Перенапряжение — это кратковременное увеличение напряжения в электрической цепи выше допустимого уровня. Оно может возникнуть по ряду причин:
- коммутационные процессы (включение/отключение индуктивной нагрузки),
- молнии и атмосферные разряды,
- электростатические разряды (ESD),
- импульсы от промышленных помех (например, включение электродвигателей).
Если такие выбросы не устранить, они могут повредить чувствительные электронные компоненты, разрушить изоляцию, вызвать ложные срабатывания микроконтроллеров или даже привести к возгоранию. Именно поэтому схемы защиты от перенапряжения (overvoltage protection) включаются в большинство современных устройств — от блоков питания до интерфейсных линий USB и CAN.
Принцип действия схемы защиты от перенапряжения
Суть любой схемы защиты — отвезти энергию скачка, не допустив её прохождения к нагрузке. Это достигается путём:
- ограничения амплитуды — за счёт нелинейных элементов, резко снижающих сопротивление при превышении порогового напряжения;
- отведения тока — замыкание перенапряжения на землю или питание;
- быстродействия — устройство должно сработать за наносекунды.
Для этого применяются специальные компоненты — варисторы, супрессоры и TVS-диоды. Каждый имеет свои особенности.
Варистор: универсальный абсорбер перенапряжений
Варистор (Varistor) — это нелинейный резистор, сопротивление которого резко падает при достижении определённого порогового напряжения. Работает он на основе оксида цинка (ZnO) с добавками, формирующими множество p-n-переходов между зернами.
Как работает:
- При номинальном напряжении варистор имеет очень высокое сопротивление (мегаомы);
- При скачке напряжения сопротивление падает до нескольких ом, и импульс гасится через варистор на землю.
Преимущества:
- Высокая энергоёмкость (выдерживает мощные импульсы);
- Низкая стоимость;
- Симметричная характеристика (подходит для AC).
Недостатки:
- Медленнее TVS-диодов (реакция в пределах микросекунд);
- Стареют со временем — после нескольких сильных импульсов могут деградировать;
- Менее точный уровень срабатывания.
Где используется: блоки питания, сетевые фильтры, розетки с защитой от грозы.
TVS-диод: точная и быстрая защита для интерфейсов
TVS-диод (Transient Voltage Suppression diode) — полупроводниковый прибор, предназначенный для защиты от кратковременных импульсов. В норме работает как обычный открытый диод (высокое сопротивление), но при превышении порогового напряжения мгновенно переходит в лавинный пробой, ограничивая напряжение до безопасного уровня.
Ключевые характеристики:
- Время отклика — менее 1 наносекунды;
- Типы — однополярные (uni-directional) и биполярные (bi-directional);
- Мощность подавления — от десятков до тысяч ватт, в зависимости от корпуса и исполнения.
Преимущества:
- Быстродействие;
- Точное ограничение напряжения (узкая кривая зажима);
- Малый паразитный ток в нормальном режиме.
Недостатки:
- Ограниченная энергия импульса;
- Направленность — нужно правильно подключать (особенно в однополярном исполнении).
Где применяется: линии данных USB, HDMI, CAN, GPIO микроконтроллеров, чувствительные аналоговые входы.
Супрессор: общее название и разновидности
Термин "супрессор" часто используется как синоним TVS-диода, но в более широком смысле он охватывает весь класс компонентов подавления перенапряжения. В него могут входить:
- TVS-диоды (как указано выше);
- Газоразрядные трубки (GDT) — срабатывают при очень высоких напряжениях (сотни вольт), применяются в телекоммуникациях;
- Полимерные супрессоры (PTC + MOV) — сочетают варистор и самовосстанавливающийся предохранитель;
- Схемы crowbar — основаны на тринисторах, "замыкают" перенапряжение на землю.
Каждое из этих решений выбирается в зависимости от требований к скорости реакции, точности ограничения, уровня допустимого импульса и стоимости.
Как выбрать правильную схему защиты
При выборе компонента защиты от перенапряжения нужно учитывать:
- Рабочее напряжение цепи — номинал защитного устройства должен быть чуть выше.
- Тип помех — ESD (наносекунды), EFT (миллисекунды), грозовые импульсы (долговременные).
- Энергия импульса — чем выше, тем мощнее должен быть компонент.
- Частота использования — варисторы "одноразовые", TVS — лучше переносят многократные импульсы.
- Форм-фактор — для высокоскоростных шин (например, HDMI) критичны паразитные ёмкости.
Практический пример схемы
В типичном питании 12 В можно встретить такую защиту:
- Варистор между входом и землёй — гасит импульсы от реле или грозы;
- TVS-диод после варистора — защищает чувствительные компоненты (например, контроллер);
- Последовательный дроссель или резистор — ограничивает ток через защитные элементы.
Такой каскад даёт надёжную и многоступенчатую защиту.
Вывод
Схемы защиты от перенапряжения — критически важный элемент современной электроники. Правильный выбор между варисторами, TVS-диодами и другими супрессорами зависит от условий эксплуатации, требуемой точности и допустимого уровня помех. Включение таких компонентов в проект с самого начала позволяет избежать дорогостоящих отказов и повысить устойчивость изделия к внешним воздействиям.
Обеспечьте себе и своим близким комфорт и безопасность, посетите наш интернет-магазин измерительного оборудования pribor-x.ru! Наши специалисты всегда готовы помочь вам с выбором и ответить на все ваши вопросы.
Свяжитесь с нами по почте sales@pribor-x.ru или по телефону 8-800-777-24-67.