Az elektronikai áramkörtervezésben a legfontosabb szempont a kívánt működés elérése. Ennek érdekében a mérnökök gondosan megválasztják a komponenseket, kompenzálják az általuk esetlegesen keltett nagyfrekvenciás és felharmonikus zavarokat, méretezik a hőelvezetést. Vannak azonban olyan külső hatások is, amelyekre minden áramkört fel kell készíteni olyan, normálműködés mellett "láthatatlan" alkatrészek beépítésével, amelyek csak akkor aktivizálódnak, amikor szükséges. Ilyenek a bemeneteken vagy tápvonalon esetlegesen érkező túlfeszültség-tranziensek kivédésére szolgáló áramkörvédő komponensek. Ezek a külső hatások általában a hirtelen terhelés- és tápfeszültség-ingadozások, kapcsolási zavarok, villámlás vagy elektrosztatikus kisülések miatt jönnek létre. Jelen írásunkban azon megoldásokat tekintjük át, amelyek tranziens túlfeszültség elleni védekezésre alkalmazhatóak
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 letörésifeszültség-értéket, amelyet ekkor konstans szintre korlátoz. Mihelyt a feszültség a határ alatt marad, a korlátozás feloldódik, a védőeszköz magas impedanciás állapotba kerül, és ismét "láthatatlanná" válik. Ilyen jellegűek a TVS (szupresszor) diódák és a varisztorok (MOV, MLV).
A "crowbar" - sönteszközök szintén akkor aktiválódnak, amikor a túlfeszültségtüske 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. Leggyakoribb ide tartozó eszközök a tirisztorok és a GDT (gázkisülésű csövek).
Túlfeszültségvédő eszközök áttekintése
Fém-oxid varisztorok (MOV)
A fém-oxid varisztorok (MOV) feszültségfüggő ellenállások, amelyek cink-oxid szemcsék bizmut, vagy egyéb fémoxid által határolt mátrixaiból állnak, kb. 2 ... 3 V letörési feszültségű félvezető P-N átmenetek tulajdonságaival rendelkeznek. A nagyszámú sorba és párhuzamosan kapcsolt mátrix mint megannyi összekapcsolt dióda funkcionál, amelyek 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 mint 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 erősen korlátozott számú túlfeszültség-esemény lekezelésére képesek: minél nagyobb a feszültség, annál kevesebb megszólalás után mennek tönkre. Ekkor először rövidzárként funkcionálnak, addig, amíg az átfolyó áram hatására eléghetnek. Mivel a nagy hő az eszközön disszipálódik, képes a szerelőpanel karbonizálására, ami nyitott állapotban is szivárgási áramhoz vezet. Emiatt nagyon fontos az MOV túláram elleni biztosítása is, amelyre egy lehetséges megoldást az Elektronet egyik korábbi számában bemutatott 2Pro eszközök alkalmazása jelentheti, ahol az MOV védelmét egy sorba kötött, termikusan kapcsolt PPTC (PolySwitch) végzi, amely részben a saját, részben pedig az MOV melegedése okán nagyimpedanciás állapotba kerül, és korlátozza a túláramot.
Többrétegű varisztorok (MLV)
Az MLV-k fejlesztésének célja a túlfeszültség tüskék, ill. elekrosztatikus kisülések elleni védelem. Az eszköz több finomszemcsés félvezető-kerámiaporral dúsított rétegből áll, közülük 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 biztosítva. Az éles, szimmetrikus karakterisztika nagy hatásfokú tranziens túlfeszültség-védelmet jelent.
Polimer túlfeszültségvédők
A polimeralapú túlfeszültség-védelmi eszközöket elsősorban ESD-védelemre tervezték, nagyon alacsony kapacitásuk miatt ideálisan alkalmazhatók nagy sebességű adatvonalak védelmére. A polikristályos szerkezet a tirisztoréhoz hasonló áram-feszültség karakterisztikát biztosít, a triggerfeszültség szintje kV nagyságrendű lehet, míg a megszólaláskor 20 ... 50 V esik az alkatrészen (clampingfeszültség). Sajnos ezeknél az eszközöknél is korlátozott az élettartam, néhány száz, esetleg néhány ezer eseményig garantálható a karakterisztika.
Tranziens szuppresszordiódák (TVSD)
A félvezető-alapú TVS eszközök a Zener-diódákéhoz hasonló, de a névleges tranziens teljesítménnyel arányosan nagyobb letörési feszültségű P-N átmenetet tartalmaznak, amelyeket 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 alkalmazásokban, ahol a relatíve magasabb ár nem okoz gondot.
Gázkisülésű 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 kerámiakapszulába 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, amely 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, amelyek konfigurációjuktól függően lehetnek egy-, illetve kétirányúak is. A kezelhető maximális áram relatív kis fizikai méret mellett is igen nagy lehet, 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 - költséghatékony túlfeszültség-védelem
Az SFI cég új - többrétegű varisztortechnológián alapuló, de anyagtechnológiai kutatások eredményeként megalkotott, speciális formulákkal kiegészített - túlfeszültség-védelmi eszközöket (CSPD - chip surge protection devices) hozott létre, amelyek áttörést jelentenek a jelenlegi megoldások korlátain. A tradicionális eszközökkel összehasonlítva a CSPD mind a költséghatékonyság, mind a miniatürizálás terén számos előnyös tulajdonsággal rendelkezik. Az általános ipari elektronikai áramkörök túlfeszültség elleni védelmére leggyakrabban furatszerelt diszk-varisztorokat használnak, ha a fellépő tranziens áram várhatóan nagy (<6500 a="" az="" sfi="" j="" shc="" super="" high="" peak="" current="" sorozat="" smd="" cspd="" eszk="" zeivel="" ezt="" ram="" rt="" ket="" smd-m="" retben="" tudja="" kezelni="" amellett="" hogy="" m="" s="" mlv-technol="" gi="" kkal="" szemben="" jelent="" sen="" cs="" kkentette="" reged="" st="" termikus="" karakterisztik="" juk="" is="" fejlettebb="" alkalmasak="" legt="" bb="" esetben="" f="" lvezet="" alap="" v="" delmek="" tvs-="" zener-di="" d="" k="" kiv="" lt="" ra="" p="">
Jellemzői:
- Nagy tranziens áramokat képes vezetni, max. 6500 A
- Nagy tranziens feszültség levezetésére alkalmas
- Tökéletes ESD-védelemre (ESD> 30 kV)
- Több esemény kezelésére képes
- A letörési feszültség szórása kicsi (0,5%)
- Magas non-lineáris exponens (α~50)
- Minimális szivárgási áram <5 a="" li="">
- 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 használatával megtakarítható 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 fém-oxid varisztor és GDT kihelyettesítésével jelentős méret- és anyagköltség-megtakarítás válik lehetségessé.
