Как проверить защитный диод. Супрессор обозначение, параметры и применение защитных диодов

Защитный диод (супрессор) 1.5KE15CA

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды Шоттки , диоды Ганна, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (T ransient V oltage S uppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и среди радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон , TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

TVS-диоды были созданы в 1968 году в США для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придаётся защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

Очень часто возникают броски напряжения и на силовых трансформаторных подстанциях. В таких случаях бытовая техника выходит из строя сотнями. Поскольку на промышленных предприятиях комплексная защита имеется, а жилые дома в этом случае совершенно не защищены.

По некоторым данным потери связанные с выходом из строя и последующим ремонтом всей электронной аппаратуры в США составляют около $12 млрд. в год. Специалисты посчитали, что и в нашей стране потери соответствуют этой сумме.

Для защиты аппаратуры от воздействия электрических перенапряжений и был разработан класс полупроводниковых приборов называемых TVS-диоды или “супрессоры”. Иногда в разговоре можно услышать: диодный предохранитель.

Обозначение на схеме.

На принципиальных схемах супрессор (ака защитный диод) обозначается так (VD1, VD2 - симметричные; VD3 - однонаправленные).

Принцип работы супрессора (защитного диода).

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод. Более наглядно процесс выглядит на рисунке.

До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибора более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричные только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наносится вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из "фишек" защитных диодов.

Основные электрические параметры супрессоров.

U проб. (В) – значение напряжения пробоя. В зарубежной технической документации этот параметр обозначается как V BR (Breakdown Voltage ). Это значение напряжения, при котором диод резко открывается и отводит опасный импульс тока на общий провод («на землю»).

I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение – I R (Max. Reverse Leakage Current ). Так же может обозначаться как I RM .

U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре V RWM (Working Peak Reverse Voltage ). Может обозначаться как V RM .

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как V CL или V C – Max. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage .

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как I PP (Max. Peak Pulse Current ). Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения. Для мощных супрессоров это значение может достигать нескольких сотен ампер!

P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор. Напомним, что слово супрессор произошло от английского слова Suppressor , что в переводе означает «подавитель». Зарубежное название параметра Peak Pulse Power (P PP ).

Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (V CL ) и I огр. мах. (I PP ).

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.

ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора)

ВАХ двунаправленного супрессора

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.

Например, при длительности импульса 50 микросекунд диод типа SMBJ 12A выдерживает импульсный ток, превышающий номинальный почти в четыре раза.

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 (С)A . Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

Размеры указаны в дюймах и миллиметрах (в скобках). Несимметричные супрессоры имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо, которое расположено ближе к катодному выводу.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Диоды TRANSIL TM фирмы THOMSON широко используются для защиты автомобильной электроники от перенапряжений. Самым сильным источником электрических импульсов является система зажигания. Для защиты автомобильного музыкального центра достаточно одного диода TRANSIL TM .

Двунаправленные диоды TRANSIL TM 1.5КЕ440СА с успехом применяются для защиты бытовой электронной аппаратуры в сетях 220 вольт. Их применение наиболее эффективно для защиты объектов, которые подключены к воздушным линиям. В этом случае будет защита и от атмосферных электрических импульсов и от импульсных перенапряжений по цепям питания.

10. Назначение и классификация микросхем драйверов.

Драйвер (англ. driver - управляющее устройство, водитель) - электронное устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов, целью которого является управление чем-либо. Драйвером обычно называется отдельное устройство или отдельный модуль, микросхема в устройстве, обеспечивающие преобразование электрических управляющих сигналов в электрические или другие воздействия, пригодные для непосредственного управления исполнительными или сигнальными элементами.

Под определение драйвера подпадают многочисленные устройства:

Шинные формирователи

Формирователи сигналов интерфейсов цифровых электронных устройств, предназначенные для преобразования, приема и передачи цифровых сигналов и согласования электрических парметров с особенностями линии связи

Устройства управления различными типами исполнительных устройств, такими как электромагниты, электродвигатели

Модули питания и управления устройствами, требующими соблюдения определенных рабочих параметров в процессе включения, выключения и работы. Ярким примером можно считать драйверы светодиодов, поскольку к питанию светодиодных устройств предъявляются повышенные требования

Драйверы силовых транзисторов, MOSFET и IGBT-транзисторов. Затворы мощных полевых силовых транзисторов имеют большую электрическую ёмкость (тысячи пикофарад), для зарядки которых на высокой частоте нужен большой ток (амперы). Драйвер обеспечивает большой ток для быстрой зарядки затвора транзистора для его открытия. А также быстро разряжает затвор, когда транзистор нужно закрыть.

11. Бутстрепное питание ИМС драйверов.

12 Схемотехника, разновидности и характеристики аналоговых компараторов.

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator - сравнивающее устройство ) - электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше, чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Одно напряжение сравнения двоичного компаратора делит весь диапазон входных напряжений на два поддиапазона. Двоичный логический сигнал (бит) на выходе двоичного компаратора указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейногооперационного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

· Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения.

· Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по логическим уровням и токам с конкретным типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

· Для формирования гистерезисной передаточной характеристики компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.

13. ТТЛ и ТТЛШ-элементы. Схемотехника и особенности применения.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ , TTL ) - разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).

Простейший базовый элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ, в принципе повторяет структуру ДТЛ микросхем и в то же время за счёт использования многоэмиттерного транзистора, объединяет свойства диода и транзисторного усилителя что позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы.

Принцип работы ТТЛ с простым инвертором :

Биполярные транзисторы могут работать в режимах: отсечки, насыщения, нормально активно, инверсно активный. В инверсно активном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный переход открыт. В инверсном активном режиме коэффициент усиления транзистора по току значительно меньше, чем в нормальном режиме, из-за несимметричности конструктивного исполнения переходов база-коллектор и база-эмиттер, в частности, из-за разницы в их площадях и степени легирования коллекторного и эмиттерного слоёв полупроводника.

Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ )

В ТТЛШ используются диоды Шоттки, в которых барьер Шоттки не позволяет транзистору войти в режим насыщения в результате чего диффузионная ёмкость мала и задержки переключения малы, а быстродействие высокое.

ТТЛШ-логика отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в цепях база - коллектор, что исключает насыщение транзистора, а также наличием демпфирующих диодов Шоттки на входах (редко на выходах) для подавления импульсных помех, образующихся из-за отражений в длинных линиях связи (длинной считается линия, время распространения сигнала в которой больше длительности его фронта, для самых быстрых ТТЛШ микросхем линия становится длинной начиная с длины в несколько сантиметров).

14. Схемотехника, разновидности и принципы работы стабилизаторов напряжения.

Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

15. ЭСЛ и И 2 Л-элементы. Схемотехника и особенности применения.

Основная деталь ЭСЛ-логики - схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор, у которого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них - на выходные эмиттерные повторители.

16. Схемотехника, АЧХ и разновидности активных фильтров.

Активный фильтр - один из видов аналоговых электронных фильтров, в котором присутствует один или несколько активных компонентов, к примеру транзистор или операционный усилитель.

В активных фильтрах используется принцип отделения элементов фильтра от остальных электронных компонент схемы. Часто бывает необходимо, чтобы они не оказывали влияния на работу фильтра. Применение усилителей в активных фильтрах позволяет увеличить наклон частотной характеристики в полосе подавления, что недостижимо при каскадном соединении пассивных RC-цепочек.

Существует несколько различных типов активных фильтров, некоторые из которых также имеют ипассивную форму:

· Фильтр высоких частот - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала ниже частоты среза.

· Фильтр низких частот - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше частоты среза.

· Полосовой фильтр - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала выше и ниже некоторой полосы.

· Режекторный фильтр - ослабляет (обычно значительно) амплитуды гармонических составляющих сигнала в определённой ограниченной полосе частот.

17. n-МОП и КМОП- логические элементы. Схемотехника и особенности применения.

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor ) - технология построения электронных схем.

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

· Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.

· Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

МОП (металл-оксид-полупроводник) - один из видов полевого транзистора, в котором управляющий электрод (затвор) отделён от канала слоем диэлектрика, в простейшем случае, оксида кремния. Транзисторы МОП-структуры лучше других активных полупроводниковых приборов подходили для создания логических БИС и СБИС, и ранний прогресс цифровой техники обусловлен микросхемами на транзисторах с МОП-структурой. В отличие от биполярного транзистора, выходной ток которого управляется входным током, МОП-транзистор, как и другие полевые транзисторы, управляется напряжением, этим он напоминает электровакуумный триод. В зависимости от типа носителей зарядов, МОП-транзисторы могут быть n-канальными или p-канальными, в первых используются электроны, во вторых - дырки.

Логический МОП-элемент представляет собой несколько транзисторов, соединённых либо последовательно (для получения функции "И-НЕ"), либо параллельно (для получения функции "ИЛИ-НЕ"). Такой же транзистор, только постоянно включённый, служит нагрузочным резистором логического элемента. Увеличение сопротивления открытого канала этого транзистора уменьшает потребляемую мощность, но одновременно и скорость действия логического элемента. Управлять этим параметром можно, изменяя геометрические размеры, например, ширину канала.

18. Методы минимизации схем на основе карт Карно.

Куб Карно́ - графический способ минимизации переключательных (булевых) функций, обеспечивающий относительную простоту работы с большими выражениями и устранение потенциальных гонок . Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Карты Карно рассматриваются как перестроенная соответствующим образом таблица истинности функции. Карты Карно можно рассматривать как определенную плоскую развертку n-мерного булева куба.

Карты Карно были изобретены в 1952 Эдвардом В. Вейчем и усовершенствованы в 1953 Морисом Карно, физиком из «Bell Labs», и были призваны помочь упростить цифровые электронные схемы.

В карту Карно булевы переменные передаются из таблицы истинности и упорядочиваются с помощью кода Грея, в котором каждое следующее число отличается от предыдущего только одним разрядом.

Принципы минимизации[править | править исходный текст]

Основным методом минимизации логических функций, представленных в виде СДНФ или СКНФ, является операция попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Операция попарного склеивания осуществляется между двумя термами (членами), содержащими одинаковые переменные, вхождения которых (прямые и инверсные) совпадают для всех переменных, кроме одной. В этом случае все переменные, кроме одной, можно вынести за скобки, а оставшиеся в скобках прямое и инверсное вхождение одной переменной подвергнуть склейке. Например:

Аналогично для КНФ:

Возможность поглощения следует из очевидных равенств

Таким образом, главной задачей при минимизации СДНФ и СКНФ является поиск термов, пригодных к склейке с последующим поглощением, что для больших форм может оказаться достаточно сложной задачей. Карты Карно предоставляют наглядный способ отыскания таких термов.

Как известно, булевы функции N переменных, представленные в виде СДНФ или СКНФ, могут иметь в своём составе 2 N различных термов. Все эти члены составляют некоторую структуру, топологически эквивалентную N –мерному кубу, причём любые два терма, соединённые ребром, пригодны для склейки и поглощения.

На рисунке изображена простая таблица истинности для функции из двух переменных, соответствующий этой таблице 2-мерный куб (квадрат), а также 2-мерный куб с обозначением членов СДНФ и эквивалентная таблица для группировки термов:

19. Мультиплексоры и демультиплексоры. Схемотехника и особенности применения.

Mультипле́ксор - устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Аналоговые и цифровые мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико - порядка единиц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход логический уровень ("0" или "1") с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами или коммутаторами.

Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции, называется демультиплексором. В случае применения аналоговых мультиплексоров (с применением ключей на полевых транзисторах) не существует различия между мультиплексором и демультиплексором; такие устройства могут называться коммутаторами.

Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры могут использоваться для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный. Для такого преобразования достаточно подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и заканчивая последним.

20. Схемотехника, разновидности и принципы работы генераторов сигналов.

Генератор сигналов - это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра)

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.

21. Дешифраторы и шифраторы. Схемотехника и особенности применения.

Шифратор (кодер) - (англ. encoder ) логическое устройство, выполняющее логическую функцию (операцию) - преобразование позиционного n-разрядного кода в m-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код.

Двоичный шифратор выполняет логическую функцию преобразования унитарного n-ичного однозначного кода в двоичный. При подаче сигнала на один из n входов (обязательно на один, не более) на выходе появляется двоичный код номера активного входа.

Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением:

Где
- число входов,
- число выходных двоичных разрядов.

Дешифра́тор (декодер) , англ. Decoder - комбинационная схема, преобразующая n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в -ичный одноединичный код, где - основание системы счисления. Логический сигнал активен на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду.
Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции(операции). Двоичный дешифратор работает по следующему принципу. Пусть дешифратор имеет N входов, на которые подаётся двоичное слово , тогда на выходах формируется код, разрядности меньшей или равной , где разряд, номер которого равен численному представлению входного слова, становится активным (принимает значение логической единицы, логического нуля или переводится в высокоимпедансное состояние - отключается, что зависит от конкретной реализации дешифратора), все остальные разряды неактивны. Очевидно, что максимально возможная разрядность выходного слова равна . Такой дешифратор называется полным . Если часть входных наборов не используется, то число выходов меньше , и дешифратор является неполным .

22. Схемотехника и принцип работы буфера сигналов.

В информатике буфер (англ. buffer ) - это область памяти, используемая для временного хранения данных при вводе или выводе. Обмен данными (ввод и вывод) может происходить как с внешними устройствами, так и с процессами в пределах компьютера. Буферы могут быть реализованы в аппаратномили программном обеспечении, но подавляющее большинство буферов реализуется в программном обеспечении. Буферы используются когда существует разница между скоростью получения данных и скоростью их обработки, или в случае когда эти скорости переменны, например, при буферизации печати.

Буфер и кэш[править | править исходный текст]

Эти термины не являются взаимоисключающими, и их функции часто смешиваются, но существует различие в их предназначении. Буфер - временное хранилище, где большие блоки данных сливаются или разбиваются на части. Это необходимо для взаимодействия с запоминающим устройством, которое работает с большими блоками данных, или когда данные передаются в другом порядке чем тот, в котором они формируются, и лишь желательно - в том случае, когда использование мелких блоков неэффективно. Использование буфера приносит пользу, даже если буферизуемые данные пишутся в буфер и читаются из него однократно.

В свою очередь, использование кэша предполагает, что данные будут читаться из кэша чаще, чем записываться туда. Его назначение - уменьшить число обращений к запоминающему устройству, а не сделать их более эффективными.

23. Схемотехника и принцип работы стабилизатора тока.

Бареттер представляет собой заполненный водородом стеклянный баллон, внутрь которого помещена тонкая платиновая, железная или вольфрамовая проволока (нить). По сути это специальная лампа накаливания с водородным наполнением. Такое устройство имеет нелинейное сопротивление, при котором в определённом диапазоне силы тока незначительный её прирост даёт значительное увеличение напряжения на выводах. То есть бареттер - это резистор с положительным температурным коэффициентом.

Существуют также полупроводниковые эквиваленты водородного бареттера, собранные на полупроводниковых приборах (транзисторах), или интегральные.

Принцип действия состоит в том, что при увеличении приложенного напряжения возрастает температура нити накала и, следовательно, ее сопротивление. В результате при изменении напряжения на бареттере сила тока практически не изменяется. Таким образом, бареттер, включенный последовательно с нагрузкой, поддерживает в ней стабильный ток при изменениях напряжения питания. Такие приборы использовались ранее для защиты дорогостоящих ламп накаливания, нитей накала кинескопов и радиоламп, в стабилизаторах тока. Бареттеры ограничивают опасные скачки тока при включении радиоэлектронной аппаратуры. С такой же целью можно использовать лампу накаливания с вольфрамовой нитью, если её ток будет в подходящем диапазоне. Бареттеры, как правило, могут работать и при постоянном, и при переменном токе. Бареттер обладает заметной тепловой инерцией, поэтому способен стабилизировать только медленные изменения тока. Обычные бареттеры не защищены от перегрузок по току и не способны задавать предельный ток нагрузки.

24. Прямоходовые и обратноходовые DC/DC преобразователи.

Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере понижающего DC-DC преобразователя.

25. Основные типы логических элементов. УГО, реализуемые функции и таблицы истинности.

Логические элементы - устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого - «1» и низкого - «0» уровней в двоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике, последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

С развитием электротехники от механических логических элементов перешли к электромеханическим логическим элементам (на электромагнитных реле), а затем к электронным логическим элементам на электронных лампах, позже - на транзисторах. После доказательства в 1946 г. теоремы Джона фон Неймана об экономичности показательных позиционных систем счисления стало известно о преимуществах двоичной и троичной систем счисления по сравнению с десятичной системой счисления. От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по сравнению с десятичными логическими элементами.

Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) над входными сигналами (операндами, данными).

Всего возможно логических функций и соответствующих им логических элементов, где - основание системы счисления, - число входов (аргументов), - число выходов, то есть бесконечное число логических элементов. Поэтому в данной статье рассматриваются только простейшие и важнейшие логические элементы.

Всего возможны двоичных двухвходовых логических элементов и двоичных трёхвходовых логических элементов (Булева функция).

Кроме 16 двоичных двухвходовых логических элементов и 256 трёхвходовых двоичных логических элементов возможны 19 683 двухвходовых троичных логических элементов и 7 625 597 484 987 трёхвходовых троичных логических элементов (троичные функции).

26. Источники вторичного электропитания. Разновидности и особенности схемотехники.

Вторичный источник электропитания - это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания . Согласно ГОСТ Р 52907-2008 слово «вторичный» опускается .

Источник электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах - например материнская плата компьютера имеет встроенные преобразователи напряжения для питания процессора), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и т. д.), или даже расположенным в отдельном помещении (цехеэлектропитания).

· Обеспечение передачи мощности - источник питания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.

· Преобразование формы напряжения - преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.

· Преобразование величины напряжения - как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины для питания различных цепей.

· Стабилизация - напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и т. д. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.

· Защита - напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.

· Гальваническая развязка цепей - одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.

· Регулировка - в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.

· Управление - может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).

· Контроль - отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

27. Счетчики. Схемотехника, диаграммы состояний и особенности применения.

Счётчик числа импульсов - устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на двухступенчатых D-триггерах, T-триггерах и JK-триггерах.

Основной параметр счётчика - модуль счёта - максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счётчики классифицируют:

· по числу устойчивых состояний триггеров

· на двоичных триггерах

· на троичных триггерах

· на n-ичных триггерах

· по модулю счёта:

· двоично-десятичные (декада);

· двоичные;

· с произвольным постоянным модулем счёта;

· с переменным модулем счёта;

· по направлению счёта:

· суммирующие;

· вычитающие;

· реверсивные;

· по способу формирования внутренних связей:

· с последовательным переносом;

· с ускоренным переносом;

· с параллельным ускоренным переносом;

· со сквозным ускоренным переносом;

· с комбинированным переносом;

· кольцевые;

· по способу переключения триггера:

· синхронные;

· асинхронные;

· Счётчик Джонсона

28. Способы построения счетчиков с произвольным модулем счета.

Рассмотрим работу суммирующего двоичного счетчика (K сч. = 2 m) с естественным порядком счета и с K сч. = 8. Для его построения необходимо m = log 2 8 = 3 триггера, что соответствует трем разрядам двоичного числа.

Таблица состояний такого счетчика имеет вид (табл. 13), причем входной сигнал x n обозначим через 1, Q 3 n – старший разряд, Q 1 n – младший разряд.

Таблица 13

x n	Q 3 n	Q 2 n	Q 1 n	Q 3 n+1	Q 2 n+1	Q 1 n+1

Из анализа таблицы видно:

триггер младшего разряда Q 1 переключается от каждого входного сигнала;
второй разряд Q 2 переключается через два входных сигнала;
третий разряд Q 3 переключается через четыре входных сигнала.

Таким образом, частота переключения каждого следующего триггера уменьшается вдвое. Следовательно, счетчик можно построить как цепочку последовательно включенных счетных триггеров.

Построим такой счетчик на JK-триггерах, работающих в счетном режиме (рис. 40).

Рис. 40. Последовательный суммирующий счетчик на JK-триггерах – а; временная диаграмма его работы – б

Данный счетчик может работать как вычитающий. Для этого необходимо сигналы на входы последующих разрядов подавать с инверсных выходов триггеров предыдущих разрядов.

Так как полученный счетчик – асинхронный, то каждый его триггер срабатывает с задержкой относительно входного сигнала. Поэтому по мере продвижения сигнала от младшего разряда к старшему эта задержка суммируется и может произойти искажение информации, в виде несоответствие числа уже поступивших в счетчик импульсов и кода на его выходах. В общем случае суммарная задержка пропорциональна числу триггеров, что снижает быстродействие счетчика.

29. Прикладные программы для компьютерного синтеза и отладки схем.

30. Электромагнитные ПРУ люминесцентных ламп. Недостатки.

Для поддержания и стабилизации процесса разряда последовательно с люминесцентной лампой включается балластное сопротивление в сети переменного тока в виде дросселя или дросселя и конденсатора . Эти устройства называют пускорегулирующими аппаратами (ПРА) .

Напряжение сети, при котором работает люминесцентная лампа в установившемся режиме, недостаточно для ее зажигания. Для образования газового разряда, т. е. пробоя газового пространства, необходимо повысить эмиссию электронов путем их предварительного разогрева или подачи на электроды импульса повышенного напряжения. То и другое обеспечивается с помощью стартера, включенного параллельно лампе.

Схема включения люминесцентной лампы: а - с индуктивным балластом, б - с индуктивно-емкостным балластом.

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды выпрямительные, стабилитроны, диоды Ганна, диод Шотки , светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

В технической литературе и в среде общения радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

По некоторым данным потери связанные с выходом из строя и последующим ремонтом всей электронной аппаратуры в США составляют около $ 12 млрд. в год. Специалисты посчитали, что и в нашей стране потери соответствуют этой сумме.

Обозначение на схеме.

Принцип работы супрессора (защитного диода).

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричный диод может работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричный только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наноситься вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из "фишек" защитных диодов.

Основные электрические параметры супрессоров.

I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение –I R (Max. Reverse Leakage Current ). Так же может обозначаться как I RM .

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.

ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора)

ВАХ двунаправленного супрессора

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 ©A . Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Основные понятия

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.

Статическое электричество – совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхность или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

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 неизвестными.

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.

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 :

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:

Для защиты цепей электронных устройств от воздействия электрических перегрузок могут использоваться различные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-фукнциональные, 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-, 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 перепад от цепи или фиксировать перепад напряжения ниже порога повреждения защищаемого элемента для данной ширины импульса. В дальнейшем, во время 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: ограничители сигнала и электронные ключи . 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 .

Поскольку реализация защиты цепей на основе защитных тиристоров достаточно трудоемка и более дорогостоящая, большее распространение получили схемы защиты на основе TVS-диодов. 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).

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.

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

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 T VS -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 и постоянного обратного напряжения V WM , которое должно быть равно напряжению, действующему в цепи или несколько превышать его с учетом максимального допуска.

При недостаточной 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 переменного тока может осуществляться путем включения двух несимметричных TVS-диодов:

Схемы защиты цепи с несимметричными TVS-диодами

Включение элементов 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:

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

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. Защитные диоды в таком случае должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания:

Типовая схема TVS-диодов для защиты источников питания постоянного тока
от электрических перегрузок по напряжению

Защита от перенапряжений ключевых элементов , в цепях которых имеется индуктивная нагрузка, осуществляется по следующим схемам:

а ) TVS-диоды параллельны защищаемому элементу
б ) параллельны нагрузке
в ) комбинированно

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. В таком случае рекомендуется устанавливать защитный диод со значением обратного напряжения, превышающим входное напряжение MOSFET транзистора.

Цепи передачи данных и высокочастотные цепи также могут быть защищены с помощью TVS-диодов. Для защиты цепей с однополярными сигналами может быть использована схема включения несимметричных TVS-диодов:

Защитные диоды включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных. При наличии в цепи двухполярных сигналов, вместо, несимметричных защитных диодов используются симметричные TVS-диоды.

Защита портов USB может быть реализована на диодной сборке серии PRTR5V0U2X (NXP), обладающей низкой емкостью и высокой скоростью реакции, в корпусе SOT-4. Диодная сборка позволяет обеспечить защиту двух высокоскоростных шин без потерь сигнала:

Особую роль играют схемы защиты в автомобильной электронике . На схеме ниже 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, разработанна 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 (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 (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 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.

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	Преимущества	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
	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.

Основные игроки на рынке защитных диодов

На рынке производителей защитных полупроводниковых электронных компонентов есть ряд основных игроков, такие как Vishay, NXP, STMicroelectronics , Diotec , Fairchild и др.

Одним из игроков на рынке производства электронных компонентов для силовой электроники является 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 Societa и Generale Semiconduttori (SGS) Microelettronica и французской Thomson Semiconducteurs . На момент слияния компания называлась SGS-Thomson, а затем преобразована в тот вид, в котором сейчас выступает на рынке электронных компонентов.

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.

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.

Компания 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 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.

В портфолио 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 перечислены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики:

Защитные диоды NXP
Наименование	Упаковка	I RM макс (мА)	Число линий защиты	P имп (Вт)	V тип (В)	V обр (В)

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 приведены некоторые линейки защитных диодов и их краткие характеристики:

TVS-диоды Diotec
	Импульсная мощность макс	Напряжение стабилизации	Обратный ток макс	Напряжение пробоя

Маркировка и краткий перечень TVS-диодов Diotec

Маркировка TVS-диодов Diotec основано на различных системах обозначения:

Обозначение, основанное на напряжении пробоя VBR:
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 VWM:
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.

Выводные TVS-диоды Diotec
Корпус		Опорное напряжение	Пиковое значение мощности P PPM Вт
Корпус		VBR/VWM В
	BZW04-5V8… BZW04-376B
	P4KE6.8…P4KE440CA
	BZW06-5V8… BZW06-376B
	P6KE6.8…P6KE440CA
	1.5KE6.8…1.5KE440CA
	5KP5.0…5KP110A
	BYZ35A22…BYZ35A37 BYZ35K22…BYZ35K37
	BYZ50A22…BYZ50A37 BYZ50K22…BYZ50K37

SMD TVS-диоды Diotec
Корпус	Тип	Опорное напряжение	Пиковое значение мощности PPPM Вт
Корпус	Тип	VBR/VWM В	150	300	400	600	1500
SOD-80 MiniMELF	TGL34-6.8…TGL34-200CA	6,8-200
SOD-80 MiniMELF	SDA2AK, SDA4AK	1, 2
SOD-80 MiniMELF	TGL41-6.8…TGL41-200CA	6,8-200
SMA DO-214AC	P4SMAJ6.5…P4SMAJ170CA	6,5-170
SMB DO-214AA	P6SMAJ6.5…P6SMAJ170CA	6,5-170
SMC DO-214AB	1.5SMCJ6.5…1.5SMCJ170CA	6,5-170

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 сомнительных и неизвестных или малоизвестных компаний, а руководствоваться качеством приобретаемых элементов и приобретать у официальных представителей компаний производителей.

Примеры аналогов TVS-диодов различных производителей
	Производитель	Макс V WM , В	Мин V BR , В	V C , В	I PPM , А

	ON - Semiconductors

	STMicroelectronics

Окружающая среда, в которой мы живем, загрязнена огромным количеством помех, значительную часть которых создают так называемые переходные процессы. Данные процессы возникают при отключении емкостной или индуктивной нагрузки. В особенности большие перенапряжения опасны для электронных компонентов. Для подавления таких перенапряжений были разработаны компоненты типа TRANSIL и TVS - защитные диоды, называемые «супрессорами».

Первое производство таких защитных диодов было организованно в 60е годы, на ирландском заводе GSI. Вскоре подобные диоды начала выпускать фирма SGS-Thomson под торговой маркой TRANSIL и TRISL. В настоящее время электротехнический гигант GENERAL INSTRUMENT(GI) изготавливает диоды GSI. Защитные диоды производства фирмы GI имеют обозначение TVS - Transient Voltage Supressor (подавитель напряжений переходных процессов). TVS и TRANSIL - это различные коммерческие названия одних и тех же диодов.
Диоды изготавливаются в однонаправленном и в двунаправленном исполнениях. На рис.1 схематически изображены симметричные и несимметричные диоды TRANSIL.

Рис.1. Обозначение симметричных (VD1, VD2) и несимметричного(VD3) диодов.

Однонаправленное исполнение (несимметричные супрессоры) применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, таким образом диоды TRANSIL данного типа включаются в контур с учетом полярности. Несимметричные супрессоры используются в сети питания постоянным током. Двунаправленные диоды TRANSIL (симметричные диоды) предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей и используются в сети питания переменного тока и всегда включаются параллельно защищаемому оборудованию. Такой супрессор может быть составлен из двух однонаправленных диодов TRANSIL путем их встречно-последовательного включения.

Если сравнивать с варисторами, используемыми также для подавления перенапряжений, данные диоды являются более быстродействующими. Время срабатывания супрессоров составляет несколько пикосекунд.

К недостаткам диодов данного типа следует отнести зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно защитные диоды супрессоры используются при таком режиме работы, когда на вход подаются импульсы с минимальным временем нарастания (около 10 мкс) и небольшой длительности.

Основные параметры диодов TRANSIL :

V rm - постоянное обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) - максимальное рабочее напряжение, при котором диод открывается и отводит токовый импульс на «землю», не вызывая выхода защищаемого компонента из строя.
V br - напряжение пробоя (Break-down Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость увеличения тока превышает скорость увеличения напряжения. Величина напряжения обычно укказывается для температуры 25° C, температурный коэффициент положительный, допустимые отклонения в пределах 5% либо в интервале от - 5 до +10 %.
V cl - напряжение фиксации (Clamping Voltage) - максимальное напряжение для так называемого "нормализованного" максимального импульса пикового тока Ipp.

I pp - пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме.
V f - прямое напряжение (Forward Voltage) - напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В.
I f - прямой ток (Forward Current) - максимальный пиковый ток в прямом направлении.

Супрессоры имеют нелинейную вольтамперную характеристику. При превышении амплитуды электрического импульса максимального напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. При поступлении на вход электрического импульса, диод ограничивает данный импульс напряжения до допустимой величины, а “излишки” энергии отводятся через диод на «землю». Более наглядно процесс выглядит на рисунке 2.

Рис.2. Принцип работы защитного диода.

На практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя в работе минимально. На случай, если ожидается появление больших перенапряжений в следствии малого импеданса, в цепь рекомендуется включить предохранитель. Супрессоры характеризуются хорошим быстродействием, то есть время срабатывания данных диодов мало, что является одной из главных причин их широкого использования.

На рисунке 3 представлены схемы включения диодов TRANSIL с предохранителем.

Рис.3. Схемы включения защитных диодов с предохранителем (а - симметричного. б - несимметричного).

Применение:

Супрессоры специально предназначены для защиты от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защиты мощных транзисторов и тиристоров и т д. Широко применяются такие диоды в импульсных источниках питания. Диоды TRANSIL удобно использовать как для защиты биполярных так и МОП-транзисторов. Супрессоры можно использовать для защиты как управляющего электрода МОП-транзисторов, так и для защиты самого p-n перехода. При этом стоит всегда учитывать характер импульсов перенапряжения - однократные или периодические.