Недорогое решение защищает чувствительные к перенапряжениям устройства

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2012

Girish Choudankar, Emphatec Inc., Канада

Electronic Design

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

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.

 Недорогое решение защищает чувствительные к перенапряжениям устройства
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).

Недорогое решение защищает чувствительные к перенапряжениям устройства
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.

Перевод: Антон Юрьев по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Inexpensive Solution Protects Sensitive Devices From Surges

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Можно ли похожее решение применять вместо варистора для защиты устройство, работающих от 220В/50Гц? Чтобы не допустить повышения напряжения на входе прибора выше 270-300В/50Гц. Чем TVS в данном применении будет отличаться от варистора?
  • Ды практчески ничем(супрессор более адекватен(т.е.менее инерционен)),но композитный углерод ставить не советую,то-ко разрывной рез!
  • Почему же все ставят варисторы вместо супрессора? Не могли бы вы посоветовать конкретный супрессор и резистор из приведенной в статье схемы, для, например, нагрузки 50ВТ/220В/50ГЦ со срабатыванием ограничения по напряжению в диапазоне 270-300В.
  • Всё дело в стоимости(супрессор дороже),а выбирать по поставщикам...
  • Варистор сгорает при длинной волне повышения напряжения. Будет ли фактически отличаться выживаемость супрессора от выживаемости варистора на одно напряжение?
  • В одну-две фразы не уложусь(тема хорошая)-набери супрессоры...
  • Ок, жду статьи!
  • Ув.Сентимент ру-цените не только своё время!Набирайте"Супр..."и читайте!,рецензии и аннотации платные...
  • Надеюсь, за этот совет я вам ничего не должен? Не принимайте на свой счет, форум открытый, я сформулировал вопросы не для вас. Ответ на это сообщение не требуется, я на ваши реплики ниже тоже отвечать не буду.
  • Наверное, я чего-то не понял. Увеличение сопротивления, разумеется, облегчит работу супрессора (варистора, стабилитрона), однако на эту же величину увеличит внутреннее сопротивление источника и, соответственно, зависимость напряжения от нагрузки. Так в чём новизна?
Полный вариант обсуждения »