Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2012
Girish Choudankar, Emphatec Inc., Канада
Electronic Design
С ростом быстродействия, миниатюризацией и снижением рабочих напряжений современные высокотехнологичные электронные устройства становятся все более уязвимыми к перенапряжениям. Усугубляет ситуацию то, что зачастую электроника эксплуатируется в жестких условиях, испытывая еще более тяжелые нагрузки, особенно в промышленных приложениях, где датчики подключаются к микроконтроллерам или другим логическим устройствам. Эта статья дает инженерам общее представление о проектировании схем, устойчивых к перенапряжениям.
Ключевым элементом защиты входа чувствительного устройства является ограничитель импульсных перенапряжений – супрессор (TVS диод). Простейшая схема состоит из резистора и супрессора, который поглощает импульс перенапряжения и тем самым регулирует напряжение на входе. Основная сложность заключается в правильном выборе самого супрессора.
Должным образом выбранный супрессор «невидим» для защищаемого устройства до тех пор, пока не появится всплеск перенапряжения. Это означает, что в нормальных условиях работы такие параметры супрессора, как напряжение пробоя, постоянный обратный ток и емкость не влияют на функционирование и характеристики устройства. При возникновении импульсного перенапряжения супрессор немедленно поглощает выброс и ограничивает напряжение безопасным уровнем, определяемым напряжением ограничения (VC), отводя опасный импульсный ток на землю.
 |
|
| Рисунок 1. | При использовании в схеме с сопротивлением источника сигнала 2 Ом только TVS диода бросок тока будет слишком большим. |
В приведенной схеме нагрузка, которой может быть вход логического устройства, питается от 24-вольтового сигнала постоянного напряжения, которое может поступать от датчика, преобразователя или другого устройства (Рисунок 1). Сопротивление источника сигнала равно 2 Ом (резистор на схеме), а пороговое напряжение отказа защищаемого устройства – 36 В. В схеме использован TVS диод SMBJ26A, способный поглотить импульсную мощность 600 Вт. Если неисправность на линии вызовет на входе устройства перенапряжение с пиком 150 В и длительностью 10 нс, супрессор должен ограничить этот импульс до уровня 36 В или меньше. Импульсный ток рассчитывается по формуле:
 |
(1) |
Супрессор поделит импульс перенапряжения между сопротивлением источника и собой. Уравнение 1 показывает, что чем выше напряжение ограничения супрессора, тем меньше выброс тока в цепи. К сожалению, результирующий ток в этом примере «сожжет» схему.
Можно использовать более мощный супрессор, но это не лучшее решение, так как с увеличением допустимой мощности TVS диода увеличивается и его стоимость. В качестве альтернативы, последовательно с сопротивлением источника можно добавить резистор небольшого номинала, эффективно снижающий импульсный ток, рассеиваемую супрессором мощность, стоимость схемы и ее размеры (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Добавление на вход устройства недорогого резистора с сопротивлением 20 Ом существенно снижает импульсный ток и рассеиваемую на супрессоре мощность. |
Если допустить, что ток нагрузки невелик и равен 10 мА, падение напряжения на сопротивлении 20 Ом должно быть:
 |
(2) |
Импульсный ток будет равен:
 |
(3) |
Резистор снижает выброс тока более чем в 10 раз. А значит, в схеме можно использовать маломощный супрессор. При этом возникающий импульсный ток меньше максимально допустимого импульсного тока выбранного TVS диода. Импульсное напряжение ограничения супрессора равно:
 |
(4) |
Согласно спецификации на SMBJ26A,
максимальное импульсное напряжение ограничения VC(max) = 42.1 В,
максимальное напряжение пробоя VBR(max) = 31.9 В,
максимальный импульсный ток IPP(max) = 14.3 А.
Используя эти значения и значение тока IP из Уравнения 3, подстановкой в Уравнение 4 получим напряжение ограничения супрессора VC = 35.5 В.
Таким образом, напряжение ограничения несколько ниже порогового напряжения при температуре 25 °C. Для более высоких температур следует учитывать отклонения параметров от допустимых значений (устанавливаются по графикам спецификации на данный TVS диод). Мощность, рассеиваемая на резисторе с сопротивлением 20 Ом в нормальном режиме, равна:
 |
(5) |
Следовательно, при указанных характеристиках импульса перенапряжения можно использовать углеродный композитный резистор с мощностью рассеивания 0.125 Вт. Включенный последовательно, этот небольшой резистор радикально улучшает условия работы супрессора и мало влияет на стоимость устройства.
