Диоды TRANSIL, TVS и TRISIL

В последние годы за рубежом для защиты дорогостоящего оборудования все чаще применяют быстродействующие TRANSIL-, TRISIL- и TVS-диоды (встречаются и другие названия этих элементов). Несмотря на разные названия, это один класс приборов — сапрессоров, имеющих небольшое различие в характеристиках и, соответственно, областях применения. Эти элементы были специально разработаны для подавления перенапряжения, возникающего при переходных процессах, и, в отличие от варисторов, у таких диодов время срабатывания составляет несколько пикосекунд, а вносимая в схему емкость чуть меньше или соизмерима с имеющейся у варисторов. Так же как имеется разнообразие названий аналогичных элементов, за рубежом у сапрессоров можно встретить разные условные графические обозначения на электрических принципиальных схемах (примеры обозначений даны на графиках с характеристиками).

Основной областью применения сапрессоров является защита от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защита мощных транзисторов, тиристоров и устройств, питающихся от сети. К их достоинствам можно отнести:

+ самое высокое быстродействие, по сравнению со всеми другими элементами защиты;

+ наличие низких уровней напряжения ограничения;

+ широкий диапазон рабочих напряжений;

+  высокая долговечность и надежность;

+ малые габариты.

К сожалению, отечественная промышленность пока не выпускает аналогов таких элементов. Рассмотрим более подробно эти компоненты, такая информация нам пригодится в дальнейшем.

TRANSIL-диоды (в наименовании используется часть, происходящая от английского слова Transient — переходный) изготавливаются как в однонаправленном, так и в двунаправленном исполнениях.

Рабочая характеристика однонаправленных диодов (рис. 1.6) очень похожа на имеющуюся у стабилитрона (у них, как и у стабилитронов, используется обратный участок вольт-амперной характеристики). Принцип работы у него такой же, только быстродействие намного выше.

Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика защитного TRANSIL-диода

А для того чтобы исключить повреждение элемента слишком большим током, разработчики рекомендуют в цепи последовательно с ним устанавливать резистор величиной 1...10 Ом (если других ограничений для тока нет). Величина этого  резистора определяется из условия

где Umax — максимально возможная амплитуда импульса на входе;

Ірр— максимальный допустимый ток диода.

Однонаправленное исполнение сапрессоров применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы данного вида должны включаться в цепь с учетом полярности.

Двунаправленные диоды TRANSIL предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей, характеристика такого диода показана на рис. 1.7. Если двунаправленный TRANSIL-диод приобрести не удается, то он может быть получен (составлен) из двух однонаправленных, путем их встречного последовательного включения.

Свойства TRANSIL диодов описываются следующими параметрами (в скобках указаны иногда встречающиеся обозначения, применяемые разными производителями):

Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика симметричного TRANSIL-диода

Urm (UWm) — максимальное постоянное рабочее напряжение, при котором диод закрыт;

Ubr — напряжение пробоя, при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость роста тока превышает скорость увеличения напряжения (обычно указывается для температуры 25 °С);

Uc (Ucl) — максимальное напряжение фиксации для максимальной амплитуды импульса пикового тока Іpp;

Ірр (Іррм) — максимальный допустимый импульсный ток в рабочем режиме (пиковый ток);

Irm (Id) — ток утечки при фиксированном напряжении закрытого состояния URM;

Uf — напряжение в прямом направлении, аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В (параметр для однополярных диодов);

Рррм — максимально допустимая пиковая мощность, рассеиваемая прибором, при заданных: форме и длительности импульса при температуре окружающей среды не более 25 °С;

С — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение немного уменьшается и зависит от приложенного напряжения.

Много фирм выпускает большое разнообразие защитных диодов, рассчитанных на различные напряжения, при этом используется небольшой шаг номинальных значений. В качестве примера в табл. 1.4 включены основные параметры некоторых типов применяемых диодов (весь перечень номиналов и более полную информацию можно получить в фирмах, торгующих этими деталями, или в Интернете на сайте производителя).

Таблица 1.4. Параметры TRANSIL-диодов фирмы SGS-Thomson

Тип диода	Краткое описание	Мощность Рррм, Вт	Urm при IrM, В	UcL при Ірр, в	Тип корпуса
SMLVT3V3	обычный	600	3,3	7,3	SMB
SM5908	обычный	1500	5	7,6	SMC
SM6T15A	обычный	600	12,8	21,2	SMB
SM6T15CA	симметричный	600	12,8	21,2	SMB
SM6T18A	обычный	600	15,3	25,2	SMB
SM6T18CA	симметричный	600	15,3	25,2	SMB
SM15T27A	обычный	1500	23,1	37,5	SMC
SM15T33A	обычный	1500	28,2	45,7	SMC
SM15T33CA	симметричный	1500	28.2	45,7	SMC

Следующей большой группой сапрессоров являеются TVS-ди-оды. В названии используются начальные буквы от слов Transient Voltage Suppression (фирма General Semiconductor эти диоды называет еще TransZorb). За рубежом TVS-диоды впервые были разработаны в 1968 году фирмой GSI (General Semiconductor Industries) специально для защиты устройств связи от грозовых разрядов. В дальнейшем этой фирмой были созданы TVS-диоды с рабочим напряжением от 6,8 до 200 В и допустимой импульсной мощностью до 1,5 кВт, предназначенные для защиты различного оборудования и радиоаппаратуры [Л 13]. Большинство диодов, выпускаемых под этой торговой маркой, аналогичны по параметрам TRANSIL-диодам, но большая часть из них предназначена для применения в низковольтной радиоаппаратуре.

Для описания характеристик TVS-диодов используют те же параметры, что и для TRANSIL — вольт-амперную характеристику они имеют такую же и работают аналогично. Время срабатывания у несимметричных TVS-диодов менее 1 не, а у симметричных чуть больше. Это позволяет использовать их для защиты различных ра-

диочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

В качестве примера в табл. 1.5 - 1.8 приведены параметры некоторых TVS-диодов разных фирм (наиболее часто используемых). Последние буквы в обозначении указывают на особенности:

А — точность допуска по рабочему напряжению не хуже 5% (если она не стоит, то эти параметры могут находиться в допуске 10%);

С — сдвоенный диод, имеющий симметричную вольт-ампер-ную характеристику.

Сами диоды могут обладать довольно значительной емкостью (см. рис. 1.8), которая зависит от рабочего напряжения. Для ее уменьшения, кроме обычных TVS-диодов, выпускаются и специальные серии, например у фирмы General Semiconductor это:

LCE — на напряжение защиты от 6,5 до 28 В (Рррм = 1500 Вт);

SAC — на напряжение защиты от 5 до 50 В (Рррм = 500 Вт).

Они отличаются тем, что внутри корпуса в цепи имеется последовательно включенный дополнительный диод, рис. 1.9. Это позволяет уменьшить емкость, вносимую в цепь защиты, за счет того, что емкость дополнительного диода {Сд) обычно не более 7 пф и при емкости защитного диода (С), доходящей до 1500 пФ, общая емкость для последовательной цепи в этом случае получается:

Аналогично дополнительный (быстродействующий) диод можно установить и в цепь обычного TVS-диода — в этом случае удастся снизить вносимую в линию емкость до значений менее 30 пф.

Кроме одиночных сапрессоров, выпускается много различных микросборок, где в одном корпусе находится несколько однотипных элементов, соединенных наиболее удобным для монтажа способом.

Диоды, выпускаемые под торговой маркой TRISIL, разработаны фирмой SGS-Thomson в 1983 г. Они предназначены главным образом для защиты от перенапряжений электронного оборудования в области телекоммуникаций.

Диоды TRISIL выпускаются только в двунаправленном исполнении и подключаются параллельно защищаемой цепи. Вольт-ам-перная характеристика TRISIL-диодов напоминает характеристику симметричного динистора, рис. 1.10 (условное обозначение диодов показано на графике).

Таблица 1.5. Защитные TVS-диоды фирмы SGS-Thomson

(рррм = 1500 Вт> корпус D0-2Q1)

Тип		Напряжение пробоя Ubr, В		Тест, ток пробоя Іт, мА	Постоянное обратное непряжение UwM, В	Макс. имп. ток ограничения Ірр, А	Макс. напряжение ограничения при Ірр, Uc, В
одинарный	сдвоенный	Макс.	Мин.
1.5КЕ6.8	1.5КЕ6.8С	6,12	7,48	10	5,5	139	10,8
1.5КЕ6.8А	1.5КЕ6.8СА	6,45	7,14	10	5,8	143	10,5
1.5КЕ12	1.5КЕ12С	10,8	13,2	1	9,72	87	17,3
1.5КЕ12А	1.5КЕ12СА	11,4	12,6	1	10,2	90	16,7
1.5КЕ16	1.5КЕ16С	14,4	17,6	1	12,9	64	23,5
1.5КЕ16А	1.5КЕ16СА	15,2	16,8	1	13,6	67	22,5
1.5КЕ20	1.5КЕ20С	18,0	22,0	1	16,2	51,5	29,1
1.5КЕ20А	1.5КЕ20СА	19,0	21,0	1	17,1	54,0	27,7
1.5КЕ22	1.5КЕ22С	19,8	24,2	1	17,8	47	31,9
1.5КЕ22А	1.5КЕ22СА	20,9	23,1	1	18,8	49	30,6
1.5КЕ24	1.5КЕ24С	21,6	26,4	1	19,4	43	34,7
1.5КЕ24А	1.5КЕ24СА	22,8	25,2	1	20,5	45	33,2
1.5КЕ200	1.5КЕ200С	180	220	1	162	5,2	287
1.5КЕ200А	1.5КЕ200СА	190	210	1	171	5,5	274
1.5КЕ220	1.5КЕ220С	198	242	1	175	4,3	344
1.5КЕ220А	1.5КЕ220СА	209	231	1	185	4,6	328
1.5КЕ250	1.5КЕ250С	225	275	1	202	5,0	360
1.5КЕ250А	1.5КЕ250СА	237	263	1	214	5,0	344
1.5КЕ400	1.5КЕ400С	360	440	1	324	4,0	574
1.5КЕ400А	1.5КЕ400СА	380	420	1	342	4,0	548
1.5КЕ440А	1.5КЕ440СА	418	462	1	376	2,5	602

Таблица 1.6. Защитные TVS-диоды фирмы General Semiconductor

(Рррм = 400 Вт, корпус DO-2Q4)

Тип одинар ный	Напряжение пробоя Ubr, В		к о ѵо о а с	Постоянное обратное напряжение U, В	Макс. имп. ток ограничения Ірр, А	Макс. напряжение ограничения при Ipp, Uc, В
	Макс.	Мин.	Тест, ток Іт, мА
Р4КЕ6.8	6,12	7,48	10	5,5	37,0	10,8
Р4КЕ6.8А	6,45	7,14	10	5,8	38,1	10,5
Р4КЕ12	10,8	13,2	1	9,72	23,1	17,3
Р4КЕ12А	11.4	12,6	1	10,2	24,0	16,7
Р4КЕ16	14,4	17,6	1	12,9	17,0	23,5
Р4КЕ16А	15,2	16,8	1	13,6	17,8	22,5
Р4КЕ20	18,0	22,0	1	16,2	13,7	29,1
Р4КЕ20А	19,0	21,0	1	17,1	14,4	27,7
Р4КЕ22	19,8	24,2	1	17,8	12,5	31,9
Р4КЕ22А	20,9	23,1	1	18,8	13,1	30,6
Р4КЕ24	21,6	26,4	1	19,4	11,5	34,7
Р4КЕ24А	22,8	25,2	1	20,5	12	33,2
Р4КЕ200	180	220	1	162	1,4	287
Р4КЕ200А	190	210	1	171	1,5	274
Р4КЕ220	198	242	1	175	1,2	344
Р4КЕ220А	209	231	1	185	1,2	328
Р4КЕ250	225	275	1	202	1,1	360
Р4КЕ250А	237	263	1	214	1,2	344
Р4КЕ400	360	440	1	324	0,7	574
Р4КЕ400А	380	420	1	342	0,73	548
Р4КЕ440	369	484	1	356	0,63	631
Р4КЕ440А	413	462	1	376	0,66	602
Р4КЕ540	486	594	1	437	0,52	772
Р4КЕ540А	513	567	1	459	0,54	740

Таблица 1.7. Защитные TVS-диоды фирмы Vishay Lite-On (Рррм = 600 Вт, корпус D0-204 — аналогичные производит фирма General Semiconductor)

Тип		Напряжение пробоя Ubr, В		Тест, ток пробоя ІТі мА	Постоянное обратное напряжение Uwm> В	Макс. имп. ток ограничения Ірр, А	Макс. напряжение ограничения при Іррі Ucj В
одинарный	сдвоенный	Макс.	Мин.
Р6КЕ6.8	Р6КЕ6.8С	6,12	7,48	10	5,5	56	10,8
Р6КЕ6.8А	Р6КЕ6.8СА	6,45	7,14	10	5,8	57	10,5
Р6КЕ12	Р6КЕ12С	10,8	13,2	1	9,72	35,0	17,3
Р6КЕ12А	Р6КЕ12СА	11,4	12,6	1	10,2	36,0	16,7
Р6КЕ16	Р6КЕ16С	14,4	17,6	1	12,9	26,0	23,5
Р6КЕ16А	Р6КЕ16СА	15,2	16,8	1	13,6	27,0	22,5
Р6КЕ20	Р6КЕ20С	18,0	22,0	1	16,2	21,0	29,1
Р6КЕ20А	Р6КЕ20СА	19,0	21,0	1	17,1	22,0	27,7
Р6КЕ22	Р6КЕ22С	19,8	24,2	1	17,8	19,0	31,9
Р6КЕ22А	Р6КЕ22СА	20,9	23,1	1	18,8	20,0	30,6
Р6КЕ24	Р6КЕ24С	21,6	26,4	1	19,4	17,0	34,7
Р6КЕ24А	Р6КЕ24СА	22,8	25,2	1	20,5	18,0	33,2
Р6КЕ200	Р6КЕ200С	180	220	1	162	2,1	287
Р6КЕ200А	Р6КЕ200СА	190	210	1	171	2,2	274
Р6КЕ220	Р6КЕ220С	198	242	1	175	1,75	344
Р6КЕ220А	Р6КЕ220СА	209	231	1	185	1,83	328
Р6КЕ250	Р6КЕ250С	225	275	1	202	1,67	360
Р6КЕ250А	Р6КЕ250СА	237	263	1	214	1,75	344
Р6КЕ400	Р6КЕ400С	360	440	1	324	1,05	574
Р6КЕ400А	Р6КЕ400СА	380	420	1	342	1,10	548

Таблица 1.8. Защитные TVS-диоды производимые фирмой General

Semiconductor (Рррм = 1500 Вт, корпус DQ-201)

Тип		Напряжение пробоя Vbr, В		Тест, ток пробоя Іт, мА	Постоянное обратное напряжение Uwm. В	Макс. имп. ток ограничения Ірр, А	Макс. напряжение ограничения при Ірр, Uc, В
одинарный	сдвоенный	Макс.	Мин.
1.5КА6.8	1.5КА6.8С	6,12	7,48	10	5,5	139	10,8
1.5КА6.8А	1.5КА6.8СА	6,45	7,14	10	5,8	143	10,5
1.5КА12	1.5КА12С	10,8	13,2	1	9,72	86,7	17,3
1.5КА12А	1.5КА12СА	11.4	12,6	1	10,2	89,8	16,7
1.5КА16	1.5КА16С	14,4	17,6	1	12,9	63,8	23,5
1.5КА16А	1.5КА16СА	15,2	16,8	1	13,6	66,7	22,5
1.5КА20	1.5КА20С	18,0	22,0	1	16,2	51,5	29,1
1.5КА20А	1.5КА20СА	19,0	21,0	1	17,1	54,2	27,7
1.5КА22	1.5КА22С	19,8	24,2	1	17,8	47	31,9
1.5КА22А	1.5КА22СА	20,9	23,1	1	18,8	49	30,6
1.5КА24	1.5КА24С	21,6	26,4	1	19,4	43,2	34,7
1.5КА24А	1.5КА24СА	22,8	25,2	1	20,5	45,2	33,2
1.5КА43	1.5КА43С	38,7	47,3	1	34,8	24,2	61,9
1.5КА43А	1.5КА43СА	40,9	45,2	1	36,8	25,3	59,3

В рабочем состоянии через диод протекает незначительный ток — он не должен никак влиять на цепь защиты. При превышении напряжения порогового значения (UBr) сопротивление диода скачкообразно изменяется и происходит ограничение напряжения. Работа на этом участке вольт-амперной характеристики (UBr — UBo) сходна с работой двунаправленного диода TRANSIL. При дальнейшем незначительном увеличении напряжения происходит резкое снижение сопротивления до десятков Ом, что практически закорачивает цепь.

Для описания характеристик TRISIL-диодов используют параметры:

Urm (Uwm) — максимальное постоянное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через диод, не вызывает его повреждений (для данного напряжения указывается соответствующий ток в цепи lRM);

Рис. 1.8. Зависимость емкости от рабочего напряжения U„ для диодов серии 1.5КЕ6.8 — 1.5КЕ440СА

Рис. 1.9. Вольт-амперная характеристика TVS-диодов фирмы General Semiconductor из серий LCE и SAC

Ubr — напряжение, при котором происходит резкое увеличение проходящего тока, причем скорость изменения тока выше, чем скорость нарастания напряжения;

Рис. 1.10. Вольт-амперная характеристика TRISIL-диода

Uво — напряжение “опрокидывания”, в этой точке происходит резкое уменьшение внутреннего сопротивления до нескольких Ом (обычно для данного напряжения указывается и ток — ІВо);

Ін — при падении тока ниже данного значения происходит обратное увеличение внутреннего сопротивления диода TRISIL;

Ірр (Іррм) — предельное значение тока для определенной формы импульса, спадающего по экспоненте (обычно- 10/1000 мкс);

Рррм — максимально допустимая импульсная мощность, рассеиваемая прибором, при заданных: форме, скважности, длительности импульса и температуре окружающей среды;

С — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при фиксированном значении приложенного напряжения.

В качестве примера, в табл. 1.9 приведены параметры для некоторых типов TRISIL-диодов, выпускаемых в корпусах для поверхностного монтажа. Более полную информацию можно найти в [Л 14].

В заключение, в качестве недостатков TRANSIL-, TRISIL- и TVS-диодов можно отметить:

+ низкое значение допустимого номинального импульсного тока;

+ узкий диапазон допустимых рабочих температур;

+ меньшую стойкость к перегрузкам, чем у разрядников и варисторов;

+ относительно высокую стоимость.

Таблица 1.9. Параметры TRISIL-диодов фирмы SGS-Thomson

Тип Диода	UbR, В	Іpp, А	UBO max при Іво, В	С при напряжении 1 В, пФ	Тип корпуса
SMP100LC-120	120	100	160	80	SMB
SMP100LC-140	140	100	185	30	SMB
SMP100LC-200	200	100	265	30	SMB
SMP100LC-230	230	100	320	70	SMB
SMP30-220	220	30	293	30	SMA
SMP30-240	240	30	320	30	SMA
SMP30-270	270	30	360	30	SMA
SMP50-100	100	50	133	40	SMA
SMP50-120	120	50 '	160	40	SMA
SMP50-130	130	50	173	35	SMA
SMP50-180	180	50	240	35	SMA
SMP50-200	200	50	267	30	SMA
SMP50-220	220	50	293	30	SMA
SMP50-240	240	50	320	30	SMA

Вид конструктивного исполнения всех типов защитных диодов зависит от области применения, допустимой мощности рассеяния и может быть в корпусах для поверхностного монтажа или же с выводами как у обычных диодов, рис. 1.11.

Примечание. TRANSIL- и TVS-диоды часто путают с кремниевыми стабилитронами, так как обозначение их на схемах похожее, да и принцип работы аналогичен, но такие диоды были специально разработаны для защиты от мощных импульсов перенапряжения, в то время как кремниевые стабилитроны не рассчитаны на работу при значительных импульсных перегрузках. К тому же при выборе защитного диода рекомендуется, чтобы у него напряжение Urm (Uwm ) было на 10 - 20% выше, чем уровень максимальной амплитуды в линии, т. е. в нормальном режиме он не должен входить в режим стабилизации и пропускать через себя больших токов (в идеале — никак не проявлять свое присутствие до момента появления помехи). Если же мощность, выделяемая на сапрессоре, будет ограничена допустимой величиной (например, при Пиковой мощности Рррм = 1500 Вт — средняя мощность для постоянного тока у диода составляет всего Р = 5 Вт), то диоды могут работать и как обычные стабилитроны на постоянном токе, но стоить такой узел будет значительно дороже, чем обычный стабилитрон, т. е. экономически это не целесообразно.

Рис. 1.11. Внешний вид и габариты корпусов TRANSIL-диодов для поверхностного и обычного монтажа

Необходимо также знать и то обстоятельство, что нельзя использовать защит-ные диоды в качестве быстродействующих выпрямительных элементов, поскольку они имеют большой ’остаточный заряд и, соответственно, длительное время восстановления.

Электронные модули

Для замены не очень надежных мощных газоразрядников выпускаются твердотельные защитные устройства, рассчитанные на большие токи. Такие элементы отличаются более высоким быстродействием и надежностью, чем это могут обеспечить разрядники (последнее — во многих случаях является главным). Обычно защитные электронные модули выполняются на TVS-тиристоре со схемой, управляющей порогом срабатывания, или же на основе других специальных элементов, имеющих аналогичный принцип работы.

В последнее время все больше появляется разработок различных защитных модулей и для низковольтных цепей. Так, напри-

Мер, фирма Maxim для защиты USB-портов и USB-хабов выпускает Микросхемы MAX893L, МАХ1693 и МАХ1694, которые являются быстродействующими (1 мкс) ограничителями напряжения и тока. В данном разделе этот довольно большой класс компонентов мы рассматривать не будем из-за их относительно высокой стоимости И ограниченных областей применения.

Литература: Радиолюбителям полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.

1 8709 Диоды и стабилитроны

диод защита