Стабилитрон и TVS-диод

Стабилитрон включают в обратной полярности и используют на участке характеристики, где напряжение меняется сравнительно мало при изменении тока. Этот режим начинается после достижения области пробоя, но остаётся безопасным только при ограниченном токе и допустимой мощности.

При слишком малом токе рабочая точка находится возле изгиба характеристики. Напряжение сильнее зависит от тока, а динамическое сопротивление выше. При увеличении тока стабилизация улучшается, но растут мощность и температура перехода.

Рабочий диапазон ограничен с двух сторон:

• минимальным током, при котором достигается требуемая стабилизация;
• максимальным током, допустимым по мощности и температуре.

Точные границы зависят от серии. Производитель может нормировать напряжение при испытательном токе IZT и приводить отдельный ток возле колена характеристики IZK.

При подключённой нагрузке часть тока резистора течёт в неё, поэтому рабочую точку проверяют при крайних значениях питания и потребления.

Паспортное напряжение VZ задают при определённом испытательном токе IZT. Оно имеет допуск и меняется вместе с током и температурой. Запись «стабилитрон 5,1 В» не означает, что на нём всегда будет ровно 5,1 В.

Изменение напряжения возле рабочей точки предварительно оценивают через динамическое сопротивление:

Чем меньше rd, тем слабее напряжение реагирует на изменение тока. Однако это локальная оценка, а не линейная модель всего диапазона.

Для точного расчёта используют минимальное и максимальное VZ при требуемых токе и температуре. Если в таблице приведено только типовое значение, его нельзя считать гарантированной границей.

Последовательный резистор должен обеспечить ток нагрузки и оставить стабилитрону ток, необходимый для рабочего участка характеристики.

Расчёт выполняют минимум для двух крайних режимов. При минимальном VS и максимальном IL ток стабилитрона не должен опускаться ниже выбранного рабочего значения. При максимальном VS и минимальном IL ток и мощность не должны превышать допустимые.

Мощность стабилитрона и резистора:

Номинал резистора выбирают из стандартного ряда, после чего оба крайних режима пересчитывают повторно. Допуск резистора, разброс VZ и температура изменяют фактический ток.

Если нагрузка может полностью отключаться, весь ток резистора проходит через стабилитрон. Этот режим часто задаёт максимальную мощность. При большом диапазоне входного напряжения потери параметрического стабилизатора могут стать неприемлемыми.

Подробные расчётные схемы находятся на странице «Расчёт диодных цепей».

Напряжение стабилитрона изменяется с температурой перехода. Знак и величина температурного коэффициента зависят от напряжения и соотношения механизмов пробоя. Для некоторых номиналов коэффициент ближе к нулю, но точное поведение определяют по даташиту конкретной серии.

Температурное изменение предварительно оценивают так:

αVZ – температурный коэффициент, ΔT – изменение температуры. Нужно проверить единицы: производитель может указывать коэффициент в %/°C либо мВ/°C.

Общая погрешность складывается из начального допуска VZ, изменения тока через динамическое сопротивление, температурного дрейфа и самонагрева. Простое сложение предельных отклонений даёт консервативную оценку худшего случая.

Стабилитрон не всегда подходит как точный источник опорного напряжения. Для измерительной схемы могут потребоваться интегральный опорный источник, фильтрация шума и более стабильный ток.

Самонагрев связывает электрический и температурный расчёты. После изменения температуры пересчитывают VZ, ток через резистор и мощность, особенно если требуется высокая точность.

У TVS три напряжения описывают разные участки обратной характеристики. Их нельзя использовать как взаимозаменяемые названия одного номинала.

В нормальном режиме максимальное напряжение линии должно оставаться ниже VRWM с учётом допуска и длительных переходных режимов. Во время помехи TVS входит в пробой, а напряжение растёт от VBR к VC по мере увеличения тока.

Защищаемый компонент видит фактическое VC, дополненное выбросом на паразитной индуктивности соединений. Поэтому сравнивать его абсолютный предел только с VBR опасно.

Ток утечки IR указывают при определённом напряжении и температуре. Для высокоомной сигнальной линии он может быть важен даже без импульса. Ёмкость TVS также влияет на высокоскоростные интерфейсы.

Однонаправленный TVS имеет выраженную рабочую полярность. В прямом направлении он ведёт себя подобно обычному диоду, а в обратном ограничивает напряжение в области пробоя. Его применяют на линиях постоянного питания и сигналах, которые в норме не меняют знак относительно общего провода.

Двунаправленный TVS содержит симметричную защитную структуру и ограничивает импульсы обеих полярностей. Он подходит для переменных, двуполярных и некоторых дифференциальных сигналов, если его рабочее напряжение и ёмкость соответствуют линии.

Выбор полярности не заменяет расчёт напряжения ограничения. Однонаправленный и двунаправленный варианты одной серии могут иметь разные характеристики.

Для многопроводной линии проверяют внутреннюю схему защитной сборки, общий вывод и допустимые токи между каналами. Ошибка топологии способна увеличить ёмкость, нарушить сигнал или направить импульс в соседнюю цепь.

Паспортную импульсную мощность TVS указывают для определённой формы тока, длительности и начальной температуры. Одинаковая пиковая амплитуда при более длинном импульсе передаёт больше энергии и может перегреть переход.

Пиковая мощность:

Энергия импульса:

Для треугольной или экспоненциальной формы нельзя автоматически умножать пик на полную длительность. Используют коэффициент формы или интегрируют осциллограмму.

Графики derating показывают снижение допустимой импульсной мощности с ростом температуры. При повторении помех учитывают среднюю мощность и охлаждение между импульсами. TVS, выдерживающий один лабораторный импульс, может перегреваться при частых воздействиях.

Если энергия источника неизвестна, сначала определяют его сопротивление, индуктивность, длину кабеля и возможную длительность воздействия. Иногда TVS дополняют предохранителем, резистором, дросселем или более мощной первой ступенью.

TVS ограничивает напряжение только в точке своего подключения. Длинная дорожка между входом, защитой и общим проводом обладает паразитной индуктивностью. Быстрое изменение тока создаёт на ней дополнительный выброс:

Поэтому TVS размещают возле защищаемого разъёма, а путь импульсного тока делают коротким и широким. Отвод к общей точке не должен проходить через чувствительную часть схемы.

Защитный ток может достигать большой амплитуды, поэтому учитывают ширину дорожек, переходные отверстия и допустимый ток корпуса. Узкий участок между TVS и землёй повышает напряжение ограничения на плате.

Ёмкость компонента и площадок влияет на высокоскоростной сигнал. Для дифференциальной пары важна симметрия подключения, иначе защита добавляет перекос задержки и импеданса.

Путь возврата импульса не должен проходить через чувствительную землю устройства. Практические схемы собраны в разделе «Диод в цепях защиты».

Режим проверки диодов подтверждает прямой переход однонаправленного компонента, но не измеряет его обратное рабочее напряжение. Нужны регулируемый источник, резистор и ограничение тока.

Напряжение повышают постепенно, контролируя ток. Стабилитрон проверяют возле указанного IZT, а VBR TVS – только при испытательном токе из даташита. Большой импульс IPP обычным источником не воспроизводят.

Порядок контроля:

1. Рассчитать ограничительный резистор и его мощность.
2. Задать минимальное напряжение и аппаратное ограничение тока.
3. Подключить компонент в требуемой полярности.
4. Плавно повышать напряжение, наблюдая за током.
5. Снять показание в нормированной точке.
6. Отключить источник и разрядить цепь.

Утечку измеряют ниже пробоя при заданных VR и температуре, а результат сравнивают с максимальным IR.