Elnyomódiódák használata az áramkörök strapabíróvá tételéhez és a villamos rendszer épségének fenntartásához

A gyors feszültséglökések vagy idegen szóval tranziensek (EFT, electrical fast transient) olyan jelenségek, amelyeket a tervezőknek figyelembe kell venniük áramköreik, rendszereik és a rendszert használók védelme érdekében. A gyors feszültséglökéseknek számos forrásuk van, beleértve a közönséges elektrosztatikus kisülést (ESD, electrostatic discharge), amely olyan egyszerű tevékenységekből ered, mint a szőnyegen való átsétálás, a villanymotor beindítása vagy egy villámcsapás továbbgyűrűző hatása. Ezek a feszültséglökések minden termékkategóriát károsan érinthetnek, a kisfeszültségű, szárazelemről vagy akkumulátorról működő, viselhető eszközöktől a nagy teljesítményű villanymotoros rendszerekig.

A gyors feszültséglökések hatása az átmeneti zavaroktól és a működésképtelenségtől a teljesítmény hosszú távú romlásáig, illetve a végleges károsodásig és meghibásodásig terjed. Bár a tervezők tehetnek lépéseket a feszültséglökések csökkentése érdekében, használhatnak például antisztatikus burkolatokat, szűrést, a forrásnál történő feszültségmegfogást vagy kiegészítő testelést, ezeket a megoldásokat gyakran felül kell vizsgálni, vagy az adott felhasználási módtól függően tovább kell fejleszteni.

A feszültséglökések káros következményeinek megbízható módon történő minimálisra csökkentése vagy kiküszöbölése érdekében a tervezők kétlábú passzív alkatrészeket, úgynevezett feszültséglökés-elnyomó (TVS, transient voltage suppression) diódákat vagy röviden elnyomódiódákat használhatnak. Bár általában szakadásként viselkednek, a feszültséglökésekre ezek a diódák szinte azonnal reagálnak, és feszültséglökés bekövetkezésekor a rövidzárhoz hasonlóan működnek, és így a feszültséglökés miatti túlfeszültséget a testre vezetik. Az elnyomódiódák gyors reakciót, nagy feszültségállóságot és hosszú élettartamot kínálnak, és kicsi a kapacitásuk.

Ez a cikk az elnyomódiódák szükségességét, szerepét, típusait és használatát vizsgálja, és példaként az Eaton Corporation plc (Eaton) különböző eszközcsaládjait és eszközeit használja.

Kezdjük az IEC szabványokkal

A gyors feszültséglökések kockázatainak mérséklése érdekében a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) három nemzetközileg elismert szabványt dolgozott ki a túlfeszültség-védelemre az IEC 61000-4 (Electromagnetic compatibility (EMC): Testing and measurement techniques (Elektromágneses összeférhetőség (EMC)): Vizsgálati és mérési módszerek)) szabványon belül:

1) Az IEC 61000-4-2 az elektrosztatikus kisülések elleni rendszerszintű védettséggel foglalkozik, és az emberi érintés miatti elektrosztatikus kisülésekre vonatkozik (1. ábra). Ennél a hullámformánál a felfutási idő (tr) rövid, 0,7–1 ns, az energia nagy része az első 30 ns alatt nyelődik el, majd gyorsan csökken. Ezért az elektrosztatikus kisülésekre való időben történő reagáláshoz nagyon gyorsan működő túlfeszültség-védelemre van szükség.

1. ábra: Az IEC 61000-4-2 szabvány által jellemzett, emberi érintés okozta jellegzetes elektrosztatikus kisülési impulzus hullámformája nagyon rövid, kevesebb mint 1 ns-os felfutási időt mutat, és az energia nagy része az első 30 ns alatt nyelődik el (ábra: Eaton)

A hullámforma önmagában nem mutatja a kapcsolódó feszültségszinteket. Az IEC 61000-4-2 meghatározza a különböző berendezések rendszerszintű elektrosztatikus kisülés elleni védettségének vizsgálati feszültségeit érintéses és levegőn át történő kisülés esetére (2. ábra).

2. ábra: Az IEC 61000-4-2 szabvány érintéses és levegőn át történő kisülésre vonatkozó szintjei részletesebben taglalják az emberi érintésre vonatkozó jellemzőket (táblázat: Eaton)

A megfelelő elnyomódióda kiválasztása az elektrosztatikus kisülés elleni védelem adott felhasználási területen szükséges szintjétől függ. Figyelje meg, hogy az Eaton összes elnyomódiódája az IEC 61000-4-2 szabvány szerint vizsgálva legalább 4. szintű teljesítményt nyújt. Némelyik eszköz még jobb elektrosztatikus kisülés elleni védelmet nyújt, akár 30 kV-ig védve mind a levegőn át történő, mind az érintéses kisülés ellen.

2) Az IEC 61000-4-5 az olyan villamos túlfeszültségekkel szembeni védettségre vonatkozik, amilyenek például a villámcsapásból eredő és a kapcsolóüzemű áramátalakítókból származó túlfeszültségek. A viszonylag kis energiájú statikus elektromossággal ellentétben a villámcsapás energiája akár 1 GJ (gigajoule) is lehet, és akár 120 kV-os túlfeszültséget is eredményezhet. A villámok által kiváltott feszültséglökések előfordulhatnak a kültéri villamos áramköröket közvetlenül érő és feszültséglökést okozó villámcsapások miatt, a vezetékekben túlfeszültséget kiváltó közvetett villámcsapások miatt, vagy a villámok által kiváltott földáramok miatt. Itt jegyeznénk meg, hogy az elektrosztatikus kisülések elnyomására szolgáló elnyomódiódák a közvetlen villámcsapások elleni védelemre nem alkalmasak, mégis szükség van rájuk, mert ezek a villámcsapások akár 1 mérföldes vagy annál nagyobb távolságokról is feszültséglökéseket küldhetnek a villamos elosztórendszerekbe.

Az IEC 61000-4-5 meghatározza a villámcsapás jellegzetes feszültség-hullámformáját (3. ábra).

3. ábra: A villámcsapás okozta impulzus IEC 61000-4-5 szabványban meghatározott hullámformája (az I_pp a csúcsáram) (ábra: Eaton)

Az IEC 61000-4-5 szabvány meghatározza a túlfeszültség-védelem vizsgálati feszültségszintjeit is a villamos és elektronikai berendezések különféle osztályaira (4. ábra).

A szinteket a végfelhasználás határozza meg:

• 1. osztály: Részben védett környezet.
• 2. osztály: Villamos környezet, ahol a kábelek jól el vannak különítve, még a rövid szakaszokon is.
• 3. osztály: Villamos környezet, ahol a táp- és jelkábelek párhuzamosan futnak.
• 4. osztály: Villamos környezet, ahol az összeköttetések kültéri kábelként futnak a tápkábelekkel együtt, és a kábeleket elektronikus és villamos áramkörökhöz egyaránt használják.

4. ábra: Az IEC 61000-4-5 szabvány a villamos túlfeszültség elleni védettség vizsgálati szintjeinek négy osztályát határozza meg (táblázat: Eaton)

3) Az IEC 61000-4-4 szabvány a gyors feszültséglökések elleni védelemre vonatkozik (5. ábra). A gyors feszültséglökéseket az induktív terhelések, például a nagy teljesítményű villanymotoroknak, reléknek és az energiaelosztó rendszerek kapcsolókontaktorainak működtetése, valamint a teljesítménytényező-javító berendezések be- és kikapcsolása okozza.

5. ábra: Az ábrán az IEC 61000-4-4 szabványban leírt gyors feszültséglökés-impulzusok hullámformája látható (ábra: Eaton)

Itt jegyeznénk meg, hogy a gyors feszültséglökéseket gyakran egyszerűen két egymáshoz társított számmal jellemzik: a csúcsértékre felfutási idő (t₁) és az impulzus időtartama, amely alatt a feszültséglökés feszültsége a csúcsérték 50%-ára esik (t₂). Az ipari berendezésekben gyakori a 8/20 µs-os feszültséglökés-impulzus.

A felhasználási területtől függ, hogy egy áramkörnek vagy rendszernek mekkora feszültséglökéssel járó elektrosztatikus kisülést kell elviselnie. A MIL-STD-883 három osztályt határoz meg, amelyeket az iparban, valamint a katonai, repülési és űrhajózási rendszerek széles körben használnak (6. ábra).

6. ábra: A MIL-STD-883 szabvány 3015. számú módszere három elektrosztatikus kisülésre való érzékenység szerinti minősítési szintet határoz meg (táblázat: Eaton)

Az elnyomódiódák megoldják a problémát

A különböző követelmények teljesítéséhez és rendszereik védelmére a tervezők elnyomódiódákat használhatnak. Az elnyomódiódák szilíciumból készült túlfeszültségvédő eszközök, amelyek a diódákra jellemző lavinahatás elve alapján működnek. Ezek a védendő áramkörrel párhuzamosan vannak kapcsolva, hogy megvédjék a belső alkatrészeket a rövid ideig tartó (tranziens) feszültséglökésektől, valamint a közepes és nagyfeszültségektől (7. ábra).

7. ábra: Az elnyomódiódát a bemenetre, a védendő áramkör és a rendszer testpontja közé kell bekötni (ábra: Eaton)

Normál, nem tranziens működés esetén az elnyomódiódák nagy impedanciájúak, és nem zavarják a berendezésen keresztül történő áramfolyást vagy jelátvitelt. Amikor azonban az elnyomódióda érintkezőire gyorsan változó, nagy energiájú feszültséglökés kerül, a nagy erősségű áram elnyelése és a feszültség biztonságos szintre korlátozása (megfogása) érdekében (úgynevezett lavinahatás vagy lavinaletörés révén) gyorsan kis impedanciájú állapotba kerül, így védve az utána található áramköri elemeket.

Az elnyomódiódák egy- vagy kétirányú pn-átmenetű eszközökként kaphatóak. A neve ellenére a legtöbb egyirányú elnyomódióda mindkét polaritású feszültséget elnyomja. A különbség az, hogy az egyirányú elnyomódiódáknak aszimmetrikus, míg a kétirányú elnyomódiódáknak szimmetrikus a feszültség–áram (V–I) karakterisztikája (8. ábra). A kétirányú elnyomódiódák jól használhatók a kétirányú jeleket továbbító villamos csomópontok védelmére, vagy az olyanokéra, ahol a jel lehet a testfeszültség feletti és alatti értékű is.

8. ábra: Az elnyomódiódák elnevezése nem tükröz semmilyen eredendő védelmi irányt. Ehelyett az egyirányú (unidirectional) elnyomódiódáknak aszimmetrikus, míg a kétirányú (bidirectional) elnyomódiódáknak szimmetrikus a feszültség–áram (V–I) karakterisztikája (ábra: Eaton)

Az elnyomódióda teljesítményét a magas szintű paraméterek, a tokozás és az elhelyezés határozzák meg

Az elnyomódiódáknak számos magas szintű jellemzőjük van. Ezek többek között a következők:

• Legnagyobb névleges záróirányú üzemi feszültség (V_RWM): Ez az elnyomódióda legnagyobb üzemi feszültsége zárt állapotban.
• Letörési feszültség (V_BR): Az a feszültség, amelynél az elnyomódiódában bekövetkezik a lavinahatás, ami kis impedanciát eredményez.
• Visszáram (I_R): Az elnyomódiódán átfolyó áram, amikor záróirányú feszültség van az elnyomódiódára adva.
• Megfogási feszültség (Vc): Az elnyomódióda két érintkezője között az impulzusáram csúcsértékénél (I_pp) mérhető feszültség.
• Kapacitás: A tárolt töltés mértéke, általában pikofaradban (pF) megadva, a bemeneti láb és egy másik referenciapont (gyakran a test vagy a föld) között, jellemzően 1 MHz-es jellel mérve.
• Csúcsáram (I_pp): Az áramhullámforma legnagyobb pozitív és legnagyobb negatív amplitúdója közötti különbség.

Az elnyomódióda kiválasztása általában négy lépésből álló folyamat:

1. Olyan diódát válasszon, amelynek a rendszer normál üzemi feszültségénél nagyobb a letörési feszültsége.
2. Ellenőrizze, hogy a dióda adatlapján megadott csúcsáram meghaladja-e a várható csúcsáramot, és győződjön meg arról, hogy a dióda a műszaki adatai szerint képes kezelni a feszültséglökés során fellépő teljesítményt.
3. Számítsa ki a választott dióda legnagyobb megfogási feszültségét (V_CL).
4. Ellenőrizze, hogy a számított V_CL megfogási feszültség kisebb legyen, mint a védett lábra megadott legnagyobb névleges abszolút érték.

Az elnyomódiódák nyomtatott áramköri lapon való elhelyezése nagyon fontos ezen eszközök teljes teljesítményének kihasználásához. A legjobb túlfeszültség-védelemhez a diódákat a lehető legközelebb kell elhelyezni a feszültség belépési pontjához, például a be- és kimeneti portokhoz, hogy minimálisra lehessen csökkenteni a parazitakapacitásoknak és -induktivitásoknak a gyors feszültséglökések hatékony elnyomására gyakorolt hatását.

A kínálat szemléltetése – beszerezhető elnyomódiódák

Az Eaton elnyomódiódái jól használhatók a be- és kimeneti csatlakozók, valamint a nagy sebességű digitális és analóg jelvonalak túlfeszültség-védelmére. Nagyon kis megfogási feszültséget, nagy csúcsteljesítményt, nagy áramelvezetést és nanoszekundumos válaszidőt kínálnak.

Az elnyomódiódák tokozása szorosan kapcsolódik a műszaki adatokhoz. Felületszerelt és furatszerelt tokozású kivitelek egyaránt kaphatóak, az utóbbiak nagyobb feszültség- és áramvédelmi teljesítményt nyújtanak.

Az elnyomódiódáknak a feszültségek és áramerősségek széles skálája ellen kell védeniük. Emiatt egyetlen névlegesfeszültség- vagy más paraméterérték nem elegendő minden gyors feszültséglökési körülményhez. Ezeket a pontokat négy különböző termékcsaládból származó példákkal szemléltetjük.

1) Az SMFE sorozat 200 W-os impulzus-csúcsteljesítményre képes 10/1000 µs-os hullámformával. Ezek az eszközök 2 mm × 3 mm × 1,35 mm méretű, ipari szabványú, lapos, felületszerelt SOD-123FL tokozásúak, amely a mobil és a viselhető eszközökhöz optimalizálja a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt helyet.

A sorozat egyik tagja az SMFE5-0A jelű típus (9. ábra). Ennek 9,2 V a megfogási feszültsége, 21,7 A a csúcsárama (I_pp), és egyirányú és kétirányú elnyomódiódaként is használható. A visszárama 10 V-os működés felett 1 μA alatt van, a válaszideje pedig rövid, 0 V-ról a V_BR letörési feszültségre jellemzően kevesebb mint 1,0 ps (pikoszekundum).

9. ábra: A 9,2 V-os SMFE5-0A elnyomódióda lapos SOD-123FL felületszerelt tokozásban kerül forgalomba, és mobil és viselhető készülékekbe szánták (kép: Eaton)

2) Az ST sorozat egy kétirányú be- és kimeneti vonalat véd, és USB és egyéb adatportokhoz, érintőlapokhoz, gombokhoz, egyenáramú áramellátáshoz, RJ-45 csatlakozókhoz és rádiófrekvenciás antennákhoz szánták. A termékcsalád tagjai – például a 33 V-os, 12 A csúcsáramú (I_pp) STS321120B301 jelű típus – parányi, 1,8 mm × 1,4 mm × 1,0 mm méretű SOD-323 SMT tokozásban kaphatóak, és vonalanként 400 W a névleges csúcsimpulzus-teljesítményük (t_P = 8/20 μs). A sorozat diódái 2,8 V egyenfeszültségtől (V_DC) 70 V egyenfeszültségig terjedő üzemi feszültség között használhatóak, rendkívül alacsony, akár mindössze 0,15 pF kapacitással. Ezek a diódák akár 30 kV-os elektrosztatikus kisülés ellen is védelmet nyújtanak (az IEC 61000-4-2 szerint vizsgálva).

3) Az AK sorozatot nagy teljesítményű, akár 10 000 A elleni védelmet nyújtó elnyomódiódák alkotják, amelyek úgy lettek tervezve, hogy megfeleljenek úgy a váltakozó áramú, mint az egyenáramú felhasználási területek szigorú túlfeszültség-vizsgálati környezetének. Ezeknek a diódáknak kicsi az ellenállás-meredekségük, valamint a letörési jelenségnek köszönhetően kiváló a megfogási tényezőjük. Megfelelnek az olyan felhasználási területek túlfeszültség-védelmére vonatkozó UL1449 szabványoknak, mint a fogyasztói elektronika, a háztartási készülékek, az ipari automatizálás és a váltakozó áramú vezetékek védelme. (Megjegyzés: a meredekség vagy dinamikus ellenállás a dióda váltakozó feszültség ráadása esetén mutatott ellenállása, míg a letörés vagy letörési jelenség egy olyan folyamat a diódán belül, amelynek során a nagy áramok vezetése még kisebb feszültség – azaz a dióda lábaira adott feszültség csökkenése – esetén is tovább folytatódik.)

Az áramerősségre vonatkozó és az UL szabványokban előírt követelmények teljesítése érdekében a sorozat tagjai furatszerelt, tengelyirányú (idegen szóval axiális) lábakkal ellátott tokozással kaphatóak, mint például az AK6E-066C jelű elnyomódióda, amelynek 120 V a megfogási feszültsége és 6000 A csúcsárama (I_pp) (10. ábra). Ennek a diódának a lábai 25 mm hosszúak, a közel négyzet alakú „központi” teste pedig körülbelül 13 mm × 15 mm méretű.

10. ábra: Az AK6E-066C 120 V-os nagy teljesítményű elnyomódióda akár 10 000 A áramerősség ellen is védelmet nyújt, és furatszerelt, tengelyirányú lábakkal ellátott tokozással kapható (kép: Eaton)

4) Az SMAJExxH sorozatú, SMA méretű elnyomódiódák egyedülállóak abban, hogy megfelelnek a gépjárműipari berendezésekre vonatkozó AEC-Q101 szabványoknak. 400 W-os csúcsimpulzus -teljesítményt kínálnak (10/1000 μs-os hullámformával), és rövid a válaszidejük, amely 0 V-tól a V_BR letörési feszültségig jellemzően kevesebb mint 1,0 ps, valamint 10 V felett kevesebb mint 1 μA a visszáramuk (I_R).

A termékcsaládba tartozó eszközök 5 V és 440 V közötti feszültségtartományra készülnek, és mindegyikük használható egyirányú és kétirányú elnyomódiódaként is. Ilyen az SMAJE22AH jelű elnyomódióda is, amelynek 35,5 V a megfogási feszültsége és 11,3 A a csúcsárama (I_pp) (11. ábra). A sorozat minden tagja felületszerelt műanyag tokozásban kapható, amelynek mérete 3,0 mm × 4,65 mm × 2,44 mm (maximum), és mind megfelel az UL 94 V-0 éghetőségi besorolásnak (11. ábra).

11. ábra: Az SMAJE22AH 35,5 V-os elnyomódióda az AEC-Q101 által előírt gépjárműipari szabványoknak megfelelő minősítésű eszköz, és olyan műanyag tokozásban kapható, amely megfelel az UL 94 V-0 éghetőségi besorolásnak (kép: Eaton)

Összegzés

A statikus elektromosságból, a villanymotorok indításából vagy a közeli villámlásból származó feszültséglökések (vagy idegen szóval tranziensek) károsíthatják az elektronikus rendszereket és azok alkatrészeit. Az elnyomódiódák szinte azonnal reagálnak ezekre a túlfeszültségekre, és a feszültséglökést és annak energiáját a testre vezetik, így védve a rendszert. Amint látható, az Eaton cég különböző elnyomódióda-sorozatokat kínál. Ezen sorozatok mindegyike számos, különböző feszültségre méretezett elnyomódiódából áll, hogy megfeleljen a várható feszültséglökések nagyságának, a végtermékekre vonatkozó korlátozásoknak és a szabályozási előírásoknak, miközben a nyomtatott áramköri lapon csak néhány négyzetmilliméternyi területet igényelnek.