Kiss Zoltán - Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Elektronikai témájú publikációk gyűjteménye 1.

Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.

Tranziens túlfeszültség elleni védelem

2015 február 13.

Összefoglalás :

Az elektronikai áramkörök tervezésében a legfontosabb szempont a kívánt működés elérése, ennek érdekében a mérnökök gondosan választják ki a komponenseket, kompenzálják az általuk esetlegesen keltett nagyfrekvenciás és felharmonikus zavarokat, méretezik a hőelvezetést.Vannak azonban olyan külső hatások is, melyre minden áramkört fel kell készíteni olyan, normál működés mellett “láthatatlan” alkatrészek beépítésével, melyek csak akkor aktivizálódnak, amikor szükséges. Ilyenek a bemeneteken, vagy tápvonalon esetlegesen érkező túlfeszültség tranziensek kivédésére szolgáló áramkörvédő komponensek. Ezek a külső hatásokáltalában a hirtelen terhelésés tápfeszültségingadozások,kapcsolási zavarok, villámlás, vagy elektrosztatikus kisülések miatt jönnek létre. Jelen írásunkban azon megoldásokat tekintjük át, melyek tranziens túlfeszültség elleni védekezésre alkalmazhatók.


Clamping és crowbar eszközök

Működés szempontjából kétféle túlfeszültségvédő eszköz létezik. Közös tulajdonságuk, hogy a tranzienseket olyan szintre csökkentik, amit a mögöttes áramkör már sérülés nélkül elvisel. A „clamping” – korlátozó jellegű eszköz akkor kezd vezetni, amikor a tranziens feszültség értéke eléri a védőeszközre jellemző letörési feszültség értéket, melyet ekkor konstans szintre korlátoz. Amint a feszültség a határ alatt marad, a korlátozás feloldódik, a védőeszköz magas impedanciás állapotba kerül és ismét “láthatatlanná” válik. Ilyen jelleglek a TVS (szupresszor) diódák, és a varisztorok (MOV, MLV).

Clamping tranziens túlfeszültség elleni védelem

A „crowbar” – sönt eszközök szintén akkor aktiválódnak, amikor a túlfeszültség tüske a letörési feszültséget, mint az eszközre jellemző határértéket túllépi. Ekkor mint az áramjárta vezetők közé dobott “feszítővas” (innen az elnevezés), a működési feszültséget nagyon alacsony szintre szorítja le, leggyakrabban kis impedancián keresztül földeli.A tranziens által képviselt energiának a feszültségforrás, vagy a hozzávezetések impedanciáján keresztül kell elnyelődnie, miközben a védendő áramkör nem is funkcionál. A leggyakoribb ide tartozó eszközök a tirisztorok és a GDT(gáz kisülésű csövek).

Crowbar tranziens túlfeszültség elleni védelem

Eszköztípus Előnyök Hátrányok
Clamping – korlátozó eszközök (TVSD, MOV, MLV)
  • Feszültség határolása elviselhető értékre
  • Gyors reakció (<0.1 ns)
  • Korlátozott teljesítmény
  • Növekvő teljesítmény mellett növekvő kapacitás
Crowbar – sönt eszközök (Tirisztor, GDT)
  • Nagy teljesítmény kezelése
  • Túlfeszültség földelése
  • Nem képesek az energiát elnyelni
  • Néha nehézkes a kikapcsolásuk

Túlfeszültségvédő eszközök áttekintése

Fémoxid varisztorok (MOV)

A fém-oxid varisztorok (MOV) feszültségfüggő ellenállástípusok, amelyek olyan Cink-oxid szemcsék bizmut, vagy egyéb fémoxid által határolt mátrixaiból állnak, melyek kb. 2-3 V letörési feszültségű félvezető P-N átmenetek tulajdonságaival rendelkeznek. A nagy számú sorba- és párhuzamosan kapcsolt mátrix mint megannyi összekapcsolt dióda funkcionál, melyek közül a növekvő feszültség hatására a letörési feszültség közelében egyre több kerül vezető állapotba. A szemcsék méretének, illetve a határolók vastagságának növelésével az MOV paraméterei (a feszültség és az áramhatárok) széles skálán variálhatók a chip mérettől a kV-os egységekig. A varisztorok eredendően kétirányúak és mivel nagyon olcsó eszközökről beszélünk, széles alkalmazhatósággal rendelkeznek. A legnagyobb problémát az öregedés jelenti, ezek az alkatrészek csak erksen korlátozott számú túlfeszültség esemény lekezelésére képesek: minél nagyobb a feszültség, annál kevesebb megszólalás után mennek tönkre. Ekkor először rövidzárként funkcionálnak, egészen addig amíg az átfolyó áram hatására akár el is éghetnek. Mivel a nagy hő az eszközön disszipálódik, képes a NYÁK karbonizálására, ami nyitott állapotban is szivárgási áramhoz vezet. Emiatt nagyon fontos az MOV túláram elleni biztosítása is, melyre egy lehetséges megoldást a 2Pro eszközök alkalmazása jelentheti, ahol az MOV védelmét egy sorba kötött, termikusan kapcsolt PPTC (PolySwitch) végzi, mely részben saját melegedése, részben pedig az MOV melegedése okán nagyimpedanciás állapotba

Többrétegű varisztorok (MLV)

Az MLV-k fejlesztésének célja a túlfeszültség tüskék, illetve elekrosztatikus kisülések elleni védelem. Az eszköz több finomszemcsés félvezető kerámiaporral dúsított rétegből áll, melyek közül minden második ugyanahhoz az elektródához kapcsolódik. Ez az elrendezés jelentősen megnöveli a tranziensek elvezetésére szolgáló keresztmetszetet, így nagyobb energiájú csúcsok kezelését teszi lehetővé, alacsonyabb feszültségek esetén nagyobb ellenállást és az MOV-nál gyorsabb reakcióidőt biztosít. Az éles, szimmetrikus karakterisztika nagy hatásfokú tranziens túlfeszültségvédelmet jelent.

Polimer túlfeszültségvédők

A polimer alapú túlfeszültség-védelmi eszközöket elsősorban ESD védelemre tervezték, nagyon alacsony kapacitásuk miatt ideálisan alkalmazhatók nagysebességű adatvonalak védelmére. A polikristályos szerkezet a tirisztoréhoz hasonlatos áram-feszültség karakterisztikát biztosít, a trigger feszültség szintje kV nagyságrendű lehet, míg a megszólaláskor 20-50V esik az alkatrészen (clamping feszültség). Sajnos ezeknél az eszközöknél is korlátozott az élettartam, néhány száz, esetleg néhány ezer eseményig garantálható a karakterisztika

Tranziens szupresszor diódák (TVSD)

A félvezető alapú TVS eszközök a Zener diódákéhoz hasonló, de a névleges tranziens teljesítménnyel arányosan nagyobb méretű P-N átmenetet tartalmaznak, melyeket sorba vagy párhuzamosan kapcsolva pontosan állítható a névleges határáram és határfeszültség. A TVSD konfigurációtól függően egy- és kétirányú eszközként is használható, nanoszekundum nagyságrendű válaszideje, kis kapacitása és az a tény, hogy nem jelentkezik a varisztorokra jellemző öregedés, ideális túlfeszültségvédő eszközzé teszi gyors adatvonalaknál és olyan applikációkban, ahol a relatív magasabb ár nem okoz gondot.

Gáz kisülésű csövek (GDT)

A GDT az egyszerű szikraközhöz hasonló elven működő komponens, a különbség abban mutatkozik meg, hogy itt a szikraköz hermetikusan zárt alacsony nyomású nemesgázzal töltött üveg, vagy kerámia kapszulába van zárva. Amikor a feszültségtranziens átlépi az eszközre jellemző határértéket, szikra keletkezik, a gáz ionizálódik, és vezetni kezdi a hibaáramot a föld felé. Az elektródák mérete és a köztük lévő távolság adja meg az adott GDT-re jellemző (DC) határfeszültséget és az áram maximális mértékét, mely igen nagy értékű lehet. Az eszköz előnyös tulajdonsága a gyors válaszidő mellett a nyitott állapotra jellemző nagyon nagy impedancia.

Tirisztorok

A tirisztorok többrétegű félvezető eszközök, melyek konfigurációjuktól függően lehetnek egy-, illetve kétirányúak is. A kezelhető maximális áram igen nagy lehet relatív kis fizikai méret mellett is, a névleges teljesítményhatárok között lineáris eszközként igen határozott bekapcsolási karakterisztikával, kis szivárgási árammal, valamint kapacitással rendelkezik. Félvezető eszközként a TVSD-hez hasonlóan nem jelentkezik az öregedési effektus, azonban kikapcsolása problematikus lehet, ezért tervezéskor erre külön hangsúlyt kell fektetni.

SFI Super sorozat– költség-hatékony túlfeszültség védelem

Az SFI cég új - többrétegű varisztor technológián alapuló, de anyagtechnológiai kutatások eredményeként megalkotott speciális formulákkal kiegészített – túlfeszültség védelmi eszközöket (CSPD – chip surge protection devices) hozott létre, melyek áttörést jelentenek a jelenlegi megoldások korlátain. A tradicionális eszközökkel összehasonlítva a CSPD számos előnyös tulajdonsággal rendelkezik, mind a költség-hatékonyság, mind a miniatürizálás terén. Az általános ipari elektronikai áramkörök túlfeszültség elleni védelmére leggyakrabban furatszerelt diszk-varisztorokat használnak, ha a fellépő tranziens áram várhatóan nagy (<6500A). Az SFI az új SHC (super high peak current) sorozatú SMD CSPD eszközeivel ezt az áramértéket SMD méretben tudja kezelni, amellett, hogy más MLV technológiákkal szemben jelentősen csökkentette az öregedést, termikus karakterisztikájuk is fejlettebb és alkalmasak a legtöbb esetben félvezető alapú védelmek, TVS és Zener diódák kiváltására is.

Jellemzői

A létező hagyományos eszközökkel összehasonlítva a CSPD ugyanakkora tranziens energiát sokkal kisebb méretben tud kezelni, SMD jellege miatt automata beültetéssel (reflow) szerelhető és megtakarítható használatával egy sor technológiai lépés, ami a furatszerelt technológia mellett szükséges volt (fúrás, kézi beültetés stb.). Speciális esetben a miniatürizálás még tovább is fokozható, hiszen egyes megoldásokban több komponens is kiváltható egyetlen CSPD eszközzel, például egy kombinált fémoxid varisztor és GDT kihelyettesítésével jelentős méret és anyagköltség megtakarítás válik lehetségessé.

Eszköz Előnyök Hátrányok Főbb jellemzők
MOV
  • Költség-hatékony
  • A tranziens energiát hővé alakítja és disszipálja
  • Nagy tranziens hibaáramot vezet el
  • Öregedés
  • Nagy szivárgási áram és relatív nagy „clamping” feszültség
  • Non-lineáris áram-feszültség karakterisztika
  • „Clamping” faktor ~4
  • Viszonylag magas kapacitás
  • Közepes gyorsaság
  • Termikus megfutás
  • Kétirányú eszköz
  • Nagy fizikai méretben nagy teljesítményt képes kezelni
MLV
  • Költség-hatékony
  • Kiváló méret / teljesítmény arány
  • Alacsonyabb kapacitás
  • Öregedés
  • Magas szivárgási áram
  • Gyorsabb működés, mint MOV
  • Alacsony működési feszültség
Polimer túlfeszültség védők
  • Nagyon alacsony kapacitás
  • Kis méret
  • Költség-hatékony
  • Gyors működés
  • Vége élettartam
  • Korlátozott hőmérséklet tartomány (<85degC)
  • Magas letörési feszültség
TVSD
  • Nincs öregedés
  • Nagyon gyors működés
  • Alacsony „clamping” faktor ~1.33
  • Alacsony „clamping” feszültség
  • Alacsony kapacitás
  • Nagyon alacsony szivárgási áram
  • Drágább eszköz
  • Alacsonyabb maximális teljesítmény
  • A P-N átmenet kis fizikai mérete okán viszonylag kis energiát tud disszipálni
  • Változatos konfigurációkban elérhető (mátrixok)
GDT
  • Nagy tranziens áram kezelés
  • Nyitott állapotban magas impedancia, nincs szivárgási áram
  • Lassú válaszidő
  • Magas költség
  • Nagy letörési feszültség
  • Néha kiegészítő áramkör elemekre van szükség
  • Kétirányú eszköz
  • Minimális sönt ellenállás
  • Relatív alacsony kapacitás :1-5 pF
Tirisztor
  • Nagy tranziens áram kezelés
  • Nyitott állapotban magas impedancia, alacsony szivárgási áram
  • Alacsony nyitóirányú feszültségesés
  • Nincs öregedés
  • Problematikus kikapcsolás
  • Gyorsabb a varisztoroknál, de lassabban reagál, mint a TVSD
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |

Hivatkozások

A cikk megjelent az alábbi helyeken:

# Média Link
1 Elektronet 2012/1 Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, ISSN 1219-705X , 2012. (21. évf) 1. sz. 38-40. old.
2 Elektronet online Tranziens túlfeszültség elleni védelem
3 English version Transient overvoltage suppression

Protek túlfeszültség-védő eszközök adatvonalakra

Protek poster
Letöltés poszter méretben

Kapcsolat

Az info(kukac)electronics-articles.com email címen vagy az alábbi ürlapon az adatkezelési nyilatkozat elfogadásával léphet velünk kapcsolatba.

Név
Cégnév
Email
Telefon
Üzenet
  Elolvastam és elfogadom az adatkezelési nyilatkozatot
  Feliratkozom a havi gyakoriságú műszaki hírlevélre.