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).
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).
| Eszköztípus | Előnyök | Hátrányok |
|---|---|---|
| Clamping – korlátozó eszközök (TVSD, MOV, MLV) |
|
|
| Crowbar – sönt eszközök (Tirisztor, GDT) |
|
|
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
- Nagy tranziens áramokat képes vezetni, max. 6500A
- Nagy tranziens feszültség levezetésére alkalmas
- Tökéletes ESD védelemre (ESD> 30kV)
- Több esemény kezelésére képes
- A letörési feszültség szórása kicsi 0. 5%
- Magas non-lineáris exponens α~50
- Minimális szivárgási áram <5µA
- Nagy maximális működési hőmérséklet 125°C
- RoHS & Ólommentes SMD technológia
- SMT forrasztási technológiákkal kompatibilis
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 |
|
|
|
| MLV |
|
|
|
| Polimer túlfeszültség védők |
|
|
|
| TVSD |
|
|
|
| GDT |
|
|
|
| Tirisztor |
|
|
|
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2012/1 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2012. (21. évf) 1. sz. 38-40. old. |
| 2 | Elektronet online | Tranziens túlfeszültség elleni védelem |
| 3 | English version | Transient overvoltage suppression |
