В останні роки за кордоном для захисту дорогого устаткування все частіше застосовують швидкодіючі TRANSIL-, TRISIL-й TVS-діоди (зустрічаються й інші назви цих елементів). Незважаючи на різні назви, це один клас приладів – сапрессоров, що мають невелику відмінність в характеристиках і, відповідно, областях застосування. Ці елементи були спеціально розроблені для придушення перенапруження, що виникає при перехідних процесах, і, на відміну від варисторів, у таких діодів час спрацьовування складає декілька пикосекунд, а вноситься в схему ємність трохи менше або сумірна з наявною у варисторів. Так само як є різноманітність назв аналогічних елементів, за кордоном у сапрессоров можна зустріти різні умовні графічні позначення на електричних принципових схемах (приклади позначень дані на графіках з характеристиками).

Основною областю застосування сапрессоров є захист від перенапруг електронного устаткування автомобілів, ланцюгів телекомунікації та передачі даних, захист потужних транзисторів, тиристорів і пристроїв, що живляться від мережі. До їх достоїнств можна віднести:

+ Саме висока швидкодія, у порівнянні з усіма іншими елементами захисту;

+ Наявність низьких рівнів напруги обмеження;

+ Широкий діапазон робочих напруг;

+ Висока довговічність і надійність;

+ Малі габарити.

На жаль, вітчизняна промисловість поки не випускає аналогів таких елементів. Розглянемо більш детально ці компоненти, така інформація нам стане в нагоді надалі.

TRANSIL-діоди (в найменуванні використовується частина, яка походить від англійського слова Transient – перехідний) виготовляються як в односпрямованої, так і в двонаправленому виконаннях.

Робоча характеристика односпрямованих діодів (мал. 1.6) дуже схожа на наявну в стабілітрона (у них, як і у стабілітронів, використовується зворотний ділянку вольт-амперної характеристики). Принцип роботи у нього такий же, тільки швидкодія набагато вища.

Рис. 1.6. Вольт-амперна характеристика захисного TRANSIL-діода

А для того щоб виключити пошкодження елементу занадто великим струмом, розробники рекомендують в ланцюзі послідовно з ним встановлювати резистор величиною 1 … 10 Ом (якщо інших обмежень для струму немає). Величина цього резистора визначається з умови

де Umax – максимально можлива амплітуда імпульсу на вході;

Ірр-максимальний допустимий струм діода.

Односпрямоване виконання сапрессоров застосовують для придушення перенапружень тільки однієї полярності, тому прилади даного виду повинні включатися в ланцюг з урахуванням полярності.

Двонаправлені діоди TRANSIL призначені для придушення перенапружень обох полярностей, характеристика такого діода показана на рис. 1.7. Якщо двонаправлений TRANSIL-діод придбати не вдається, то він може бути отриманий (складений) з двох односпрямованих, шляхом їх стрічного послідовного включення.

Властивості TRANSIL діодів описуються наступними параметрами (в дужках вказані іноді зустрічаються позначення, які застосовуються різними виробниками):

Рис. 1.7. Вольт-амперна характеристика симетричного TRANSIL-діода

Urm (UWm) – максимальне постійне робоче напругу, при якій діод закритий;

Ubr – напруга пробою, при якому відбувається різке збільшення протікаючого струму, причому швидкість росту струму перевищує швидкість збільшення напруги (зазвичай вказується для температури 25 ° С);

Uc (Ucl) – максимальна напруга фіксації для максимальної амплітуди імпульсу пікового струму Іpp;

Ірр (Іррм) – максимальний допустимий імпульсний струм в робочому режимі (піковий струм);

Irm (Id) – струм витоку при фіксованій напрузі закритого стану URM;

Uf – напруга в прямому напрямі, аналогічно звичайним диодам воно становить 0,7 В (параметр для однополярних діодів);

Рррм – максимально допустима пікова потужність, що розсіюється приладом, при заданих: формі і тривалості імпульсу при температурі навколишнього середовища не більше 25 ° С;

С – ємність, виміряна в закритому стані, при роботі її значення трохи зменшується і залежить від прикладеної напруги.

Багато фірм випускає велику різноманітність захисних діодів, розрахованих на різні напруги, при цьому використовується невеликий крок номінальних значень. В якості прикладу в табл. 1.4 включені основні параметри деяких типів застосовуваних діодів (весь перелік номіналів і більш повну інформацію можна отримати у фірмах, торгуючих цими деталями, або в Інтернеті на сайті виробника).

Таблиця 1.4. Параметри TRANSIL-діодів фірми SGS-Thomson

Тип

діода

Короткий

опис

Потужність Рррм, Вт

Urm при IrM, В

UcL при

Ірр, в

Тип

корпусу

   SMLVT3V3

звичайний

   600

   3,3

   7,3

   SMB

   SM5908

звичайний

   1500

   5

   7,6

   SMC

   SM6T15A

звичайний

   600

   12,8

   21,2

   SMB

   SM6T15CA

симетричний

   600

   12,8

   21,2

   SMB

   SM6T18A

звичайний

   600

   15,3

   25,2

   SMB

   SM6T18CA

симетричний

   600

   15,3

   25,2

   SMB

   SM15T27A

звичайний

   1500

   23,1

   37,5

   SMC

   SM15T33A

звичайний

   1500

   28,2

   45,7

   SMC

   SM15T33CA

симетричний

   1500

   28.2

   45,7

   SMC

Наступною великою групою сапрессоров являеются TVS-ді-оди. У назві використовуються початкові букви від слів Transient Voltage Suppression (фірма General Semiconductor ці діоди називає ще TransZorb). За кордоном TVS-діоди вперше були розроблені в 1968 році фірмою GSI (General Semiconductor Industries) спеціально для захисту пристроїв зв’язку від грозових розрядів. Надалі цією фірмою були створені TVS-діоди з робочою напругою від 6,8 до 200 В і допустимої імпульсною потужністю до 1,5 кВт, призначені для захисту різного устаткування і радіоапаратури [Л 13]. Більшість діодів, випускаються під цією торговою маркою, аналогічні за параметрами TRANSIL-диодам, але більша частина з них призначена для застосування в низьковольтної радіоапаратурі.

Для опису характеристик TVS-діодів використовують ті ж параметри, що і для TRANSIL – вольт-амперну характеристику вони мають таку ж і працюють аналогічно. Час спрацювання у несиметричних TVS-діодів менш 1 не, а у симетричних трохи більше. Це дозволяє використовувати їх для захисту різних ра-

діочастотних ланцюгів, до складу яких входять чутливі до перехідних процесів напівпровідникові прилади та інтегральні мікросхеми.

В якості прикладу в табл. 1.5 – 1.8 наведені параметри деяких TVS-діодів різних фірм (найбільш часто використовуваних). Останні букви в позначенні вказують на особливості:

А – точність допуску по робочій напрузі не гірше 5% (якщо вона не стоїть, то ці параметри можуть знаходитися в допуску 10%);

З – здвоєний діод, має симетричну вольт-ампер-ву характеристику.

Самі діоди можуть мати досить значною ємністю (див. рис. 1.8), яка залежить від робочої напруги. Для її зменшення, крім звичайних TVS-діодів, випускаються і спеціальні серії, наприклад у фірми General Semiconductor це:

LCE – на напругу захисту від 6,5 до 28 В (Рррм = 1500 Вт);

SAC – на напругу захисту від 5 до 50 В (Рррм = 500 Вт).

Вони відрізняються тим, що всередині корпусу в колі є послідовно включений додатковий діод, рис. 1.9. Це дозволяє зменшити ємність, що вноситься в ланцюг захисту, за рахунок того, що ємність додаткового діода {Сд) зазвичай не більше 7 пф і при ємності захисного діода (С), яка доходить до 1500 пФ, загальна ємність для послідовного ланцюга в цьому випадку виходить:

Аналогічно додатковий (швидкодіючий) діод можна встановити і в ланцюг звичайного TVS-діода – в цьому випадку вдасться знизити внесену в лінію ємність до значень менше 30 пф.

Крім одиночних сапрессоров, випускається багато різних мікрозборок, де в одному корпусі знаходиться декілька однотипних елементів, з’єднаних найбільш зручним для монтажу способом.

Діоди, що випускаються під торговою маркою TRISIL, розроблені фірмою SGS-Thomson в 1983 р. Вони призначені головним чином для захисту від перенапруг електронного устаткування в області телекомунікацій.

Діоди TRISIL випускаються тільки в двонаправленому виконанні і підключаються паралельно захищається ланцюга. Вольт-ам-Перно характеристика TRISIL-діодів нагадує характеристику симетричного діністора, рис. 1.10 (умовне позначення діодів показано на графіку).

Таблиця 1.5. Захисні TVS-діоди фірми SGS-Thomson

(Рррм = 1500 Вт> корпус D0-2Q1)

Тип

Напруга пробою Ubr, В

Тест, струм пробою Іт, мА

Постійне

зворотне

непряженіе UwM, В

Макс. імп. струм обмеження Ірр, А

Макс. напруга обмеження при Ірр, Uc, В

одинарний

здвоєний

Макс.

Хв.

1.5КЕ6.8

1.5КЕ6.8С

   6,12

   7,48

   10

   5,5

   139

   10,8

1.5КЕ6.8А

1.5КЕ6.8СА

   6,45

   7,14

   10

   5,8

   143

   10,5

1.5КЕ12

1.5КЕ12С

   10,8

   13,2

   1

   9,72

   87

   17,3

1.5КЕ12А

1.5КЕ12СА

   11,4

   12,6

   1

   10,2

   90

   16,7

1.5КЕ16

1.5КЕ16С

   14,4

   17,6

   1

   12,9

   64

   23,5

1.5КЕ16А

1.5КЕ16СА

   15,2

   16,8

   1

   13,6

   67

   22,5

1.5КЕ20

1.5КЕ20С

   18,0

   22,0

   1

   16,2

   51,5

   29,1

1.5КЕ20А

1.5КЕ20СА

   19,0

   21,0

   1

   17,1

   54,0

   27,7

1.5КЕ22

1.5КЕ22С

   19,8

   24,2

   1

   17,8

   47

   31,9

1.5КЕ22А

1.5КЕ22СА

   20,9

   23,1

   1

   18,8

   49

   30,6

1.5КЕ24

1.5КЕ24С

   21,6

   26,4

   1

   19,4

   43

   34,7

1.5КЕ24А

1.5КЕ24СА

   22,8

   25,2

   1

   20,5

   45

   33,2

1.5КЕ200

1.5КЕ200С

   180

   220

   1

   162

   5,2

   287

1.5КЕ200А

1.5КЕ200СА

   190

   210

   1

   171

   5,5

   274

1.5КЕ220

1.5КЕ220С

   198

   242

   1

   175

   4,3

   344

1.5КЕ220А

1.5КЕ220СА

   209

   231

   1

   185

   4,6

   328

1.5КЕ250

1.5КЕ250С

   225

   275

   1

   202

   5,0

   360

1.5КЕ250А

1.5КЕ250СА

   237

   263

   1

   214

   5,0

   344

1.5КЕ400

1.5КЕ400С

   360

   440

   1

   324

   4,0

   574

1.5КЕ400А

1.5КЕ400СА

   380

   420

   1

   342

   4,0

   548

1.5КЕ440А

1.5КЕ440СА

   418

   462

   1

   376

   2,5

   602

Таблиця 1.6. Захисні TVS-діоди фірми General Semiconductor

(Рррм = 400 Вт, корпус DO-2Q4)

Тип

одинарний

ний

Напруга пробою Ubr, В

до

про

ѵо

про

а

з

Постійне зворотне напруга Uwm, В

Макс. імп. струм обмеження Ірр, А

Макс. напруга обмеження при Ipp, Uc, В

Макс.

Хв.

Тест, струм Іт, мА

Р4КЕ6.8

   6,12

   7,48

   10

   5,5

   37,0

   10,8

Р4КЕ6.8А

   6,45

   7,14

   10

   5,8

   38,1

   10,5

Р4КЕ12

   10,8

   13,2

   1

   9,72

   23,1

   17,3

Р4КЕ12А

   11.4

   12,6

   1

   10,2

   24,0

   16,7

Р4КЕ16

   14,4

   17,6

   1

   12,9

   17,0

   23,5

Р4КЕ16А

   15,2

   16,8

   1

   13,6

   17,8

   22,5

Р4КЕ20

   18,0

   22,0

   1

   16,2

   13,7

   29,1

Р4КЕ20А

   19,0

   21,0

   1

   17,1

   14,4

   27,7

Р4КЕ22

   19,8

   24,2

   1

   17,8

   12,5

   31,9

Р4КЕ22А

   20,9

   23,1

   1

   18,8

   13,1

   30,6

Р4КЕ24

   21,6

   26,4

   1

   19,4

   11,5

   34,7

Р4КЕ24А

   22,8

   25,2

   1

   20,5

   12

   33,2

Р4КЕ200

   180

   220

   1

   162

   1,4

   287

Р4КЕ200А

   190

   210

   1

   171

   1,5

   274

Р4КЕ220

   198

   242

   1

   175

   1,2

   344

Р4КЕ220А

   209

   231

   1

   185

   1,2

   328

Р4КЕ250

   225

   275

   1

   202

   1,1

   360

Р4КЕ250А

   237

   263

   1

   214

   1,2

   344

Р4КЕ400

   360

   440

   1

   324

   0,7

   574

Р4КЕ400А

   380

   420

   1

   342

   0,73

   548

Р4КЕ440

   369

   484

   1

   356

   0,63

   631

Р4КЕ440А

   413

   462

   1

   376

   0,66

   602

Р4КЕ540

   486

   594

   1

   437

   0,52

   772

Р4КЕ540А

   513

   567

   1

   459

   0,54

   740

Таблиця 1.7. Захисні TVS-діоди фірми Vishay Lite-On (Рррм = 600 Вт, корпус D0-204 – аналогічні виробляє фірма General Semiconductor)

Тип

Напруга пробою Ubr, В

Тест, струм пробою ІТІ мА

Постійне

зворотне

напруга Uwm> В

Макс. імп. струм обмеження Ірр, А

Макс. напруга обмеження при Іррі Ucj В

одинарний

здвоєний

Макс.

Хв.

Р6КЕ6.8

Р6КЕ6.8С

   6,12

   7,48

   10

   5,5

   56

   10,8

Р6КЕ6.8А

Р6КЕ6.8СА

   6,45

   7,14

   10

   5,8

   57

   10,5

Р6КЕ12

Р6КЕ12С

   10,8

   13,2

   1

   9,72

   35,0

   17,3

Р6КЕ12А

Р6КЕ12СА

   11,4

   12,6

   1

   10,2

   36,0

   16,7

Р6КЕ16

Р6КЕ16С

   14,4

   17,6

   1

   12,9

   26,0

   23,5

Р6КЕ16А

Р6КЕ16СА

   15,2

   16,8

   1

   13,6

   27,0

   22,5

Р6КЕ20

Р6КЕ20С

   18,0

   22,0

   1

   16,2

   21,0

   29,1

Р6КЕ20А

Р6КЕ20СА

   19,0

   21,0

   1

   17,1

   22,0

   27,7

Р6КЕ22

Р6КЕ22С

   19,8

   24,2

   1

   17,8

   19,0

   31,9

Р6КЕ22А

Р6КЕ22СА

   20,9

   23,1

   1

   18,8

   20,0

   30,6

Р6КЕ24

Р6КЕ24С

   21,6

   26,4

   1

   19,4

   17,0

   34,7

Р6КЕ24А

Р6КЕ24СА

   22,8

   25,2

   1

   20,5

   18,0

   33,2

Р6КЕ200

Р6КЕ200С

   180

   220

   1

   162

   2,1

   287

Р6КЕ200А

Р6КЕ200СА

   190

   210

   1

   171

   2,2

   274

Р6КЕ220

Р6КЕ220С

   198

   242

   1

   175

   1,75

   344

Р6КЕ220А

Р6КЕ220СА

   209

   231

   1

   185

   1,83

   328

Р6КЕ250

Р6КЕ250С

   225

   275

   1

   202

   1,67

   360

Р6КЕ250А

Р6КЕ250СА

   237

   263

   1

   214

   1,75

   344

Р6КЕ400

Р6КЕ400С

   360

   440

   1

   324

   1,05

   574

Р6КЕ400А

Р6КЕ400СА

   380

   420

   1

   342

   1,10

   548

Таблиця 1.8. Захисні TVS-діоди вироблені фірмою General

Semiconductor (Рррм = 1500 Вт, корпус DQ-201)

Тип

Напруга пробою Vbr, В

Тест, струм пробою Іт, мА

Постійне зворотне напруга Uwm. В

Макс. імп. струм обмеження Ірр, А

Макс. напруга обмеження при Ірр, Uc, В

одинарний

здвоєний

Макс.

Хв.

1.5КА6.8

1.5КА6.8С

   6,12

   7,48

   10

   5,5

   139

   10,8

1.5КА6.8А

1.5КА6.8СА

   6,45

   7,14

   10

   5,8

   143

   10,5

1.5КА12

1.5КА12С

   10,8

   13,2

   1

   9,72

   86,7

   17,3

1.5КА12А

1.5КА12СА

   11.4

   12,6

   1

   10,2

   89,8

   16,7

1.5КА16

1.5КА16С

   14,4

   17,6

   1

   12,9

   63,8

   23,5

1.5КА16А

1.5КА16СА

   15,2

   16,8

   1

   13,6

   66,7

   22,5

1.5КА20

1.5КА20С

   18,0

   22,0

   1

   16,2

   51,5

   29,1

1.5КА20А

1.5КА20СА

   19,0

   21,0

   1

   17,1

   54,2

   27,7

1.5КА22

1.5КА22С

   19,8

   24,2

   1

   17,8

   47

   31,9

1.5КА22А

1.5КА22СА

   20,9

   23,1

   1

   18,8

   49

   30,6

1.5КА24

1.5КА24С

   21,6

   26,4

   1

   19,4

   43,2

   34,7

1.5КА24А

1.5КА24СА

   22,8

   25,2

   1

   20,5

   45,2

   33,2

1.5КА43

1.5КА43С

   38,7

   47,3

   1

   34,8

   24,2

   61,9

1.5КА43А

1.5КА43СА

   40,9

   45,2

   1

   36,8

   25,3

   59,3

У робочому стані через діод протікає незначний струм – він не повинен ніяк впливати на ланцюг захисту. При перевищенні напруги порогового значення (UBr) опір діода стрибкоподібно змінюється і відбувається обмеження напруги. Робота на цій ділянці вольт-амперної характеристики (UBr – UBo) схожа з роботою двонаправленого діода TRANSIL. При подальшому незначному збільшенні напруги відбувається різке зниження опору до десятків Ом, що практично закорочує ланцюг.

Для опису характеристик TRISIL-діодів використовують параметри:

Urm (Uwm) – максимальне постійне робоче напругу, при якій струм, що проходить через діод, не викликає його пошкоджень (для даного напруги вказується відповідний струм в ланцюзі lRM);

Рис. 1.8. Залежність ємності від робочої напруги U “для діодів серії 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440СА

Рис. 1.9. Вольт-амперна характеристика TVS-діодів фірми General Semiconductor із серій LCE і SAC

Ubr – напруга, при якому відбувається різке збільшення проходить струму, причому швидкість зміни струму вище, ніж швидкість наростання напруги;

Рис. 1.10. Вольт-амперна характеристика TRISIL-діода

Uво – напруга “перекидання”, в цій точці відбувається різке зменшення внутрішнього опору до декількох Ом (зазвичай для даного напруги вказується і струм – ІВО);

Ін – при падінні струму нижче даного значення відбувається зворотне збільшення внутрішнього опору діода TRISIL;

Ірр (Іррм) – граничне значення струму для певної форми імпульсу, спадаючого по експоненті (зазвичай-10/1000 мкс);

Рррм – максимально допустима імпульсна потужність, що розсіюється приладом, при заданих: формі, шпаруватості, тривалості імпульсу і температурі навколишнього середовища;

С – ємність, виміряна в закритому стані, при фіксованому значенні прикладеної напруги.

Як приклад, в табл. 1.9 наведені параметри для деяких типів TRISIL-діодів, що випускаються в корпусах для поверхневого монтажу. Більш повну інформацію можна знайти в [Л 14].

На закінчення, в якості недоліків TRANSIL-, TRISIL-й TVS-діодів можна відзначити:

+ Низьке значення допустимого номінального імпульсного струму;

+ Вузький діапазон допустимих робочих температур;

+ Меншу стійкість до перевантажень, ніж у розрядників і варисторів;

+ Відносно високу вартість.

Таблиця 1.9. Параметри TRISIL-діодів фірми SGS-Thomson

Тип

Діода

UbR, В

Іpp, А

   UBO max

при Іво, В

З при напрузі 1 В, пФ

Тип

корпусу

   SMP100LC-120

   120

   100

   160

   80

   SMB

   SMP100LC-140

   140

   100

   185

   30

   SMB

   SMP100LC-200

   200

   100

   265

   30

   SMB

   SMP100LC-230

   230

   100

   320

   70

   SMB

   SMP30-220

   220

   30

   293

   30

   SMA

   SMP30-240

   240

   30

   320

   30

   SMA

   SMP30-270

   270

   30

   360

   30

   SMA

   SMP50-100

   100

   50

   133

   40

   SMA

   SMP50-120

   120

   50 ‘

   160

   40

   SMA

   SMP50-130

   130

   50

   173

   35

   SMA

   SMP50-180

   180

   50

   240

   35

   SMA

   SMP50-200

   200

   50

   267

   30

   SMA

   SMP50-220

   220

   50

   293

   30

   SMA

   SMP50-240

   240

   50

   320

   30

   SMA

Вид конструктивного виконання всіх типів захисних діодів залежить від області застосування, допустимої потужності розсіювання і може бути в корпусах для поверхневого монтажу або ж з висновками як у звичайних діодів, рис. 1.11.

Примітка.

TRANSIL-й TVS-діоди часто плутають з кремнієвими стабилитронами, так як позначення їх на схемах схоже, та й принцип роботи аналогічний, але такі діоди були спеціально розроблені для захисту від потужних імпульсів перенапруги, в той час як кремнієві стабілітрони не розраховані на роботу при значних імпульсних перевантаженнях. До того ж при виборі захисного діода рекомендується, щоб у нього напруга Urm (Uwm) було на 10 – 20% вище, ніж рівень максимальної амплітуди в лінії, тобто в нормальному режимі він не повинен входити в режим стабілізації і пропускати через себе великих струмів (В ідеалі – ніяк не проявляти свою присутність до моменту появи перешкоди). Якщо ж потужність, що виділяється на сапрессоре, буде обмежена допустимою величиною (наприклад, при Пікової потужності Рррм = 1500 Вт – середня потужність для постійного струму у діода складає всього Р = 5 Вт), то діоди можуть працювати і як звичайні стабілітрони на постійному струмі, але коштувати такий вузол буде значно дорожче, ніж звичайний стабілітрон, тобто економічно це не доцільно.

Рис. 1.11. Зовнішній вигляд і габарити корпусів TRANSIL-діодів для поверхневого і звичайного монтажу

Необхідно також знати й те обставина, що не можна використовувати захистів-ні діоди в якості швидкодіючих випрямних елементів, оскільки вони мають великий ‘залишковий заряд і, відповідно, тривалий час відновлення.

Електронні модулі

Для заміни не дуже надійних потужних газоразрядніков випускаються твердотільні захисні пристрої, розраховані на великі струми. Такі елементи відрізняються більш високою швидкодією і надійністю, ніж це можуть забезпечити розрядники (останнє – у багатьох випадках є головним). Зазвичай захисні електронні модулі виконуються на TVS-тиристорі зі схемою, керуючої порогом спрацьовування, або ж на основі інших спеціальних елементів, що мають аналогічний принцип роботи.

Останнім часом все більше з’являється розробок різних захисних модулів і для низьковольтних ланцюгів. Так, напри-

Мер, фірма Maxim для захисту USB-портів і USB-хабів випускає Мікросхеми MAX893L, МАХ1693 і МАХ1694, які є швидкодіючими (1 мкс) обмежувачами напруги і струму. В даному розділі цей досить великий клас компонентів ми розглядати не будемо через їх відносно високу вартість І обмежених областей застосування.

Література:
Радіоаматорам: корисні схеми, Книга 5. Шелестов І.П.