TVS диоды, они же супрессоры. Часть 1. Начинаем разбираться

Конечно, защищают они не столько нас, сколько наши электронные устройства. Но, опосредовано, и нас. Как минимум, от расстройства по поводу выхода любимого устройства из строя. Статья о защитных диодах не планировалась. Я кратко упоминал их в очень старой статье

однако заметного интереса у читателей это не вызвало. Но недавно в комментариях к старой статье о стабилитронах

меня попросили рассказать о них. Выполняю просьбу читателя. Статья рассчитана на новичков и не будет сложной. Но надеюсь, что она окажется полезной не только для задавшего вопрос читателя.

Да, я знаю, что это всё давно и всем известно!

В статье используется термин "электрическая цепь", что может показаться странным некоторым читателям, так как речь идет об электронных устройствах. Но электронные устройства состоят из тех же самых электрических цепей. Наличие в этих цепях электронных компонентов, включая микросхемы, не отменяет того факта, что цепь будет именно электрической.

Что такое TVS диод?

TVS это аббревиатура от "Transient Voltage Suppression (или Supressor)". Transient переводится как переходный, преходящий, недолговечный, скоротечный. То есть, подавление (подавитель) переходного/кратковременного напряжения. Теперь становится понятным и часто встречающееся у нас название супрессор, то есть, подавитель. Мне больше нравится термин защитный диод, который я уже использовал чуть выше. Тем не менее, термин TVS диод является наиболее точным и полным.

Другими словами, TVS диод используется для подавления кратковременных выбросов напряжения (перенапряжений). В этом и заключается его защитная функция. В первом приближении, нам не важна причина возникновения выбросов. Но для более детального рассмотрения работы защитных диодов нам все таки потребуется выделить несколько типовых случаев. Ведь защитные диоды далеко не одинаковы, как и выполняемые ими защитные функции. Защита сигнальных цепей отличается от защиты силовых. Электростатическая защита (ESD) имеет свои особенности. Да и требования в различных областях применения разные. Так для защиты цепей в автомобильной технике есть много своих нюансов.

Что бы не запутаться, нам, как всегда, сначала надо немного познакомиться с терминологией и базовыми понятиями.

Выбросы и перенапряжения

Сначала разберемся, что такое выброс и чем он отличается от перенапряжения. Вопрос не так прост, как может показаться на первый взгляд.

Обратимся к ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 "Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ИЗМЕРЕНИЙ. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения". В пункте 3.1.20 можно найти искомое определение:

• 3.1.20 Выброс (surge): Волна электрического тока, напряжения или мощности переходного процесса, распространяющаяся вдоль линии или цепи и характеризующаяся быстрым ростом с последующим более медленным снижением.

В явном виде говорится о первопричине возникновения выброса - переходном процессе. И отмечаются два важных свойства, быстрое нарастание и более медленный спад. Нас сегодня будут интересовать выбросы напряжения, но важно понимать, что выброс тока, как и выброс мощности, создают на сопротивлении нагрузки тот самый выброс напряжения.

Термин перенапряжение обычно используется применительно к сетям электроснабжения переменного тока. В ГОСТ 32144-2013 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. НОРМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ" можно найти пункт 3.1.30:

• 3.1.30 Перенапряжение: Временное возрастание напряжения в конкретной точке электрической системы выше установленного порогового значения.

Чуть далее дается и определение порогового значения:

• 3.1.33 Пороговое значение начала перенапряжения: Среднеквадратическое значение напряжения в системе электроснабжения, установленное для определения начала перенапряжения.

Среднеквадратичное, так как в системах электроснабжения напряжение переменное. Есть и определение провала напряжения, которое мы не будем использовать по ряду причин, но об этом чуть позже.

В этом же ГОСТ есть определение импульсного напряжения, причем оно вводится именно через перенапряжение:

• 3.1.24 Импульсное напряжение: Перенапряжение, представляющее собой одиночный импульс или колебательный процесс (обычно сильно демпфированный), длительностью до нескольких миллисекунд.

Теперь обратимся к ГОСТ Р 55630-2013 IEC/TRР 62066:2002 "ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫЕ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Общие положения". Мы можем найти определение импульсного перенапряжения:

• 3.15 Импульсное перенапряжение: Кратковременное или переходное напряжение, возникающее в системе, от импульса тока, возникающего из-за атмосферного разряда, индукции, коммутации или непос­редственного повреждения в системе

Это определение объединяет два предыдущих, в некоторой степени, но включает в себя и краткое перечисление возможных причин возникновения перенапряжений. К этим причинам мы скоро вернемся.

Давайте абстрагируемся от строгости определений, но будем на них опираться, и сетей электроснабжения. Возьмем абстрактную электрическую цепь и будем рассматривать напряжение на каком-то ее участке

Выбросы напряжения на некотором участке абстрактных электрических цепей. Являются ли они перенапряжениями? Иллюстрация моя

Левая часть иллюстрации условно соответствует цепи постоянного тока, так как напряжение не меняет знак (хоть и не является постоянным). Форму напряжения будем считать произвольной. Правая часть условно соответствует цепи переменного тока, причем напряжение в ней синусоидальное. Красным цветом я показал выбросы напряжения. Попробуем ответить на вопрос, являются ли эти выбросы перенапряжениями (overvoltage)? И насколько они будут опасными для самой электрической цепи?

Ответ на первый вопрос довольно очевиден, мы не можем считать эти выбросы перенапряжениями, так как не задано пороговое значение напряжения. И это не простая формальность, это сама суть определения перенапряжения. Ответ на второй вопрос чуть сложнее. Наши выбросы напряжения нигде не выходят за диапазон от минимального до максимальных значений напряжения на данном участке цепи. Поэтому повредить саму цепь они не могут. Но они могут временно нарушить корректность ее работы, так как будут являться помехами.

Таким образом, далеко не любой выброс напряжения может привести к физическому повреждению цепи и ее компонентов. При этом корректность работы может быть временно нарушена, но это мы рассматривать не будем.

Обратите внимание, что выбросы напряжения имеют знак! И это не противоречит определению. Знаком выброса будем считать направление отклонения мгновенного значения напряжения от его нормального значения. Положительные выбросы часто просто называют выбросами, а отрицательные провалами. Для мгновенных значений напряжения, а не среднеквадратичного. Помните, мы абстрагировались от сетей электроснабжения?

Но нас сегодня интересуют не просто выбросы, а выбросы, которые могут повредить электрическую цепь. Поэтому нам гораздо ближе понятие перенапряжения. Причем это перенапряжение тоже может иметь знак. А значит, нам нужно ввести пороговые значения напряжения, границы диапазона, в которых напряжение должно находиться в нормальных условиях

Выбросы и перенапряжения. Иллюстрация моя

Здесь показано два выброса, которые мы считаем относительно безопасными, так как ничего не будет повреждено. И три перенапряжения, когда мгновенные значения напряжения явно выходят за допустимые (установленные нами) границы. И эти три перенапряжения являются импульсными, что для нас будет чрезвычайно важным.

Вот именно с этими перенапряжениями, с выбросами, выходящими за установленные границы, мы и будем бороться с помощью защитных (TVS) диодов.

Причины возникновения перенапряжений и выбросов

Выделим несколько основных причин возникновения выбросов напряжения:

1. Переходные процессы в электрических цепях
2. Электростатические разряды
3. Воздействие электромагнитных излучений

Возникающие при этом выбросы и перенапряжения будут иметь разную длительность и разный характер (одиночный, периодический, многократный, и т.д.). Но не менее важно, что при этом энергия возникающих импульсных перенапряжений будет разной.

Переходные процессы

Переходные процессы очень подробно изучаются в ТОЭ (Теоретических Основах Электротехники):

• Переходный процесс это процесс переходя от одного режима работы цепи к другому, чем-либо отличающемуся от предыдущего (амплитуда, фаза, частота, значения параметров элементов схемы, конфигурация цепи, и т.д.)

В ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 тоже можно найти определение:

• 3.1.23 Переходный процесс (transient): Явление или величина, которые изменяются между двумя соседними стационарными состояниями в течение интервала времени, короткого по сравнению с
  рассматриваемой шкалой времени.

Это определение немного отличается от определения в ТОЭ, но суть та же самая. Переходные процессы возникают при изменении конфигурации (коммутации или изменение параметров элементов цепи) или режима работы цепи (например, значение, частота, фаза внешних напряжений).

• Коммутация это процесс замыкания или размыкания переключателей

Не стоит воспринимать это определение слишком буквально. Замыкание ключа это и открывание транзистора или тиристора. А размыканием может быть и "перегорание" предохранителя или лампы накаливания. Коммутация, по своей сути, является изменением конфигурации цепи.

Изменением параметров элементов цепи может быть изменение емкости конденсатора, причем это может быть как связано с приложенным к нему напряжением, так и не связанным (изменение расстояния между обкладками или диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками. Аналогично, изменение индуктивности, например, при удалении сердечника из катушки, будет являться изменением параметров элементов цепи.

Примером переходного процесса является включение лампы накаливания. Два стационарных состояния это

1. Лампа выключена и ток в цепи не протекает
2. Лампа включена и в цепи течет ток

Переходный процесс это изменение тока в цепи и напряжения на лампе в процессе перехода от одного стационарного состояния к другому. При этом в цепи будет выброс тока

При чем тут перенапряжения? Например, в цепи лампы может быть установлен резистор (шунт), который используется для контроля целостности лампы во включенном состоянии. При включении лампы на резисторе будет выброс напряжения.

Перегорание лампы накаливания тоже приведет к возникновению переходного процесса (и будет коммутацией), хоть это и не столь очевидно. Любой проводник обладает индуктивностью и емкостью, что может привести к появлению перенапряжения. Прерывание тока через катушку индуктивности, пожалуй, является одним из наиболее известных примеров появления выброса напряжения и переходного процесса. Можно привести много других примеров.

Очень важно, что кратковременность переходного процесса не абсолютна, а относительна. Время переходного процесса мало лишь по сравнению продолжительностью наблюдения. Переходные процессы обычно протекают очень быстро. Их длительность может составлять единицы наносекунд (и даже меньше). А может достигать единиц миллисекунд. Такая краткосрочность переходных процессов является важной для нас сегодня. Однако, переходный процесс может быть и весьма длительным. Например, заряд конденсатора большой емкости через резистор большого сопротивления может занять секунды и даже минуты.

Мы не будем рассматривать длительные переходные процессы и длительные перенапряжения, так как TVS диоды не предназначены для защиты от таких "происшествий". А мы рассматриваем это.

Важно понимать, что переходные процессы и связанные с ними выбросы и перенапряжения могут быть очень разными не только по длительности, но и по амплитуде выброса. А следовательно, и энергия выбросов может быть очень разной. Выброс напряжения отрицательной полярности при использовании дифференцирующей RC цепочки будет обладать малой энергией (при небольшой емкости конденсатора) и небольшой амплитудой. Но прерывание тока через катушку с большой индуктивностью может породить выброс очень большой амплитуды и энергии.

Электростатические разряды

Электростатические разряды можно рассматривать как частный случай переходных процессов связанных с изменением режима работы цепи. Но это будет излишним усложнением. Электростатический разряд, по сути, сам является быстрым переходным процессом, так как стационарное состояние после разряда может считаться идентичным состоянию до разряда.

Давайте заглянем в ГОСТ IEC 613400-5-1-2019 "Электростатика. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. Общие требования" и найдем там определение электростатического разряда:

• 3.5 Электростатический разряд (ElectroStatic Discharge, ESD) это импульсный перенос электростатического заряда между телами с разными электростатическими потенциалами.

Первое, на что нужно обратить внимание, это импульсный характер процесса. То есть, как и в случае переходных процессов, электростатический разряд протекает быстро. Остается разобраться, что такое электростатический заряд.

• Электростатический заряд это неуравновешенный электрический заряд в покое. Он возникает при статической электризации, приводящей к образованию и пространственному разделению положительных и отрицательных электрических зарядов.

То есть, электростатический заряд это электрический заряд. Электростатический заряд может возникать при разрыве контакта между диэлектрическими материалами, при деформации материалов, при их трении друг о друга. Именно электростатические заряды создаются на вращающихся диэлектрических дисках электрофорной машины, на теле человека и синтетической одежде, и т.д. Электростатические заряды имеют знак.

Электростатический разряд это процесс выравнивания потенциалов двух тел. При значительной разности потенциалов и большой величине заряда разряд может сопровождаться видимой искрой. Но искры может и не быть, если разность потенциалом мала. Или она может быть незаметной, если заряд мал.

• Разряд может быть воздушным или контактным.

Важно понимать, что электростатический разряд это непосредственное воздействие на электрическую цепь вне зависимости от того, контактный он или воздушный. Это воздействие может оказываться на внешние зажимы цепи или любой из ее узлов.

Какое отношение имеют электростатические разряды к нашей сегодняшней теме? Самое прямое. Во первых, если с устройством работает человек, то между его телом (например, пальцем) и электрическими цепями устройства может возникать электростатический разряд. Например, при касании органов управления, соединительных проводников, разъемов. Во вторых, если устройство подключают к другому устройству (прибору, станку, линии связи), то тоже могут возникать электростатические разряды. При этом ни одно из устройств не обязано быть включенным.

Обратите внимание, что речь идет именно, и исключительно, о выравнивании потенциалов образованных электростатическими зарядами!

Электростатический разряд и защиту от него часто рассматривают как отдельный случай не связанный с переходными процессами. И на это есть основания. Во первых, разряд обычно весьма кратковременный, но величина разности потенциалов, которая и равна амплитуде выброса, во много раз превышает амплитуду выбросов обусловленных переходными процессами. Во вторых, энергия таких выбросов часто заметно меньше, чем при переходных процессах.

Чуть ранее я говорил о двух типовых случаях возникновения электростатических разрядов при эксплуатации устройств. Эти случаи описываются двумя различными моделями:

• Модель Человеческого Тела, МЧТ, (Human Body Model, НВМ). Модель воздействия электро­статическим разрядом, которая приближенно соответствует явлению разряда с пальца руки человека на кон­такт устройства, когда другой контакт устройства заземлен.
• Механическая (машинная) Модель, ММ (Machine Model, ММ). Модель воздействия электростатическим разрядом, которая приближенно соответствует явлению разряда, возникающего при контакте компонента с производственным оборудованием.

Однако, есть и третий случай, который мы ранее даже не упоминали:

• Модель Заряженного Устройства, МЗУ, (Field-Induced Charged Device Model, CDM). Модель воздействия электростатическим разрядом, которая приближенно соответствует явлению разряда из устройства при контакте с заземлением имеющим низкое сопротивление.

Такой разряд может возникать в производственных процессах, например, при движении изготавливаемой печатной платы по производственной линии. Эта модель используется реже.

Однако, все три модели очень похожи, различия только в номиналах элементов схемы

Модель воздействия электростатических разрядов. Иллюстрация моя

Конденсатор С заряжается от источника высокого напряжения Е. Разряд конденсатора на тестируемое устройство DUT (Device Under Test) осуществляется через резистор R и катушку индуктивности L. Таким образом и формируется импульс имитирующий электростатический разряд. Разряд на тестируемое устройство передается через зонд, который или расположен на некотором расстоянии от элементов цепи (воздушный разряд) или непосредственно контактирует с ними (контактный разряд).

Номиналы элементов таковы:

• МЧТ: C=100 пФ, R=1.5 кОм, L=750 нГ, Е⩾2 кВ
• ММ: C=200 пФ, R=20 Ом, L=750 нГ, Е=100, Е=100-200 В
• МЗУ: C=2-10 пФ, R=20 Ом, L=5 нГ, Е=200-1000 В

Может показаться, что разница невелика. Однако, она существенно влияет на форму воздействующего напряжения и ток разряда

Формы импульсов тока электростатического разряда для разных моделей. По материалам Embedded Computing Design

Разница хорошо видна. Нас сейчас не интересуют конкретные значения тока и напряжения. Но длительность импульсного воздействия важна. Чуть более 100 нс, действительно, очень быстро.

Еще раз отмечу, что электростатические разряды являются внешним электрическим воздействием.

Существует несколько классов по воздействию и защите от электростатических разрядов. Эти классы различаются, в том числе, воздействующей разностью потенциалов. Но сегодня мы не будем это рассматривать.

Влияние электромагнитных помех

Рассмотрим очень коротко. Представьте, что рядом с нашим устройством произошел мощный высоковольтный разряд, который совершенно точно не задел наше устройство напрямую. Может ли устройство выйти из строя? Да, может. Наведенного напряжения помехи может оказаться достаточно, что бы пробить полевые транзисторы, если их цепи затворов не имеют защиты.

Обратите внимание, что в данном случае нет ни переходных процессов, ни прямого воздействия разряда на устройство. И на внешние соединения устройства не обязательно поступают импульсы высокого напряжения, как может произойти во время грозы.

Что общего у всех этих случаев?

Прежде всего, все рассмотренные воздействия импульсные. И время действия импульса напряжения, выброса/перенапряжения, мало. Не смотря на то, что реальная длительность может быть разной, мы будем рассматривать только быстропротекающие процессы. То есть речь не идет, например, об ошибочном подключении устройства к источнику питания 12 В вместо 5 В или перепутанной полярности.

Во вторых, импульс имеет знак, полярность. И этот знак может быть любым. В случае переходных процессов мы можем предсказать полярность выброса. В случае электростатических разрядов полярность может быть любой. Причем это не зависит ни от вида тока (постоянный или переменный), ни от полярности напряжения в цепи в нормальных условиях.

В третьих, амплитуда выброса напряжения выходит за допустимые для элементов цепи пределы, что может привести к выходу их из строя. Именно это является причиной необходимости введения цепей и элементов защиты.

Защищаемые цепи бывают разные, но цель защиты одна

Ранее мы не уделяли внимания особенностям защиты цепей разного функционального назначения. Между тем эти особенности существуют и их нужно учитывать. Но цель защиты остается неизменной:

1. Элементы защиты не должны оказывать влияния на работу защищаемой цепи в отсутствии представляющих опасность выбросов напряжения (перенапряжений). Это требование не всегда возможно соблюсти в реальных устройствах, поэтому его обычно смягчают. Вместо "не должна оказывать влияния" используют "должна оказывать минимальное влияние".
2. Защита цепи должна срабатывать максимально быстро, так как сами процессы перенапряжения являются кратковременными и характеризуются высокой скоростью нарастания напряжения.
3. Крайне желательно, что бы элементы защиты цепи не выходили из строя при многократном срабатывании. Разумеется, обеспечить абсолютную надежность невозможно. Но правильно спроектированные элементы цепей защиты обеспечивают защиту от типовых многократных воздействий.
4. При воздействии выброса напряжения с энергией, превышающей типовой случай, элементы защиты могут выйти из строя, но защищаемая цепь должна оставаться целой. При этом ее работоспособность может быть нарушена до замены защитных элементов.

Силовые цепи и цепи питания

Большое значение имеет возможность цепей защиты пропускать большой ток (поглощать большую энергию импульса) без выхода из строя. Паразитная емкость элементов защиты имеет небольшое значение.

Сигнальные цепи и цепи передачи данных

Для защиты сигнальных цепей наоборот, возможность пропускать большой ток не столь критична, зато требуется малая емкость. Особенно, для высокочастотных сигнальных цепей. Это два во многом противоречивых требования.

Чувствительные к электростатическим разрядам и электромагнитным помехам цепи

Их можно было отнести к сигнальным цепям, на первый взгляд, но тут есть свои особенности. Сигнальная цепь может выходить за пределы печатной платы и даже за пределы устройства. Но входы микросхем или затворы полевых транзисторов могут пострадать и от куда более слабых воздействий.

Заключение. Промежуточное

Сегодня мы только бросили короткий взгляд на защитные диоды, но разбирались не с ними, а с факторами воздействия, от которых требуется защита. Без этого было невозможно обойтись, хоть большая часть статьи и касалась самых общих вопросов. В следующей статье мы будем рассматривать работу цепей защиты на собственно TVS диодах. Чем они отличаются от других элементов защиты.

До новых встреч!