ارتفاعات الجهد الكهربي العابرة لها درجات متفاوتة من التأثير على الدوائر الإلكترونية، بدءًا من الأخطاء البسيطة المزعجة إلى العواقب الكارثية التي تسبب ضررًا لمكونات الدائرة. أسباب هذه العابرين متنوعة، بما في ذلك البرق، والكهرباء الساكنة، والتفريغ المستحث (الشكل 1).
الشكل 1. قد تحدث حالات عابرة بسبب البرق أو الكهرباء الساكنة أو التفريغ المستحث، وما إلى ذلك، مما قد يتسبب في أضرار جسيمة للمعدات الإلكترونية غير المحمية. مصدر الصورة: ليتنك.)
يمكن أن تنتج مثل هذه العناصر العابرة نبضات ذات جهد ذروة يتراوح بين مئات الفولتات وعشرات الآلاف من الفولتات، وتيارات تصل إلى كيلو أمبير، وتدوم من مئات النانو ثانية إلى المللي ثانية.
إن تصغير IC والمعالج وتقليل جهد الإمداد يجعلهما أكثر حساسية للظواهر الكهربائية العابرة. وينطبق هذا بشكل خاص على المركبات التي يتم التحكم فيها بواسطة أنظمة إلكترونية متعددة، بما في ذلك المحرك والتوجيه والمكابح وتكييف الهواء والترفيه.
لحماية الدوائر الحساسة، تم تطوير مجموعة متنوعة من استراتيجيات التصميم، بما في ذلك الأسلاك المحمية، والمرشحات، وقمع القوس، وأجهزة التثبيت. يعتبر التدريع والترشيح سلبيين، بينما يكون قمع القوس وحماية المشبك نشطين. تعمل أجهزة إخماد القوس الكهربائي مثل فجوات الشرارة وأنابيب تفريغ الغاز والثايرستور على تحويل التيارات العابرة إلى الأرض لحماية الدائرة. عندما يكون جهاز منع القوس الكهربائي نشطًا، فإن المعدات المحمية لا تعمل، ولكن بمجرد اختفاء العابر، يمكن للمعدات العمل بشكل طبيعي.
تشتمل أجهزة التثبيت على مكثف أكسيد معدني (MOV)، وصمام ثنائي زينر، وثنائيات قمع الجهد العابر (TVS) التي تحافظ على جهد ثابت عبر المعدات المحمية عن طريق تغيير المعاوقة. ويمكن استخدام هذه التقنيات بشكل منفصل أو في وقت واحد. يستخدم الصمام الثنائي TVS على نطاق واسع كجهاز تثبيت نظرًا لاستجابته السريعة وتبديد الطاقة الكبير.
صمام ثنائي لقمع الجهد العابر
الصمام الثنائي TVS هو صمام ثنائي انهيار جليدي يستخدم كجهاز تثبيت. عندما يتجاوز الجهد المطبق جهد الانهيار الجليدي، فإنه يتخلص من التيار الزائد ويحمل أو يثبت الجهد عند جهد ثابت. عندما يكون الجهد المطبق أقل من قيمة الانهيار، سيتم إعادة ضبطه تلقائيًا.
يمكن استخدام الثنائيات TVS كأجهزة أحادية الاتجاه لمنع عابري الأجهزة أحادية القطب أو ثنائية الاتجاه لمنع عابري أي من القطبية (الشكل 2). يمكن أن تكون الأجهزة ثنائية الاتجاه متماثلة، ومثبتة على أي جهد قطبي بنفس السعة، أو غير متماثلة، ومثبتة على مستويات جهد مختلفة وفقًا لقطبية العابر.
الشكل 2: خصائص انهيار الجهد الحالي لأجهزة TVS الثلاثة ورموزها التخطيطية. مصدر الصورة: ليتنك.)
مبدأ عمل الصمام الثنائي TVS أحادي الاتجاه يشبه مبدأ الصمام الثنائي البسيط. يتم تشغيله عند تطبيق التحيز الأمامي وليس عند تطبيق التحيز العكسي حتى يتم تجاوز جهد الانهيار (VBR) للصمام الثنائي. عندما يتجاوز الجهد المطبق VBR، يتم تشغيل الصمام الثنائي ويتم الحفاظ على الجهد عند كلا الطرفين عند جهد المشبك (VC). الحد الأقصى للطاقة التي يمكن أن يتبددها هذا الصمام الثنائي هو ذروة تيار النبض (IPP) × VC.
الثنائيات TVS ثنائية الاتجاه تعادل اثنين من الثنائيات المتتالية. عندما لا يتم تجاوز جهد الانهيار (VBR) في أي من الاتجاهين، يتدفق فقط تيار تسرب عكسي صغير (IR). هذه العملية متناظرة لأن سعات جهد الانهيار هي نفسها لكلا ظروف التحيز.
تتصرف ثنائيات TVS غير المتماثلة بشكل مشابه للأجهزة ثنائية الاتجاه، لكن جهود الانهيار (VBR1 وVBR2) مختلفة.
الصمام الثنائي TVS غير المتماثل
قد ترغب في معرفة سبب الحاجة إلى الثنائيات TVS غير المتماثلة. تم تصميم هذه المكونات لحماية محركات البوابة على الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) من كربيد السيليكون (SiC). نظرًا لسرعة التبديل السريعة لـ SiC، تكون محركات الأقراص هذه عرضة للتلف بسبب انتقال الجهد الزائد. دعونا نلقي نظرة على SiC MOSFET أو عاكس الجر للشحن على متن الطائرة (الشكل 3).