Элементы защиты цепи питания

Виды защиты в импульсных источниках питания от компании MEAN WELL

Одним из важных требований, которые предъявляются к источникам питания в составе электрических или электронных систем, является обеспечение безопасности их использования при возникновении нештатных ситуаций и предотвращения выхода из строя самого блока питания и/или подключенной нему нагрузки. Эту задачу решает ряд защит, которые производитель встраивает в свои источники питания различного типа преобразования (AC/DC, DC/DC, DC/AC) или зарядные устройства. Для большинства источников питания производства компании MEAN WELL набор этих защит универсален и присутствует в полном объеме, однако их точное наличие и параметры следует уточнять по Спецификации на конкретную модель источника питания или зарядного устройства.

Типовое расположение реализуемых подсистем защиты и взаимосвязи с другими блоками в схеме источников питания можно представить на примере источника питания серии HRP-100

Блок-схема источника питания серии HRP-100 с реализованными защитами

Overload protection (O.L.P.)

Функция защиты от перегрузки (Overload Protection) является одной из основных защит блока питания, поскольку позволяет в равной степени защитить как сам блок питания, так и подключенную нагрузку от выхода из строя. Перегрузка возникает при полном или частичном выходе из строя оконечного устройства, подключенного к блоку питания, что приводит к резкому повышению выходного тока. Встроенная защита отлавливает момент превышения выходного тока выше заданного параметра (обычно 105-150% от нормированного значения мощности или выходного тока) и производит ограничение выходного тока или отключение блока питания. Более подробно эта функция была описана ранее.

Over voltage protection (O.V.P.)

Функция защиты от перенапряжения (Over voltage Protection) также является одной из основных защит, которая встречается практически во всех AC/DC преобразователях – от самых бюджетных источников серии LRS до самых продвинутых и функциональных блоков питания серий RSP и HRP.

Импульсное перенапряжение возникает при внезапной смене режима работы нагрузки (например, за счет ее коммутации реле или выключателем), при коротком замыкании, и других случаях, как правило, коммутационного характера. В этих случаях накопленная энергия из-за резкой смены параметров режима работы блока питания приводит к развитию переходного процесса со значительным скачком напряжения, который может вывести из строя как сам блок питания, так и питаемую им нагрузку. Поэтому блок защиты от перенапряжения имеет заданный уровень порога (имеет фиксированные границы для каждого номинала выходного напряжения каждого блока питания), при котором происходит либо отключение блока питания (наиболее частый способ реализации этой защиты), либо перевод его в прерывистое состояние (hiccup). При отключении блока питания перезапуск осуществляется вручную повторным включением после устранения или завершения неисправности. При переводе в режим прерывистой работы включение происходит автоматически после устранения неисправности.

Short Circuit

Функция защиты от короткого замыкания (Short circuit) – предназначена защитить блок питания от выхода из строя при возникновении ситуации короткого замыкания на выходных контактах блока питания. Эта защита может быть реализована как составная часть функции защиты от перегрузки (Overload protection), либо отдельным блоком в цепи обратной связи источника питания.

Over temperature (O.T.P.)

Защита от перегрева (Over temperature Protection) предназначена для предотвращения перегрева и повреждения внутренних компонентов источника питания или для предотвращения уменьшения срока его службы из-за высокой температуры окружающей среды, перегрузки или неисправности в блоке питания (например, повреждения встроенного вентилятора охлаждения). Условия неисправности должны быть устранены, после чего источник питания автоматически восстановится или перезапустится при повторном включении вручную после того, как внутренняя температура упадет ниже температуры активации. В общем случае, для охлаждения блока питания до температуры окружающей среды требуется от нескольких до десятков минут.

Reverse polarity

Отдельно для зарядных устройств и инверторов (DC/AC преобразователей), а также в некоторых случаях для DC/DC преобразователей (по входному подключению) реализуется отдельный вид защиты – защита от подключения с обратной полярностью (защита от переполюсовки). Применение данной защиты позволяет избежать выхода из строя устройства силовой электроники при ошибке подключения внешнего источника питания (для инвертора или DC/DC преобразователя) или аккумулятора (для зарядного устройства). В большинстве случаев защита от обратной полярности (переполюсовки) осуществляется с помощью специального предохранителя, который необходимо заменить в случае, если такая защита сработала.

Battery Low Protection

Также стоит отметить защиту, которая применяется в устройствах с использованием аккумуляторов (зарядные устройства, источники питания с функцией ИБП), и которая предназначена для защиты подключенных аккумуляторов от глубокого разряда и/или предупреждения о возникновении такой ситуации (Battery Low Protection). Для разных по типу устройств эта защита может быть реализована со своими особенностями, поэтому по ее применению следует обращаться к документации производителя (Спецификации).

В заключение стоит отметить, что наличие защиты с большей долей вероятности позволит избежать выхода из строя устройства питания и/или подключенной к нему нагрузки, но сам факт ее срабатывания не решает проблему почему такая ситуация возникла. Поэтому каждый факт срабатывания отдельной защиты должен быть исследован и должны быть устранены условия его возникновения – только в этом случае система питания будет служить максимально долго и качественно.

Источник

Цепи защиты и контроля.

Защита источников питания проявляется в критических режимах работы, а так же в тех случаях, когда действие обратной связи может привести к предельным режимам работам элементов схемы, предупреждая тем самым выход из строя силовых и дорогостоящих элементов схемы. К ним относятся транзисторы полумостового преобразователя и выходные выпрямители. В результате действия цепей защиты снимаются выходные управляющие сигналы с ШИМ-контроллера, транзисторы преобразователя находятся в выключенном состоянии, выходное вторичное напряжение отсутствует. Исключая внутренние цепи защиты ШИМ-контроллера рассмотрим действия внешних элементов схем защиты, встречающихся в типовых схемах преобразователей.

Следует различать такие цепи:

от короткого замыкания в нагрузке;

от чрезмерного тока в транзисторах полумостового преобразователя;

защиту от превышения напряжения.

Выполняет следующие функции: исключение «сквозного» тока. Дополнительной мерой исключения явления «сквозного» тока в полумостовом преобразователе является фиксированное смещение компаратора «паузы» 0,12 В.. При напряжении пилообразного напряжения меньшем 0,12 В. и пулевом потенциале на выводе 4 на выходе компаратора будет сохраняться нулевой уровень, этот интервал соответствует максимальной длительности интервала «пауза», величена которой этом случае не будет превосходить 4% от периода пилообразного напряжения. Максимальная длительность паузы соответствует напряжению на выводе 4 микросхемы.

Кроме того, с помощью входа управления «паузой» довольно просто организуется режим «медленного пуска» преобразователя. Наличие этого режима позволяет плавно запустить преобразователь в первый момент включения в электрическую сеть. Следует помнить, что режим запуска является очень тяжёлым режимом работы преобразователя, все фильтровые конденсаторы разряжены, в связи с этим режим пуска близок к режиму короткого замыкания. Транзисторы преобразователя до момента окончательного заряда конденсаторов фильтров выпрямителей должны работать в критическом режиме максимальных токов. Обеспечить комфортную работу транзисторов во время запуска преобразователя до окончания заряда конденсаторов фильтров позволяет использование режима «медленного запуска». При этом длительность выходных каскадов плавно увеличивается до номинального режима работы выходных транзисторов преобразователя.

Усилители ошибки.

Главное назначение усилителей ошибки – измерение отклонение выходного напряжения и тока нагрузки с целью поддержания напряжения на выходе источника питания на постоянном уровне. В режиме стабилизации модуляция длительности величины выходных управляющих импульсов осуществляется сигналами усилителей ошибок, входное напряжение которых может изменяться в пределах от 0,5 до 3,5 В.. Оба усилителя могут работать в одинаковых режимах. Входы усилителя соединены с не инвертирующим входом ШИМ-компаратора. Такая архитектура микросхемы (с управлением по цепи обратной связи) позволяет поддерживать напряжение на выходе источника питания с минимальным отклонением. В двухтактном режиме вход управления выходными каскадами (вывод 13) подключается к источнику опорного напряжения (вывод 14), который в рабочем режиме формирует напряжение +5 В. с максимальным током нагрузки 10 мА. Назначение этого источника – питание внешних по отношению к микросхеме цепей.

Источник

Защита от перенапряжений электронных систем

Защита электроники от перенапряжения и мощных помех является проблемой важной не только для спецтехники, но и для промышленности, проводных сетей и устройств вычислительной техники, связи и бытовой электроники. Эта проблема решается достаточно просто с помощью супрессоров — TVS диодов (ограничителей напряжения), варисторов, TVS-тиристористоров и разрядников и с помощью ограничителей напряжения на обычных диодах. Здесь я расскажу о применении TVS- диодов и немного разрядников.

TVS диоды (супрессоры) — полупроводниковые диоды, позволяющие ограничивать импульсные всплески перенапряжения, амплитуда которых превышает напряжение лавинного пробоя диода. Эти перенапряжения возникают из-за внешних воздействий, таких как: электростатические разряды (ESD), грозовые разряды, подключение индуктивной нагрузки и др.

Статическое электричество – явление, при котором на поверхности и в объеме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд. Как правило, незаряженные атомы обладают одинаковым количеством положительных и отрицательных электронов, электрически заряженными объектами считаются, обладающие малым либо избыточным числом электронов. Взаимодействие точечных электрических зарядов описывается законом Кулона.

При стекании на металлоконструкции (в том числе и заземленные) происходит кратковременное повышение напряжения на металлоконструкции, проводниках, элементах электронных схем. Это повышение может многократно превышать напряжение питания электронных схем.

Переходный процесс – в электрической цепи, явление, возникающее при переходе из одного режима работы электрической цепи в другой, отличающийся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров или конфигурацией цепи.

История открытия статического заряда и его происхождение

Закон взаимодействия электрических зарядов был открыт Шарлем Огюстен де Кулоном в 1785 году. Однако за 11 лет до открытия и формулирования его закона, Генри Кавендиш установил закономерность взаимодействия зарядов, но результаты его исследовании не были опубликованы и долгое время оставались не известными. Электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия атомных и молекулярных сил (из-за различия работы выхода электрона из материалов). При этом происходит перераспределение электронов (в жидкостях и газах еще и ионов) с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоев с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы и молекулы одного вещества отрывают электроны от другого вещества. Полученная разность потенциалов соприкасающихся поверхностей зависит от ряда факторов – диэлектрических свойств материалов, значения их взаимного давления при соприкосновении, влажности и температуры поверхностей этих тел, климатических условий. При последующем разделении этих тел каждое из них сохраняет свой электрический заряд, а с увеличением расстояния между ними за счет совершаемой работы по разделению зарядов, разность потенциалов возрастает и может достигнуть десятков и сотен киловольт.
Электрические разряды могут взаимно нейтрализоваться вследствие некоторой электропроводности влажного воздуха. При влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает.

Статическое электричество вокруг нас

Среда вокруг нас очень загрязнена не только пылью, химическими элементами от выбросов промышленных предприятий, но и помехами, вызванными электрическими зарядами. Электрические помехи окружающие нас вызваны атмосферными явлениями и промышленными устройствами.

Статическое электричество в природе

Электростатические явления встречаются повсюду вокруг нас. Впервые электризация жидкости при дроблении была замечена у водопадов Швейцарии в 1786 году, это явление получило название баллоэлектрического эффекта. Заряженный воздух у водопадов сообщают микроскопические капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от водной поверхности и уносятся в окружающую среду. Эффект электризации наблюдается не только у водопадов, но и в пещерах.

Воздух у берегов морей приобретает положительный заряд, вследствие разбрызгивания соленой воды. Так же наблюдаются электрические разряды в ходе схода
снежных лавин.

В результате движения атмосферных масс мы достаточно часто можем наблюдать такое явление как молния. Молния – это тот же электрический разряд, возникший в атмосфере. Это явление достаточно изучено, и в настоящей статье это явление более подробно рассматривать не будем.

Статическое электричество в технике

В технике из-за статического электричества возникают перенапряжения, вызывающие импульсы тока, что ведет зачастую к выходу из строя электроники. Методы защиты электроники от скачков и выбросов напряжения и тока мы рассмотрим позже.
Статическое электричество может быть хорошим помощником человека, если изучить его свойства и правильно их применять. В технике применяется следующий
метод: мельчайшие твердые или жидкие частицы материала поступают в электрическое поле, где на их поверхность «оседают» электроны и ионы, т.е. частицы, приобретают заряд и далее движутся под действием электрического поля. В зависимости от назначения аппаратуры можно с помощью электрических полей по-разному управлять движением частиц в соответствии с необходимым технологическим процессом. Такие технологии активно применяются в автомобиле строении, рыбной промышленности, текстильной и хлебопекарной промышленности. А так же на основе заряженных частиц построен ряд систем для очистки воздуха.

Возникновение перенапряжения

При эксплуатации электронного оборудования в его цепях возникают различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перепады напряжения.

Перепад напряжения – случайные пульсации напряжения с амплитудой большей, чем рабочее напряжение в цепи. Такие перегрузки возникают в результате возникновения электромагнитных импульсов естественного происхождения (грозовые разряды), импульсов искусственного происхождения (излучение радиопередающих устройств, высоковольтных линий передач, сетей электротранспорта и др.), а так же за счет внутренних переходных процессов в оборудовании, которые возникают при отключении емкостной, индуктивной нагрузки или электростатических разрядов. Перепад может длиться от несколько наносекунд до нескольких миллисекунд.

а	б
Рис. 1. Формы импульсов а) стандарт IEC61000-4-5 б) стандарт 61643-321

Такие переходные процессы сокращают срок службы электронного оборудования или вовсе выводят его из строя, что усложняет жизнь разработчикам электроники, которым необходимо разрабатывать схемы защиты электронных устройств.
В то время как перепады могут возникать по различным причинам наиболее распространенными и опасными являются грозовой и статический разряд.
Перепады, вызванные грозовым разрядом, характеризуются высокоэнергетическими длительными импульсами с длительностью от десятков до тысяч микросекунд. Формы импульсов определяются стандартами IEC61000-4-5 и 61643-321 рисунок 1.
Электростатический разряд другой наиболее распространенный перепад напряжения. Электростатический заряд возникает из-за трибоэлектрического эффекта.

Трибоэлектрический эффект – эффект при котором электрический заряд возникает из-за механического контакта двух диэлектриков. Наиболее распространенные трибоэлектрические материалы – нейлон, бумага, резина, винил, эбонит.
Человеческое тело является отличным аккумулятором статического напряжения, по мере своей активной деятельности статический заряд может накапливаться на теле человека и при контакте с токопроводящим объектом происходит разряд.

Статически разряды могут достигать напряжения до 15 тысяч вольт. Форма волны разряда достигает пика в 1 наносекунду с общей продолжительностью до 60 наносекунд рисунок 2.

Для защиты цепей электронных устройств от воздействия электрических перегрузок могут использоваться различные методы, основными из которых являются:
конструкционные, структурно — функциональные, схемотехнические.
Конструкционные методы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.
Методы структурно-функциональной защиты включают в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов.

Схемотехнические способы защиты включают в себя: пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия является активная защита.

Основными элементами активной защиты являются, TVS-диоды (transient voltage suppressors) (или так называемые супрессоры, защитные диоды, ограничители
напряжения), варисторы, TVS-тиристоры и разрядники.

Методы защиты электроники от выбросов напряжения

Методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC и RC-фильтров, а так же экранов между обмотками сетевых трансформаторов зачастую не
спасают положение. Избежать негативных последствий скачков напряжения позволяют устройства защиты, которые вводятся в состав схемы и принимают на себя удары, которые могут выводить из строя электронные устройства.

Защитные элементы должны выполнять две основные функции:

— отклонять скачек напряжения от защищаемых цепей,

— фиксировать перепад напряжения ниже порога повреждения защищаемого элемента для данной ширины импульса.

С дальнейшим, восстановления нормальной работы цепи (без явлений перепадов), защитный элемент не должен ухудшать функционирование защищаемой цепи.

Так гасящий элемент для высокоскоростных интерфейсов должен обладать достаточно быстрым временем реакции, низким защитным и рабочим напряжением и в случае портативных или ручных устройств, они должны занимать минимум рабочего пространства.

Как правило, чем ближе находится элемент гасящий броски напряжения к защищаемому устройству, тем лучше могут быть его ограничивающие характеристики.
На сегодняшний день, стратегия борьбы от электростатического разряда и его последствий заключается в использовании схем защиты электронных устройств от
импульсных всплесков при переходных процессах. Реализуется он с помощью установки на основной схеме элементов защиты – устройства гашения импульсов, например варисторы, полупроводниковые элементы общего назначения или специальные полупроводниковые ограничители напряжения. В течение переходного процесса ток протекает через устройство гашения импульсов, в свою очередь это ведет к снижению значения переходного напряжения в основной схеме.
Устройства гашения импульсов можно разделить на две категории:

Каждый из типов устройств оптимизирован для определенных условий переходного процесса.

Электронно-ключевые устройства

На первом этапе устройства гашения импульсов электронные ключи (TVS-тиристоры) находятся в закрытом состоянии. Это состояние длится до тех пор, пока не
будет подано напряжение переключения, замыкающее ключ. По сравнению с ограничителями электронные ключи способны манипулировать большими значениями
токов. Недостатком электронных ключей является то, что для возврата устройства в непроводящее состояние необходимо понижать значение прямого тока до определенного уровня отключения, а так же высокая цена.

TVS-диоды

Ограничитель напряжения – это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) с лавинным пробоем или на прямой ветви ВАХ. TVS-диод предназначен для защиты от перенапряжения интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и др.

У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична ВАХ стабилитронов. В условия нормальной работы ограничители являются высокоимпедансной нагрузкой по отношению к защищаемой схеме и служат для защиты цепи. В идеале устройство выглядит как разомкнутая цепь с незначительным током утечки. Когда напряжение переходного процесса превышает рабочее напряжение цепи, импеданс ограничителя понижается, и ток переходного процесса начинает течь через ограничитель. Мощность, образовавшаяся при переходном процессе, рассеивается в пределах защитного устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода.

Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничитель автоматически возвращается в высокоимпедансное состояние.

Одним из основных параметров TVS-диодов является время реакции. Время реакции на обратной ветке ВАХ (ветка лавинного пробоя) составляет несколько пикосекунд.

Применение TVS — диодов позволяет упростить схемы устройств защиты и повысить их надежность (например по сравнению с защитными тиристорами).

К сожалению, стандартная технология TVS-диодов не позволяет делать их достаточно эффективными для напряжений ниже 5 вольт.

Как правило защитные диоды – это кремниевые плоскостные диоды намеренно разработанные с большой областью переходя, для того чтобы они могли справляться с высокими скачками напряжения, что делает их бесполезными для использования при низком напряжении. Их емкостное сопротивление напрямую относится к области перехода и растет экспоненциально, в то время как рабочее напряжение снижается.

Влияние емкостной нагрузки, которую создает защитный диод высокочастотному сигналу или передаче через длинную линию, приводит к значительному ухудшению или отражению сигнала. Инновационные разработки TVS-диодов последних лет включают в себя устройства защиты, обладающие низким емкостным сопротивлением. Методы защиты на их основе делятся на три группы: низкоемкостное шунтирование, защита на основе информации о скачках напряжения и низкоемкостной мост.

Низкоемкостное шунтирование

Этот метод имеет преимущество перед другими методами, заключающееся в том, что емкостные элементы соединены последовательно (в качестве емкостных элементов выступают компенсационный и защитный диод) (рис. 4). Величина эффективной емкости двух последовательно соединенных элементов всегда меньше величины емкости наименьшего из них. В таком случае TVS-диод выигрывает за счет наличия соединенного последовательно низкоемкостного компенсационного выпрямителя. Две пары защитный диод плюс выпрямитель соединенных встречно-параллельно для гарантии того, что в условиях переходного процесса компенсационный диод не перейдет в обратное смещение. Устройства, доступные сегодня, включают в себя одну или несколько пар элементов TVS + выпрямитель, в зависимости от сферы применения.

Конфигурация Rail-to-Rail

При защите высокоскоростных устройств передачи данных на основе информации о скачках напряжения используются низкоемкостные регулирующие диоды (рис. 5).

Между двух устройств, размещенных на линии в ряд, проведены два вывода с фиксированным напряжением – «земля» и опорное напряжение.

В тот момент, когда импульс напряжения на линии превысит сумму прямого напряжения диода и опорного напряжения, диоды направят его на питающую шину или «землю». Достоинства этого метода – низкая емкостная нагрузка, быстрое время реакции и двунаправленность (относительно опорного напряжения).

Однако при использовании данного метода, необходимо учитывать:

— первое — дискретные элементы обычно не рассчитаны на высокие скачки токов, связанных электростатическим разрядом (выпрямители обладают маленькой площадью перехода и при превышении номинальной мощности могут выйти из строя),

— второе – перенаправление импульса на питающую шину может привести к повреждению компонентов источника питания.
Проблему перенаправления выброса можно решить с помощью добавления TVS-диода на шину питания, для того что бы волна направлялась на землю, и фиксировать напряжение ниже уровня максимально допустимого для данного источника питания.

Низкоемкостной мост

Третий метод низкоемкостной защиты – мостовая конфигурация, заключается в следующем: мостовые выпрямители работают на уменьшение эффективной емкостной нагрузки, а так же направляют входящий переходный ток через TVS-диод (рисунок 6).

Использование данного метода позволяет защитить линии передач данных, как от помех общего вида, так и от помех при дифференциальном включении. Однако применение данного метода выполненного на дискретных компонентах не рекомендуется в силу выше перечисленных причин.

Предпочтительным решением в этом случае будет применение интегрированного устройства, включающего в одном корпусе корректирующий всплески диодный мост и TVS-диод.

Выбор и применение TVS-диодов

Для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры основную роль играет выбор и правильность применения полупроводниковых защитных диодов (супрессоров). От этого зависит надежность аппаратуры и самих диодов. Таким образом, полупроводниковые TVS-диоды для любого устройства должны удовлетворять следующим требованиям:
— технические характеристики и параметры диодов должны быть такими, что бы при отсутствии переходных процессов они не оказывали влияния на характеристики
функциональных блоков и устройств в которых они используются;
— уровень напряжения во время действия импульса переходного процесса в точках подключения защитных диодов должен быть как можно ближе к уровню напряжения, действующему до перегрузки;
— надежность TVS-диодов должна быть выше надежности защищаемых устройств;
— быстродействие супрессоров должно быть максимально возможным, для возможности обеспечения качественной защиты при больших скоростях изменения напряжения переходных процессов;
— габариты и масса защитных диодов должны быть меньше габаритов и массы защищаемой аппаратуры;
— параметры и характеристики TVS-диодов должны соответствовать требованиям, по устойчивости к воздействию внешних факторов, предъявляемым к аппаратуре и иметь срок службы соответствующий данному классу аппаратуры.

Схемы защиты аппаратуры

При выборе защитных диодов в первую очередь определяются параметры импульса переходного процесса, то есть амплитуду напряжения, длительность импульса и его форму. Параметры защищаемой цепи выбираются из следующих условий: активное сопротивление и/или индуктивность цепи, и характеристики напряжения действующего в цепи при отсутствии импульса переходного процесса, а так же допустимую амплитуду напряжения в цепи в момент воздействия импульса переходного процесса.
Защитный диод выбирается исходя из расчетного значения пиковой мощности P PPM с учетом длительности импульса переходного процесса t p и его формы (рис.1) и постоянного обратного напряжения V WM , которое должно быть равно напряжению, действующему в цепи или несколько превышать его с учетом максимального допуска.
При не достаточной мощности P PPM одного TVS-диода соответствующей заданному требованию, защитные диоды устанавливаются последовательно, пиковая мощность установленных последовательно защитных диодов суммируется. Возможна установка неограниченного числа защитных диодов, но при этом необходимо учитывать, что разброс по напряжению пробоя V BR каждого диода не должен быть более 5%. Это требование необходимо учитывать для равномерного распределения нагрузки на последовательно соединенных элементах. При невозможности достичь требуемой пиковой мощности последовательно соединенных диодов допускается их параллельное включение. При рассмотрении схемы так же необходимо точное согласование диодов по импульсному напряжению ограничения V C , что обеспечит равномерную загруженность диодов по мощности, оно не должно отличаться более чем на 20 мВ. На практике зачастую необходимо применять смешанное соединение диодов, что вполне допустимо.
Защищаемые цепи подразделяются на цепи постоянного тока, переменного тока (симметричные или асимметричные), а так же сигнальные цепи, несущие информацию посредством одно- или двухполярных импульсных сигналов (высокой или низкой частоты), исходя из этого, необходимо выбирать требуемую схему защиты и ее элементы.

Одноуровневые схемы защиты

Защита цепей питания переменного тока

Защита цепей переменного тока может осуществляться путем включения двух несимметричных TVS-диодов, как показано на рисунке 7 и 8. Включение элементов

Рис.7 Схема защиты цепи с несимметричными TVS-диодами	Рис.8 Схема защиты цепи с несимметричными TVS-диодами

защиты на входе и выходе трансформатора позволит снизить уровень напряжения на его выходе. При наличии в цепи переменного тока выпрямительных диодов включенных по мостовой схеме их защита может быть осуществлена одним симметричным TVS-диодом при его включении в диагональ моста рисунок 9.

Однако быстродействие защиты в этом случае будет определяться временем отключения выпрямительных диодов.

Защита цепей постоянного тока

Для защиты цепей постоянного тока от различного рода перегрузок по напряжению используются несимметричные защитные диоды.

Несимметричность TVS-диодов позволяет осуществить защиту на разных потенциальных уровнях, что характерно для цепей постоянного тока. Пороговое напряжение этих приборов ниже уровня ограничителя и позволяет обеспечивать автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса напряжения. Время их включения меньше самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока. Типовая схема TVS-диодов для защиты источников питания постоянного тока от электрических перегрузок по напряжению приведена на рисунке 10. Защитные диоды в таком случае должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания.
Для защиты от перенапряжений ключевых элементов, в цепях которых имеется индуктивная нагрузка, TVS-диоды включаются параллельно защищаемому элементу как показано на рисунке 11а, либо параллельно нагрузке рис.11б.

Для надежной защиты ключевого элемента от опасных перегрузок по напряжению используется схема защиты, приведенная на рис.11в.

Одной из наиболее частых причин выхода из строя электронных устройств, включающих в себя MOSFET транзисторы, является превышение допустимого значения напряжения сток-исток V DS . Так при переключении индуктивной нагрузки происходит перенапряжение, в результате которого превышается максимально допустимое напряжение V DS MOSFET транзистора, что вызывает лавинный пробой полупроводника и разрушение транзистора. Одним из методов защиты MOSFET является схема включения защитного диода между стоком и истоком.
Переходные процессы в затворе MOSFET транзистора часто происходят из-за разрядов электростатического электричества (ESD). Установка супрессора между затвором и истоком позволит защитить транзистор от входных переходных процессов (рисунок 12). В таком случае рекомендуется устанавливать защитный диод со значением обратного напряжения, превышающим входное напряжение MOSFET транзистора.

Защита цепей передачи данных и цепей переменного тока высокой частоты

Применение TVS-диодов – это хорошее решение для защиты подобных цепей. Выбор защитного диода зависит от характера сигналов действующих в цепях (одно- или двухполярных) и частоты их повторения.

Для защиты цепей с однополярными сигналами может быть использована схема включения несимметричных TVS-диодов, приведенная на рисунке 13. Защитные диоды включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных. При наличии в цепи двухполярных сигналов, вместо, несимметричных защитных диодов используются симметричные TVS-диоды.

На рисунке 14 приведена схема защиты для портов USB, в качестве защитного элемента в схеме можно применить сборку защитных диодов серии PRTR5V0U2X (NXP), обладающую низкой емкостью и высокой скоростью реакции, выполненных в едином 4-выводном корпусе SOT4. Диодная сборка позволяет обеспечить защиту двух высокоскоростных шин без потерь сигнала.

Особую роль играют схемы защиты в автомобильной электронике. На рисунке 15 приведена схема защиты для автомобильной системы передачи данных, построенной на высокоскоростном CAN-трансивере серии TJA1042. В качестве элемента защитной схемы применена диодная сборка серии PESD1CAN обеспечивающая защиту двух линий. Сборка, выполненная в корпусе SOT23 разработанная компанией NXP для применения в автомобильной электронике.

Аналогичную схему защиты можно применять и для LIN шин, например с использованием диодной сборки в корпусе SOD323 серии PESD1LIN. Асимметричная конструкция диода позволяет максимально эффективно защитить электронику автомобиля. Для защиты высокоскоростной автомобильной шины стандарта FlexRay компания NXP рекомендует применять защитные диоды серии PESD1FLEX выполненных в маленьком корпусе для SMD монтажа SOT23.
В цепях высокой частоты рекомендуется использовать супрессоры с маленькой емкостью, а для уменьшения емкости как уже отмечалось ранее, последовательно включается импульсные диоды с малой емкостью (диоды с барьером Шоттки), как показано на примере защиты схемы симметричных линий связи рисунок 16 а и б.

Многоуровневые схемы защиты

Многоуровневые схемы защиты используются в том случае, когда величина энергии защитного диода превышает установленный для него допустимый уровень. Типичным примером использования многоуровневой защиты является двухступенчатая защита в симметричных линиях связи, где TVS-диоды включают в каждую цепь линии симметрично относительно общей шины заземления, как показано на рисунке 17 а и б, для случаев защиты низкочастотных и высокочастотных цепей. Время прохождения импульса тока через TVS-диоды равно времени запаздывания пробоя разрядников, которое не превышает 0,5-1 мкс, поэтому

Рис.17. Многоуровневые схемы защиты

поглощаемая диодом энергия не велика, и основная доля энергии напряжения поглощается разрядником. При наличии второй ступени защиты в цепь должен быть включен дополнительно ограничивающий резистор.

Необходимо учитывать!

При проектировании защиты на TVS — диодов необходимо учитывать их высокую емкость, которая обуславливается их конструкцией и принципом работы.

Эта емкость может существенно влиять на сигнальные цепи шунтируя сигнал, искажая его.

Для снижения влияния емкости применяются методы описанные выше.

Сравнение элементов защиты от перенапряжений

Как отмечалось ранее, основными элементами активной защиты являются, TVS-диоды (transient voltage suppressors), варисторы, TVS-тиристоры, разрядники и др.
Сравним их функциональные характеристики для применения в схемах защиты от перенапряжений.

Защитный элемент	Преимущество	Недостатки	Варианты использования
Разрядник	Высокое значение допустимого тока. Низкая емкость. Высокое сопротивление изоляции.	Высокое напряжение возникновения разряда. Малый срок службы. Низкая надежность. Значительное время срабатывания. Шунтирование защищаемой цепи после прохождения импульса. Высокая цена.	Первичная защита телекоммуникационных и силовых цепей. Первая ступень комбинированной защиты.
Варистор	Высокое значение допустимого тока. Низкая цена. Широкий диапазон рабочих токов и напряжений.	Ограниченный срок службы. Высокое напряжение ограничения. Большая собственная емкость. Проблема SMD монтажа.	Вторичная защита. Защита силовых цепей и автомобильной электроники. Защита электронных компонентов печатной платы. Первая и вторая ступень комбинированной защиты.
TVS-тиристор	Не подвержен деградации. Высокое быстродействие. Высокий управляющий ток.	Ограниченный диапазон рабочих напряжений. Шунтирование защищаемой цепи. Необходимость понижения значения прямого тока для возврата устройства в непроводящее состояние. Высокая цена.	Первичная и вторичная защита в телекоммуникационных цепях
TVS-диод	Низкие уровни напряжения ограничения. Высокая долговечность и надежность. Широкий диапазон рабочих напряжений. Высокое быстродействие. Низкая собственная емкость. Удобные корпуса для SMD монтажа. Низкая стоимость.	Низкое значение номинального импульсного тока.	Оптимален для защиты полупроводниковых компонентов на печатной плате. Вторичная защита. Защита от электростатического разряда и переходных процессов. Оконечная ступень в комбинированных защитных устройствах.

Производители защитных диодов

На рынке производителей защитных полупроводниковых электронных компонентов работают: Vishay, NXP , STMicroelectronics, Diotec, Fairchild и др.

Наиболее известна компания Vishay . Компания за счет приобретения ряда производителей или их подразделений по производству полупроводниковых элементов таких как Siliconix, Telefunken, Infineon, General Semiconductor, Dale, Draloric, Sprague, Vitramon, Sfernice, BCcomponents, Beyschlag, росла и развивала направления своей продукции.

STMicroelectronics – одна из крупнейших компаний производящая полупроводниковые компоненты, образованная в результате слияния двух компаний по производству микроэлектроники: итальянской Società и Generale Semiconduttori (SGS) Microelettronica и французской Thomson Semiconducteurs.

Infineon , немецкая компания, образовавшаяся путем выделения в самостоятельную компанию подразделения корпорации Siemens, заняла свою нишу на
рынке силовых электронных компонентов.

Fairchild – американская компания до недавнего времени принадлежавшая компании National Semiconductor, и в 1997 году ставшая самостоятельным предприятием со штаб-квартирой в штате МЭН.

ON-Semiconductors – еще один американский производитель электронных компонентов. Штаб-квартира компании находится в городе Феникс (штат Аризона) была
выделена из компании Motorola в августе 1999 года.

NXP Semiconductors одна из ведущих компаний по производству полупроводниковых компонентов, основанная компанией Philips Semiconductors, и выделена в самостоятельную компанию в 2006 году имеет более 50 заводов по всему миру. В продукции выпускаемой компанией NXP можно найти практически все полупроводниковые компоненты от диодов, транзисторов общего назначения и MOSFET транзисторов, одну из наибольших линеек микроконтроллеров (более 300), микросхем для бесконтактных охранных систем (HITAG, MIFARE, I-CODE, UCODE, NFC) и заканчивая мультимедийными микросхемами аудио и видео кодеров и декодеров, и Hi-END процессором Nexperia. В каталогах компании NXP насчитывается около 300 наименований защитных диодов. TVS-диоды выпускаются в различных модификациях исполнения и вариантах корпусов, от простых SOT23, до 20-выводных SOIC. В таблице 1 перечислены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики. В сочетании с передовыми технологиями и европейским подходом к организации производства продукция компании NXP позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности аппаратуры.

Так же на Российском рынке электронных компонентов распространены электронные компоненты различных Восточных производителей с сомнительным качеством выпускаемой продукции, например Diodes, DC Components, Pan Jit и другие.

Наименование	Упаковка	I RM макс (мА)	Число линий защиты	Pимп (Вт)	Vтип (В)	Vобр (В)
BZA100	SO20	2	18	—	6,8	5,25
BZA408B	SC-74	0,1	4	—	5,5	5
BZA820A	SC-88A	0,1	4	—	20	15
BZA956A	SO5	1	4	—	5,6	3
BZA956A VL	SO5	0,2	4	—	5,6	3
MMBZ12V AL	TO-236AB	0,005	1	40	12	8,5
PESD12VL1BA	SOD323	0,05	1	200	15,9	12
PESD1CAN	SOT23	0,05	2	200	27,8	24
PESD1FLEX	SOT23	50	—	200	27,8	24
PESD1LIN	SOD323	0,05	1	160	27,8	24
PESD24VL1BA	SOD323	0,05	1	200	27,8	24
PESD2CAN	SOT23	10	2	230	28	24
PESD3V3L1BA	SOD323	2	1	500	6,4	3,3
PESD5V0L1BA	SOD323	1	1	500	7,6	5
PESD5Z12	SOD523	10	—	200	—	12
PRTR5V0U1T	SOT23	0,1	1	—	—	3
PTVS10VS1UR	SOD123	0,6	—	400	18	3,3

Таблица 1, Защитные диоды NXP

Еще одним из ведущих производителей полупроводниковых элементов является компания Diotec. Компания Diotec Semiconductor AG (Diotec) – была образована в 1973 году в городе Хайтерсхайм (Германия). На сегодняшний день компания является ведущим производителем стандартных и силовых полупроводниковых диодов и выпрямителей. Благодаря применению собственной уникальной технологии Plasma EPOS, не имеющей аналогов в мире, обеспечивающей высокое качество производимой продукции.
В сочетании с передовыми технологиями и немецким подходом к организации производства продукция Diotec позволяет применять ее в различных отраслях электроники, где предъявляются повышенные требования к надежности.
Одной из наиболее сильных и многочисленных линеек продукции Diotec являются TVS-диоды (transient voltage suppressors) в этой линейке насчитывается более 1500 наименований, в таблице 2 приведены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики.

Таблица 2. TVS-диоды Diotec

P/N	Корпус
		Импульсная мощность макс	Напряжение стабилизации	Обратный ток макс	Напряжение пробоя
		P PPM Вт	VWM В	ID @ VWM мА	VBRмин В	VBRмакс В	@ IT мА
1.5KE10	D5,4×7,5	1500	8,1	10	9	11	1
1.5KE100	D5,4×7,5	1500	81	5	90	110	1
1.5SMCJ10	SMC	1500	10	5	11,1	13,5	1
1.5SMCJ100	SMC	1500	100	5	111	135	1
5KP10	D8x7,5	5000	10	10	11,1	14,1	1
5KP100	D8x7,5	5000	100	10	111	141	1
BYZ35A22	D13x10,7	—	—	—	19,8	24,2	100
BZW04-10	DO-15	400	10,2	5	11,4	12,6	1
BZW04-102	DO-15	400	102	5	114	126	1
BZW04-10B	DO-15	400	10,2	5	11,4	12,6	1
BZW06-10	DO-15	600	10,2	5	11,4	12,6	1
BZW06-102	DO-15	600	102	5	114	126	1
BZW06-10B	DO-15	600	10,2	5	11,4	12,6	1
P4KE10	DO-15	400	8,1	10	9	11	1
P4KE100	DO-15	400	81	5	90	110	1
P4SMAJ10	SMA	400	10	5	11,1	13,5	1
P4SMAJ100	SMA	400	100	5	111	135	1
P6KE10	DO-15	600	8,1	10	9	11	1
P6KE100	DO-15	600	81	5	90	110	1
P6SMBJ10	SMB	600	10	5	11,1	13,5	1
P6SMBJ100	SMB	600	100	5	111	135	1
SDA2AK	DO-213	300	0,5	1000	0,8	1	1
SDA4AK	DO-213	300	1	1000	1,6	2	1
TGL34-10	DO-213	150	8,1	10	9	11	1
TGL34-100	DO-213	150	81	5	90	110	1

Маркировка TVS-диодов Diotec основано на различных системах обозначения:

Обозначение, основанное на напряжении пробоя : V BR : P4KE…, P6KE…, 1.5KE…, BYZ35…, BYZ50…, TGL34…, TGL41…, SDA2AK, SDA4AK, наименование таких позиции основано на номинальном напряжении пробоя. Номинальное напряжение допускается ±5% или ±10%, в дополнение к этому Diotec устанавливает максимальное значение напряжения стабилизации для каждого типа.

Обозначение, основанное на напряжении стабилизации : V WM : BZW04…, BZW06…, 5KP…, P4AMAJ…, P6SMBJ…, 1.5SMCJ…, наименование таких позиции основано на максимальном значении напряжения стабилизации. Соответствующее напряжение пробоя так же определяется спецификацией, но не номинальной величиной, а минимальным значением.

При выборе схем защиты электронных устройств следует учитывать некоторые рекомендации, описанные выше, одной из важных составляющих при защите
электронных устройств является качество элементов. Установленный некачественный защитный элемент может повлиять на функциональность дорогой аппаратуры, или вовсе вывести ее из строя. При выборе защитных элементов не стоит руководствоваться только ценой, и закупать электронные компоненты только проверенных производителей.

В таблице 5 приведены примеры аналогов защитных диодов различных производителей.

Таблица 3, Примеры аналогов TVS-диодов различных производителей

Тип	Производитель	Макс V WMВ	Мин V BR В	V C В	I PPM А
P6SMBJ8.5A	Diotec	8,5	9,4	14,4	41,7
P6SMB10A	ON-Semiconductors	8,55	9,5	14,5	41
SMBJ8.5A	Microsemi	8,5	9,44	14,4	41,7
SM6T10A	STMicroelectronics	8,55	9,5	14,5	41

Опыт применения компонентов компаний NXP и Diotec показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких как Infineon, STMicroelectronics, Fairchaild, ON-Semiconductors, Vishay, а зачастую и превосходить качественные и ценовые параметры этих производителей.

Газонаполненный разрядник (GDT — Gas Discharge Tube)

Газонаполненный разрядник (GDT — Gas Discharge Tube) — устройство, предназначенное для ограничения перенапряжений, возникающее в электрических цепях при коммутации электроустройств, при атмосферных явлениях (в частности грозовой разряд) и др. Обычно состоит из керамической трубки, заполненной инертными газами. В сравнении с другими устройствами защиты от перенапряжений газоразрядники способны рассеивать большую энергию и выдерживать токи до десятков килоампер. Главный минус газоразрядников — достаточно большое время срабатывания (до единиц микросекунд) делает их не самым лучшим решением для защиты скоростных интерфейсов. Эта проблема решается созданием комплексных цепей защиты, т.е. комбинированием газоразрядника и, например, TVS диода .

Схема работы

При нахождении газоразрядника в состоянии покоя (напряжении ниже напряжения пробоя) внутренне сопротивление газоразрядника велико и он не проводит ток.

При увеличении напряжения выше напряжения пробоя сопротивление резко падает и газоразрядник переходит в проводящее состояние. Это состояние тлеющего разряда, при котором газоразрядник потребляет ток около 0,5 А и напряжение между электродами достигает около 100 В. Далее внутри газоразрядника возникает разряд (световая дуга), напряжение которого составляет примерно 20 В, а протекающий ток достигает десятков килоампер. Через некоторое время напряжение дуги ослабевает, ток прекращается и разрядник переходит в нормальное состояние.

Стоит заметить, что собственная емкость газонаполненного разрядника мала, т.е. он не вносит существенных изменений в сигнал.

Основные применения

Газонаполненный разрядники находят применеие в телекомуникационной аппаратуре, телефонии, передающем оборудовании.

Преимущества разрядников

Littelfuse предлагает линейку газонаполненных разрядников на большой диапазон напряжений, для поверхностного и навесного монтажа (двух- и трех — электродные). Также Littelfuse изготавливает газонаполненные разрядники с термической защитой (Failsafe), которая представляет из себя термоактивную внешнюю скобу. При перегревании корпуса скоба замыкает все электроды и заряд «стекает» в землю, тем самым сохраняя работоспособность устройства.

Серия	Корпус	Uном проб, В (DC)	Imax DC, A	Iпик, А (8х20 мкс)	Сmax, пФ	Кол-во электродов	Выводы
CG5		90-600	5	5000	1.5	2	Безвыводные Аксиальные
SL0902A		90-600	5	5000	1.5	2	Безвыводные
SL1002A		75-600	5	5000	1.2	2	Безвыводные
SL1003A		90-500	10	10000	1.2	3	Безвыводные Радиальные
SL1011A		75-600	5	5000	1.5	2	Безвыводные Аксиальные

Пример применения разрядников

Основные источники перегрузок с кабельных сетях — грозовые (электромагнитная наводка от грозового разряда и токи растекания разряда) и индустриальные (коммутация мощных потребителей и источников, перегрузки сети, переходные процессы в ЛЭП).

Удар молнии в телевизионную башню вызывает, за счет конечного сопротивления цепей заземления, бросок напряжения на земле башни (и, следовательно, передатчика и модулятора) по отношению к удаленной земле (например, земле аппаратно-студийного комплекса /АСК/). Величина перегрузки зависит от энергии молнии и сопротивления грозозащитного заземления башни, определяемого типом и влажностью грунтов. Как показывает статистика ремонта, наихудшее сочетание (высокоэнергичные грозы и сухой грунт) обычно достигается во второй половине лета.

В зависимости от энергии и протяженности разряда, длины линии между АСК и передатчиком и способа ее прокладки, перегрузка, вызванная грозовым разрядом на линиях между башней и АСК, обычно составляет от десятков до сотен вольт в течении нескольких десятков микросекунд. В ряде случаев (скалистый грунт, сухое лето, длинная воздушная линия) перегрузки могут достигать многих киловольт в течении сотен микросекунд.

На рисунке 19 а приведена эквивалентная схема телевизионной башни, соединенной с АСК,

где: L – индуктивность башни, С 2 – емкость башни относительно земли, С 1 – распределенная емкость элементов башни, R i – сопротивление заземления башни, R r – сопротивление заземления АСК.

На рисунке 1.1б приведена форма огибающей импульса напряжения в магистральном кабеле, соединяющим телевизионную башню и АСК при грозовом разряде. Первый пик импульса обусловлен емкостью C 1 , второй – контуром LС 1 C 2.

В зависимости от параметров башни и линии, длительность первого импульса, обусловленного прямой электромагнитной наводкой на линию, может составлять от сотен наносекунд до единиц микросекунд, а длительность второго импульса – во много раз больше.

На рисунке 20 приведена эквивалентная схема распределения грозовых токов, протекающих по цепям заземления и оплеткам кабелей, и соответствующих напряжений,

где: R k – сопротивление магистрального кабеля, Rб – сопротивление башни, RАСК – эквивалентное сопротивление цепей сигнального заземления АСК, i 0 – ток грозового разряда, i k – ток грозового импульса в линии, i a – ток заземляемый грозозащитой, i e – ток грозового импульса в линии после прохождения грозозащиты, ΔU – разница потенциалов между землями башни и АСК, Uвх – напряжение, поступающее на вход АСК.

При ударе молнии в башню, ток разряда i 0 частично заземляется через сопротивление заземления башни R i , а частично поступает в линию (i k ). Разность потенциалов между землями башни и аппаратно-студийного комплекса определится потенциалом земли башни в момент разряда молнии и составит ΔU = i 0 R i. При типичном значении тока грозового разряда 20-100 кА (пиковое значение) и сопротивлении заземления башни 0.1 Ом (например), разность потенциалов между землями составит 2-10 кВ, что способно вывести из строя и кабельные системы и устройства формирования и передачи сигнала.
Потенциал грозового импульса на выходе АСК определится, в основном, током разряда, попавшем в линию и входным сопротивлением АСК:

и будет тем меньше, чем меньше сопротивление цепей заземления и чем больше сопротивление кабеля и разделительных/защитных устройств в кабельной цепи.

Типовая схема защиты симметричной линии (рис. 21) складывается из токовой защиты и защиты от перенапряжения. В качестве токовой защиты применяют различные типы предохранителей, мощные резисторы. В качестве защиты от перенапряжения применяют разрядники, полупроводниковую защиту: стабилитроны, тиристоры.

Газовый разрядник (GDT – Gas Discharge Tube) является первичной относительно быстродействующей (80-200 нс) защитой, способной погасить значительные (до 20 кА) импульсные токи и обеспечивает разряд импульса напряжения на землю при достижении U gdt .(90-120В).
Полупроводниковая защита (D) является вторичной защитой и обеспечивает поглощение импульсов с напряжением ниже U gdt и ограничение выходного напряжения на уровне 20-30В, что безопасно для большинства аналоговых устройств.
Полупроводниковая защита обладает высоким быстродействием (20-100 нс) и способна оперативно реагировать на короткие импульсы.
Компоненты полупроводниковой защиты имеют заметную емкость (многие сотни пФ), что ограничивает их применение цепями аналогового звука.

Пример работы устройства защиты серии TRZ

Конечно проблема защиты электронных устройств от перенапряжений много шире чем это описано здесь и каждый конкретный случай требует особого рассмотрения и своего оптимального решения. И здесь невозможно описать все.

Но цель этой подборки ознакомить Вас с возможными решениями с применением рассмотренных компонентов.

Собрал, обобщил и добавил А.Сорокин, 2013 г.

Источник