Na era de rápido desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, é crucial proteger os circuitos contra impactos de tensão transitória. Os diodos TVS (supressor de tensão transitória), como dispositivo chave de proteção de circuito, desempenham um papel insubstituível. Este artigo irá elaborar de forma abrangente a definição, características, princípio de funcionamento, aplicação, seleção, diferenças dos diodos Zener e métodos de teste deDiodos TVS. https://www.sic-components.com/tvs-diodes
O que é umDiodo TVS?
Principais características dos diodos TVS
Resposta rápida: Diodos TVSpode responder a tensões transitórias em um tempo extremamente curto (geralmente na faixa de picossegundos a nanossegundos), transitando rapidamente de um estado de alta impedância para um estado de baixa impedância e desviando prontamente a sobretensão para o terra, fornecendo proteção rápida para o circuito.
Alta capacidade de absorção de surtos:Ele pode suportar potência transitória de até vários quilowatts, absorver uma grande quantidade de energia, suprimir efetivamente sobretensões e garantir a operação normal do circuito em ambientes de tensão severa.
Baixa corrente de fuga:Sob tensão normal de operação, o diodo TVS está em um estado de alta impedância, com apenas uma pequena corrente de fuga passando, o que quase não tem impacto na operação normal do circuito e garante a estabilidade e as características de baixo consumo de energia do circuito.
Ampla faixa de tensão:Possui várias especificações de tensão de ruptura e tensão de fixação, que podem ser aplicadas aos requisitos de proteção de circuitos de diferentes níveis de tensão, abrangendo desde dispositivos eletrônicos de consumo de baixa tensão até cenários de aplicação industrial de alta tensão.
Tipos de diodos TVS
Diodos TVS unidirecionais:A função de um diodo TVS unidirecional no circuito é semelhante à de um diodo retificador. Quando é condutor direto, é como um diodo comum, e quando a tensão reversa atinge a tensão de ruptura, ele entrará rapidamente no estado de ruptura de avalanche e fixará a tensão transitória. É comumente usado em circuitos de fonte de alimentação CC, linhas de sinal unipolares, etc., para proteger o circuito contra sobretensões diretas e tensões transitórias reversas.
Diodos TVS bidirecionais: Um diodo TVS bidirecionalpode ser equivalente a dois diodos TVS unidirecionais conectados costas com costas. Ele pode proteger contra tensões transitórias nas direções positivas e negativas. É adequado para circuitos CA, linhas de sinal bidirecionais e cenários onde é necessária proteção contra surtos em tensões positivas e negativas, como linhas de dados e interfaces de comunicação. Comparado com diodos TVS unidirecionais, seus cenários de aplicação são mais extensos e flexíveis.
Princípio de funcionamento dos diodos TVS
Aplicações típicas de diodos TVS
Proteção do Circuito de Potência:Nas extremidades de entrada e saída da fonte de alimentação, os diodos TVS podem efetivamente suprimir surtos de tensão da rede elétrica, picos transitórios gerados por interruptores de energia, etc., proteger o módulo de potência e vários dispositivos eletrônicos conectados à fonte de alimentação e garantir a operação estável do sistema de energia.
Proteção da interface de comunicação:Em circuitos de interface de comunicação como USB, Ethernet e RS-232, os diodos TVS podem proteger contra tensões transitórias causadas por descarga eletrostática, interferência eletromagnética (EMI), etc., garantir a precisão e confiabilidade da transmissão de dados e evitar que os chips de interface sejam danificados devido a sobretensões.
Sistemas Eletrônicos Automotivos:Durante a operação de automóveis, o sistema elétrico enfrentará diversas interferências de tensão complexas, como tensões transitórias geradas pela ignição do motor e comutação de carga. Os diodos TVS são amplamente utilizados nos circuitos de unidades de controle eletrônico automotivo (ECUs), sensores, dispositivos de comunicação em veículos, etc., para proteger esses principais componentes eletrônicos contra impactos de tensão e melhorar a estabilidade e confiabilidade dos sistemas eletrônicos automotivos.
Equipamentos de automação industrial:Em ambientes industriais, fatores como interferência eletromagnética e descargas atmosféricas são suscetíveis de causar fenômenos de sobretensão nos circuitos dos equipamentos. Os diodos TVS são utilizados em circuitos de controle, interfaces de sensores, circuitos de acionamento de motores, etc., de equipamentos de automação industrial, o que pode aumentar a capacidade anti-interferência dos equipamentos e garantir a continuidade e segurança da produção industrial.
Considerações para a seleção de diodos TVS
Tensão de ruptura (VBR):A tensão de ruptura do diodo TVS deve ser selecionada de acordo com a tensão normal de operação do circuito para garantir que ele não conduza durante a operação normal e possa responder em tempo hábil quando ocorrer uma sobretensão. Geralmente, o VBR deve ser ligeiramente superior à tensão máxima normal de operação do circuito, deixando uma certa margem de segurança.
Tensão de fixação (VCL):A tensão de fixação é o nível no qual o diodo TVS limita a tensão quando suporta corrente transitória. Quanto menor for este valor, melhor será o efeito de proteção do circuito protegido. Ao selecionar, é necessário garantir que o VCL seja inferior à tensão máxima suportável do componente protegido para proteger eficazmente o circuito.
Potência de pulso de pico (PPM): De acordo com a energia da possível tensão transitória, selecione um diodo TVS com potência de pulso de pico suficiente para garantir que ele possa absorver energia transitória sem ser danificado. O PPM deve ser maior que a potência máxima que a tensão transitória pode gerar.
Formulário de pacote:Os diodos TVS têm vários formatos de embalagem, como pacote de montagem em superfície (SOT, SMD, etc.) e pacote de furo passante (DO-41, DO-15, etc.). A seleção do formato da embalagem precisa considerar fatores como o layout da placa de circuito, o método de instalação e os requisitos de dissipação de calor.
Tempo de resposta: Para circuitos com altos requisitos de velocidade de resposta a tensões transitórias, um diodo TVS com um tempo de resposta curto deve ser selecionado para garantir que ele possa desempenhar um papel protetor em tempo hábil quando ocorrer uma tensão transitória.
Diferenças entre diodos TVS e diodos Zener (ZD)
Finalidade da aplicação:Os diodos Zener são usados principalmente para regulação de tensão, usando suas características de tensão estável para fornecer uma tensão de referência constante para o circuito dentro de uma faixa de corrente baixa (geralmente 5mA - 40mA). Em contraste, os diodos TVS são usados principalmente para proteção contra sobretensão, conduzindo rapidamente para absorver energia quando ocorre uma sobretensão transitória no circuito para proteger o circuito.
Parâmetros de tensão:Os diodos Zener concentram-se na tensão Zener (VZ), que permanece relativamente estável dentro da faixa de baixa corrente especificada. Os diodos TVS possuem dois parâmetros importantes, a tensão de stand-off reversa (VRWM) e a tensão de ruptura (VBR). O VRWM é a tensão que não causa ruptura durante a operação normal, e o VBR é a tensão na qual inicia a condução para proteção. Além disso, sua tensão de fixação (VCL) é utilizada para limitar o nível de sobretensão.
Capacidade de manuseio atual:Os diodos Zener geralmente não são adequados para situações de grandes correntes e funcionam principalmente em circuitos de pequenos sinais. Os diodos TVS podem suportar grandes correntes transitórias, geralmente capazes de lidar com correntes na faixa de vários amperes a dezenas de amperes para lidar com a absorção de energia durante transientes de sobretensão.
Qual é a diferença entre os diodos TVS e Schottky?
Função: Os diodos Schottky são usados principalmente pararetificação com baixa queda de tensão direta (por exemplo, 0,2 V - 0,4 V), alta velocidade de comutação e são adequados para aplicações de alta frequência. Os diodos TVS são para proteção de tensão transitória, fixação de sobretensões e proteção de circuitos contra surtos de tensão.
Tratamento de tensão e corrente: Os diodos Schottky são classificados para correntes e tensões diretas e reversas específicas em condições normais de operação. Os diodos TVS são projetados para lidar com grandes correntes transitórias durante eventos de sobretensão e possuem classificações específicas de tensão de ruptura e fixação para fins de proteção.
Princípio de funcionamento: Os diodos Schottky operam com base na barreira Schottky entre o metal e o semicondutor. Os diodos TVS operam com base no princípio de quebra de avalanche ou quebra de Zener para proteção contra sobretensões.
Guia de teste abrangente para diodos TVS
Teste de tensão de ruptura
Equipamento de teste: São necessários uma fonte de alimentação CC, um resistor limitador de corrente, um voltímetro e um amperímetro.
Etapas de teste: Conecte o diodo TVS em série com o resistor limitador de corrente à fonte de alimentação CC, aumente gradualmente a tensão da fonte de alimentação e monitore a tensão no diodo TVS com um voltímetro e a corrente com um amperímetro. Quando a corrente aumenta repentinamente, a tensão neste momento é a tensão de ruptura (VBR). Registre esse valor e compare-o com a especificação do dispositivo para determinar se ele atende aos requisitos.
Teste de tensão de fixação
Equipamento de teste: Um gerador de pulsos, um osciloscópio e um resistor de carga.
Etapas de teste:Use o gerador de pulsos para gerar pulsos de tensão transitórios simulados e aplique-os ao circuito conectado ao diodo TVS e ao resistor de carga. Observe a forma de onda da tensão no diodo TVS através do osciloscópio. O valor de tensão mais alto quando o diodo TVS conduz sob a ação do pulso é a tensão de fixação (VCL). Verifique se este valor está dentro do intervalo especificado.
Testando com um multímetro
Configurando o multímetro:Defina o multímetro para o modo de teste de diodo.
Julgamento e teste de polaridade:Determine o ânodo e o cátodo de acordo com a identificação do diodo TVS. Conecte a ponta de prova vermelha do multímetro ao ânodo e a ponta de prova preta ao cátodo. Se o diodo estiver normal, o multímetro deverá exibir uma certa queda de tensão direta (cerca de 0,7 V para diodos TVS de silício) e alguns multímetros emitirão um bipe. Em seguida, troque as pontas de prova e meça a resistência reversa. Em circunstâncias normais, um estado de alta resistência (infinito ou próximo do infinito) deve ser exibido. Se os resultados da medição não atenderem às condições acima, isso indica que o diodo TVS pode estar com defeito.
Sinais de algo ruimDiodo TVS
Curto-circuito:Se o diodo TVS mostrar um estado de baixa resistência durante as medições direta e reversa e a corrente puder passar livremente, isso indica um curto-circuito e a perda de sua função de proteção.
Circuito aberto:Se a alta resistência for exibida durante as medições direta e reversa e nenhuma corrente passar, isso indica que o diodo TVS está em circuito aberto e incapaz de proteger o circuito.
Degradação de desempenho:Durante o processo de teste, se parâmetros como tensão de ruptura e tensão de fixação se desviarem da faixa especificada na especificação, ou se a corrente de fuga aumentar significativamente, isso indica que o desempenho do diodo TVS foi degradado e pode não ser capaz de proteger eficazmente o circuito, e precisa ser substituído em tempo hábil.
SICpossui uma grande quantidade de diodos TVS completos e de alta qualidade (https://www.sic-components.com/tvs-diodes), que podem atender totalmente aos requisitos de proteção de diversos circuitos. Seus produtos abrangem uma variedade de tipos, desde modelos de baixa tensão adequados para circuitos de baixa tensão até especificações de alta tensão capazes de lidar com ambientes de alta tensão e tudo mais. Em termos de potência, quer seja para cenários de aplicação de pequena potência ou circuitos de alta potência que necessitam de suportar elevada potência de impulso, os Diodos TVS da SIC podem fornecer uma proteção fiável. Esses diodos TVS adotam processos de fabricação avançados e têm a característica de resposta rápida, permitindo-lhes reagir instantaneamente a transientes de tensão, fixar a tensão em um nível seguro e proteger eficazmente componentes eletrônicos sensíveis. Com seu excelente desempenho e rica linha de produtos, os Diodos TVS da SIC tornam-se a escolha ideal para garantir a operação estável de circuitos em diversos setores.
Controle de Qualidade Geral:
1.Qual é a diferença entre TVS e diodos normais?
Função: Diodos normais, como diodos retificadores, são para retificação, regulação de tensão em alguns casos e processamento de sinal. Os diodos TVS são especificamente para proteção de tensão transitória, reagindo a eventos de sobretensão e fixando a tensão para proteger o circuito.
Tratamento de tensão: Os diodos normais têm uma queda de tensão direta específica (por exemplo, cerca de 0,7 V para diodos de silício) e são classificados para determinadas tensões diretas e reversas. Os diodos TVS são projetados para lidar com altas tensões e correntes transitórias durante eventos de sobretensão, com tensões de ruptura e tensões de fixação especificadas.
Tempo de resposta: os diodos TVS respondem rapidamente (na ordem de picossegundos a nanossegundos) a eventos transitórios, enquanto os diodos normais têm uma resposta relativamente mais lenta.
2. Onde os diodos TVS são usados?
Os diodos TVS são usados em vários circuitos, incluindo circuitos de fonte de alimentação para proteção contra surtos e picos; interfaces de comunicação como USB, Ethernet e RS-232 para proteção contra tensões transitórias induzidas por ESD e EMI; eletrônica automotiva em ECUs, sensores e sistemas de comunicação em veículos; automação industrial em circuitos de controle, circuitos de acionamento de motores e interfaces de sensores; e eletrônicos de consumo, como smartphones, tablets e laptops, para proteger os circuitos internos contra flutuações de tensão.
3. Por que não usar o diodo Schottky para proteção de tensão transitória?
Os diodos Schottky são principalmente para retificação, apresentando baixa queda de tensão direta e alta velocidade de comutação. Eles não foram projetados para lidar com altas tensões e correntes transitórias associadas a surtos e ESD. Eles não têm a capacidade de fixar sobretensões transitórias, que é a principal função dos diodos TVS, portanto, em muitos casos, não são adequados para proteção de tensão transitória.
4. Como os diodos TVS são medidos?
Parâmetros elétricos: Parâmetros como tensão de ruptura (VBR), tensão de fixação (VCL), potência de pulso de pico (PPM) e corrente de fuga são medidos. A tensão de ruptura é medida aumentando gradualmente a tensão através do diodo até que ele quebre. A tensão de fixação é medida durante a aplicação de um pulso de tensão transitório, observando a tensão através do diodo durante a condução. A potência de pulso de pico está relacionada à capacidade de manipulação de energia, e a corrente de fuga é medida sob condições normais de tensão operacional.
Desempenho em circuitos: O desempenho dos diodos TVS em um circuito pode ser avaliado simulando eventos de tensão transitórios (por exemplo, usando um gerador de pulsos para gerar surtos) e observando como o diodo TVS protege o circuito, verificando se os componentes protegidos estão protegidos contra danos.
5. O que causa a falha dos diodos TVS?
Tensão ou corrente excessiva: Se a tensão ou corrente transitória exceder os valores nominais do diodo TVS, poderá causar danos, como queima ou curto-circuito.
Superaquecimento: A operação contínua sob condições de alta corrente ou alta potência pode causar superaquecimento, levando à degradação do desempenho e, eventualmente, à falha.
Envelhecimento: Com o tempo, o desempenho dos diodos TVS pode degradar devido aos efeitos do envelhecimento, como alterações na tensão de ruptura e na tensão de fixação.
Estresse elétrico: A exposição repetida a eventos transitórios pode causar danos cumulativos, reduzindo gradualmente sua vida útil e capacidade de proteção.
6. O que acontece se um diodo tiver muita corrente?
Superaquecimento: Corrente excessiva pode fazer com que o diodo gere uma grande quantidade de calor, levando potencialmente a danos térmicos, como derretimento de componentes internos ou degradação do material semicondutor.
Avaria: No caso dos diodos TVS, se a corrente exceder o valor nominal durante um evento transitório, pode causar uma quebra anormal, podendo levar a um curto - circuito ou falha do diodo.
Degradação de desempenho: Para diodos normais usados em retificação ou outras aplicações, a corrente excessiva pode afetar suas características de queda de tensão direta e corrente de fuga reversa, degradando seu desempenho ao longo do tempo.
7. Como escolher um diodo TVS?
Tensão de ruptura: Selecione um diodo TVS com tensão de ruptura ligeiramente superior à tensão máxima normal de operação do circuito.
Tensão de fixação: A tensão de fixação deve ser inferior à tensão máxima suportável dos componentes protegidos.
Potência de pulso de pico: Com base na energia transitória esperada no circuito, escolha um diodo TVS com potência de pulso de pico suficiente.
Tempo de resposta: Para circuitos com altos requisitos de velocidade de resposta a tensões transitórias, escolha um diodo TVS com tempo de resposta curto.
Formulário do pacote: Considere o layout da placa de circuito, o método de instalação e os requisitos de dissipação de calor ao escolher o formato do pacote.
8. Quais são as vantagens dos diodos TVS?
Resposta rápida: Os diodos TVS podem responder rapidamente a eventos de tensão transitória, normalmente na faixa de picossegundos a nanossegundos, fornecendo proteção imediata ao circuito.
Alta absorção de surtos: Eles podem absorver uma grande quantidade de energia transitória, com altas classificações de potência de pulso de pico, protegendo componentes sensíveis contra danos causados por picos de tensão.
Baixa corrente de fuga: Em condições normais de operação, os diodos TVS apresentam uma corrente de fuga muito baixa, minimizando o impacto no funcionamento normal do circuito e ajudando a manter o baixo consumo de energia.
Ampla faixa de tensão: disponíveis em uma variedade de especificações de tensão de ruptura e tensão de fixação, os diodos TVS podem ser usados em diferentes circuitos de nível de tensão.
Proteção confiável: Eles oferecem proteção confiável contra várias fontes de tensão transitórias, como ESD, quedas de raios e flutuações na fonte de alimentação, aumentando a confiabilidade geral do sistema eletrônico.
9. Qual a diferença entre varistor e diodo TVS?
Princípio de operação: Os varistores operam com base na mudança de resistência com a tensão. Os diodos TVS operam com base na quebra de avalanche ou no princípio de quebra Zener dos semicondutores.
Tempo de resposta: Os diodos TVS geralmente têm um tempo de resposta mais rápido (picossegundos a nanossegundos) em comparação aos varistores, que podem ter um tempo de resposta na faixa de microssegundos.
Tratamento de tensão e corrente: Os varistores podem lidar com correntes transitórias relativamente grandes, mas suas características de tensão de fixação podem não ser tão precisas quanto as dos diodos TVS. Os diodos TVS são projetados para fixar a tensão em um nível específico durante eventos de sobretensão.
Cenários de aplicação: Os varistores são frequentemente usados em circuitos de fonte de alimentação para proteção geral contra sobretensão. Os diodos TVS são mais adequados para proteger componentes eletrônicos sensíveis em interfaces de comunicação, circuitos de controle e outras aplicações onde são necessárias fixação precisa de tensão e resposta rápida.
10. É possível colocar diodos TVS em série?
Sim, os diodos TVS podem ser colocados em série. Isto é útil em aplicações onde é necessária uma tensão de ruptura mais alta, pois a tensão de ruptura total da combinação em série é a soma da tensão de ruptura.
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