Diody TVS stanowią pierwszą linię ochrony układu elektronicznego przed wyładowaniami ESD, a często także przed innymi narażeniami wysokonapięciowymi. Kluczem do sukcesu jest jednak poprawny dobór elementu, gdyż nieodpowiedni transil nie tylko nie zdoła uchronić układu przed uszkodzeniem, ale także może znacznie zaburzyć działanie urządzenia w normalnych warunkach pracy.
Dobór modelu transila do danego zastosowania nie może kończyć się na określeniu napięcia znamionowego. Trzeba bowiem uwzględnić szereg parametrów dodatkowych, które nie tylko zapewniają wymaganą przez normy EMC skuteczność zabezpieczenia, ale także minimalizują wpływ wielkości pasożytniczych transila na działanie układu. Zależności te zaprezentujemy na przykładzie bardzo popularnej rodziny diod TVS typu SMBJxxx(C)A.
Jak czytać parametry diod TVS?
Seria SMBJ5.0(C)A – SMBJ440(C)A obejmuje transile w obudowie SMB o napięciu roboczym od 5 V do 440 V. Dla zachowania spójności opisu, jako przykład przyjęliśmy 24-woltowy model transila jednokierunkowego, czyli SMBJ24A.
A/CA – kierunkowość transila
Przy typowym połączeniu katodą do chronionej linii, a anodą do masy układu, wersja jednokierunkowa (A) ogranicza dodatni impuls w obszarze lawinowym, a przy przeciwnej polaryzacji przewodzi jak zwykła dioda. Nadaje się przede wszystkim do jednobiegunowych szyn DC.
Odmiana dwukierunkowa CA ma podobną charakterystykę dla obu polaryzacji i jest przeznaczona m.in. do sygnałów przemiennych oraz linii, na których w trakcie pracy mogą występować zarówno napięcia dodatnie, jak i ujemne względem masy – np. niektórych wejść analogowych o charakterystyce bipolarnej.
VR, VRWM (reverse stand-off voltage)
Najwyższe napięcie robocze, przy którym transil ma pozostawać w stanie blokowania. W tabeli SMBJ oznaczono je jako VR. Wartość ta powinna przewyższać maksymalne prawidłowe napięcie linii z uwzględnieniem wszelkich tolerancji i ewentualnych tętnień. Dla SMBJ24A wynosi 24 V – błędem byłoby zatem bezrefleksyjne użycie tego transila np. do ochrony obwodu zasilania 24-woltowego sterownika PLC, gdyż należy się spodziewać, że napięcie zasilające w instalacji przemysłowej może w normalnych warunkach pracy zmieniać się w pewnym zakresie.
Dla przykładu: w zasilaczu typu MDIN40W24 marki POS dokumentacja podaje tolerancję napięcia wyjściowego równą +/-5 %, zatem można spodziewać się potencjału na linii zasilania o wartości 25,2 V – a przecież w grę wchodzą także dryfy termiczne i różne czynniki dodatkowe.
VBR (breakdown voltage)
Napięcie progowe początku przebicia, mierzone przy określonym prądzie IT. Dla SMBJ24A wartość VBR wynosi 26,7…29,5 V przy IT = 1 mA. VBR nie jest zatem napięciem ograniczania przy pełnym prądzie impulsowym, gdyż w tym rejonie transil dopiero zaczyna się „otwierać”.
VC (maximum clamping voltage)
Wartość VC oznacza maksymalne napięcie na transilu przy wskazanym prądzie IPP, określone dla danego kształtu impulsu. Dla SMBJ24A wynosi ona 38,9 V przy 15,5 A w impulsie 10/1000 µs. W realnych warunkach do VC trzeba byłoby dodać wartość przepięcia powstającego na indukcyjności ścieżek, a także uwzględnić wpływ rezystancji dynamicznej w warunkach określonego typu zaburzenia. Dlatego właśnie transil powinien znajdować się blisko złącza i mieć krótką drogę do punktu odniesienia (tym zagadnieniom przyjrzymy się bliżej w czwartej części niniejszego cyklu). Z uwagi na sposób zdefiniowania warunków pomiaru, parametr ten jest ściśle powiązany z kolejną wartością, czyli:
IPP (maximum peak pulse current)
Maksymalny prąd szczytowy pojedynczego, „izolowanego” (tj. niepowtarzanego w ramach serii) impulsu o kształcie 10/1000 µs. Jak już podaliśmy w poprzedniej sekcji, IPP wynosi 15,5 A dla transila typu SMBJ24A.
IR (maximum reverse leakage)
Maksymalny prąd upływu przy napięciu VR. Wynosi 1 µA dla SMBJ24A, choć w przypadku transili niskonapięciowych może dochodzić nawet do 800 µA (SMBJ5.0A i SMBJ6.0A). Dla wersji dwukierunkowych o VRWM do 10 V producent dopuszcza wartość dwukrotnie większą. Prąd upływu ma kluczowe znaczenie w urządzeniach bateryjnych czy wejściach o dużej impedancji – to zagadnienie omówimy w 3. odcinku tej serii.
PPPM (peak pulse power dissipation)
Szczytowa moc pojedynczego impulsu 10/1000 µs wynosi 600 W przy 25°C przy założeniu, że element jest zamontowany na polach miedzianych o powierzchni 5 mm² przy każdym wyprowadzeniu. Nie jest to oczywiście moc ciągła, a ponadto powyżej 25°C podlega obniżeniu zgodnie z poniższym wykresem.
Dla SMBJ24A iloczyn 38,9 V i 15,5 A daje około:
ponieważ wszystkie trzy wielkości pojawiające się w powyższym wzorze opisują de facto ten sam punkt pracy.
IFSM (peak forward surge current)
Prąd 100 A, którego wartość pojawia się na pierwszej stronie noty katalogowej, dotyczy szczytu pojedynczej połówki sinusoidy o szerokości 8,3 ms, podanej na transil pracujący – co ważne – w kierunku przewodzenia (opisane wcześniej parametry dotyczyły pracy w kierunku zaporowym). Parametr ma zatem znaczenie dla odmiany jednokierunkowej, nie opisuje bowiem pracy lawinowej i nie należy go traktować jako potwierdzenie odporności na udary według IEC 61000-4-5.
VESD (ESD voltage)
Producent deklaruje odporność napięciową komponentu na potencjały do ±30 kV, zarówno dla wyładowania stykowego, jak i zrealizowanego przez szczelinę powietrzną według IEC 61000-4-2. Co ważne – jest to wartość napięcia probierczego generatora użytego do testowania samego transila w określonych warunkach, ale – znów – nie stanowi gwarancji przejścia prób laboratoryjnych przez całe urządzenie.
Cj (junction capacitance)
Typowa pojemność złącza diod TVS z rodziny SMBJ wynosi około 390 pF przy napięciu zaporowym 4 V i częstotliwości 1 MHz. Pojemność ta jest dołączona równolegle do chronionej linii i może pogorszyć integralność szybkich sygnałów, zwłaszcza w przypadku interfejsów cyfrowych. Tematyce parametrów pasożytniczych przyjrzymy się w kolejnym odcinku naszego cyklu.
Podsumowanie
Dobór transila rozpoczyna się od określenia wartości VRWM i kierunkowości elementu, ale o skuteczności ochrony decydują głównie: napięcie VC, kształt impulsu czy nawet zastosowana topologia połączeń. Trzeba również sprawdzić prąd upływu i pojemność, które wpływają na pobór energii, dokładność pomiarów w układach analogowych czy wreszcie integralność sygnałową podczas normalnej pracy. Ostatecznym potwierdzeniem projektu zawsze pozostaje jednak badanie kompletnego urządzenia według właściwej normy produktowej.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components
Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com
