессора оправданно. Но давайте его еще немного расширим. Ведь такая защита входов вполне может использоваться для защиты от статических разрядов (защита от ESD).
Защита выходов
Мы достаточно подробно рассмотрели два случая защиты входов, поэтому защиты выходов рассмотрим более кратко. Для примера возьмем, пожалуй, самый классический случай - коммутацию индуктивной нагрузки. Пусть это будет управление электромагнитом (не важно, каким) с помощью транзисторного ключа.
Если электромагнит установлен прямо на печатной плате, например, в виде электромагнитного реле, то самым классическим способом борьбы с выбросами напряжения при его обесточивании является включение параллельно обмотке диода. А если электромагнит установлен вне печатной платы? Не возникает сложностей, если он все таки находится внутри устройства и питается от источника питания устройства. А если электромагнит не только находится вне устройства, но и питание его цепи осуществляется от отдельно источника питания?
Другими словами, вот такой случай
В данном случае мы просто не можем установить внутри устройства обычный диод, как сделали бы это в случае размещенного на плате реле. И мы не можем рассчитывать, что диод будет установлен параллельно электромагниту при монтаже устройства или сохранится после ремонта установки.
Да, для защиты выходов тоже применяют цепи из двух диодов, которые мы уже видели ранее. Использование вместо диодов, или вместе с диодами, супрессора позволяет не только решить проблему защиты транзистора (в данном случае), но проблему возникновения помех и перенапряжений в цепях питания. Как и в случае защиты входов.
Защита цепей питания
в некоторых случаях у нас просто нет возможности использовать два диода для защиты цепи. Например, при защите цепей питания устройства. Такая защита может потребоваться и при использовании для питания блока/модуля источника питания устройства. Тем более, когда питание устройства осуществляется от внешнего источника питания, возможно расположенного на значительном удалении, иногда десятки и даже сотни метров.
В этом случае мы просто обязаны защищать цепи питания и от статических разрядов, и от наведенных электромагнитными помехами перенапряжений. Например, при ударах молнии. И хорошим вариантом может быть установка супрессора параллельно входам цепей питания модуля/блока/устройства.
Я не буду отдельно иллюстрировать этот случай.
Защита цепей переменного тока
До этого момента мы рассматривали только цепи постоянного тока. Защита цепей переменного тока с помощью TVS диодов осуществляется аналогично. Супрессор включается параллельно защищаемой цепи, только теперь он должен быть биполярным (двунаправленным). Или придется использовать два супрессора включенных встречно-последовательно.
Биполярные супрессоры имеют одинаковые напряжения срабатывания для обеих полярностей приложенного напряжения. Это не является строго обязательным, но подавляющее большинство биполярных супрессоров именно такие. Если же использовать два однополярных супрессора, то легко получить разные напряжения срабатывания. Это требуется редко, но может оказаться полезным при работе с цепями переменного тока имеющими постоянное смещение (AC+DC).
Давайте рассмотрим простейшее применение супрессоров для цепей переменного тока
Обратите внимание, что супрессоры не "исправляют синус". Они позволяют снизить, но не устранить полностью, перенапряжения. Если вы не помните, что это такое, прочтите еще раз первую часть
Я специально не стал уточнять, что именно за цепь переменного тока рассматривается. Это может быть и защита силовой цепи, например, входа выпрямителя блока питания, или защита сигнальной цепи, например, входов/выходов линии передачи данных. Работа цепи защиты одинакова в обоих случаях. Однако, защита линий передачи данных имеет некоторые особенности.
Защита линий передачи данных
Не смотря на название, речь идет о цепях передачи сигналов с относительно высокой частотой. Просто линии передачи данных обычно имеют большую длину и могут далеко выходить за пределы устройства.
В чем же специфика использования супрессоров в этом случае? Дело в влиянии емкости TVS диодов, о чем кратко упоминалось в предыдущей статье. Супрессоры обладают достаточно большой емкостью, так как запертый обратным смещением p-n переход можно рассматривать как конденсатор. А площадь перехода у супрессора большая. Большая емкость негативно влияет на частотные свойства линий связи.
Снизить емкость можно уменьшив площадь перехода, но это понизит энергию поглощаемого импульса и допустимый импульсный ток через супрессор. Выпускаются супрессоры для коммуникационных линий, например, ESDA6V1L. Этот супрессор имеет емкость 140 пФ при нулевом смещении и порядка 80 пФ при смещении 3 В в обратном направлении. Это значительная емкость, хоть и гораздо меньше типичных супрессоров. При этом ESDA6V1L довольно маломощный.
Решение у проблемы высокой емкости существует. Давайте вспомним, как влияет на общую емкость последовательное соединение конденсаторов. Правда мы не можем включить обычный конденсатор малой емкости последовательно с супрессором, так как это будет работать только на переменном токе и при высокой частоте. Но мы ведь можем включить последовательно с супрессором обычный быстрый диод с малой емкостью.
Даже встречно-последовательное включение двух супрессоров, которое и позволяет создавать биполярные супрессоры, дает снижение емкости в два раза. Примером может служить PESD5V0S1BL, который обладает емкостью 35-45 пФ при нулевом смещении. Но и это много для высокоскоростных линий передачи данных.
Еще более интересным решением является USBLC6-2. Выглядит это так
Использование обычных импульсных диодов, которое может показаться странным и излишним, позволяет снизить емкость между линиями данных и земли до 3.5 пФ (1.7 пФ между собственно линиями данных). И это уже позволяет использовать данную микросхему-супрессор для линий передачи данных на скоростях до 480 Мбит/с. Увы, данная микросхема хоть и является супрессором, но рассчитана лишь на защиту от статических разрядов.
Автомобильное применение
Кратко рассмотрим применение супрессоров в автомобильной технике, как комплексный пример. Казалось бы, что там может приводить к необходимости использования цепей защиты, ведь питание низковольтное и по сути батарейное? Однако, в автомобиле есть огромное количество источников неприятностей для электроники.
Давайте сначала взглянем на иллюстрацию из AN1142 "TVS in Automotive Applications" (Использование TVS диодов в автомобильных приложениях) от Diodes Incorporated
Как видно, супрессоры действительно используются для защиты самых разных цепей и блоков. Это и цепи подключенные к генератору (А - Alternator, то есть, генератор), супрессор защищает электронику от "сброса нагрузки", например, при возникновении проблем с аккумулятором. Это и защита электроники при "уставшем" аккумуляторе, внутреннее сопротивление которого выросло и не может эффективно гасить выбросы с генератора и других мощных источников помех, например, системы зажигания. Цепи питания всех блоков тоже защищены супрессорами, которые расположены в этих блоках. Разумеется, защищаются и различные линии передачи данных. Ведь система зажигания не только создает помехи по цепям питания, но и достаточно сильные наводки на все расположенные поблизости цепи из-за высоковольтных разрядов.
Разумеется, для разных целей используются и разные супрессоры.
Это просто комплексный пример, без какого либо дополнительного рассмотрения. Мы уже видели все это и разбирали в данной статье.
Почему именно TVS диоды?
Вполне разумный вопрос. Стабилитроны не подходят из-за малого допустимого тока, да и предназначены они совсем для другого режима работы. Но ведь есть еще и газовые разрядники, есть варисторы. Чем они не устраивают?
Газовые разрядники достаточно высоковольтные. Они могут использоваться, и используются, в качестве одного из элементов комплексной системы защиты. В частности, они принимают на себя первый удар высоковольтных факторов воздействия. Но для низковольтных цепей использовать только разрядники невозможно.
Варисторы выпускаются и на небольшие напряжения, например, CT0603M4G, имеет рабочее напряжение 4 В (среднеквадратичное) или 5.5 В постоянное. Однако, большинство варисторов имеют неприятную особенность, износ при срабатывании. В результате, параметры варистора изменяются тем сильнее, чем больше раз он сработал. TVS диоды не изнашиваются. Кроме того, варисторы не чувствительны к полярности приложенного напряжения, как и биполярные супрессоры. Это может быть полезным в цепях переменного тока, но не позволяет гасить обратную полярность в цепях постоянного тока.
Важно понимать, что ни один элемент защиты не может обеспечить 100% надежность работы устройства во всех возможных случаях! И во многих случаях защита будет комплексной, состоящей из нескольких ступеней, нескольких элементов защиты. Впрочем, даже это не дает 100% гарантии.
Заключение. Снова промежуточное
Мы кратко прошлись (даже пробежались) по некоторым цепям защиты с использованием супрессоров. Да, многое осталось "за кадром", но тема защитных цепей и элементов защиты огромна. Тем не менее, теперь у вас должно сложиться представление и о том, от чего мы защищаемся, и как именно защищаемся. А значит, мы можем переходить к рассмотрению параметров супрессоров. Причем частично мы этого уже касались в данной статье. И к вопросам размещения супрессоров собственно в электронных устройствах. Ведь их нельзя "ставить где попало", так как мы можем получить на защиту, а дополнительные проблемы.
