Picchi e sovratensioni transitorie hanno vari gradi di impatto sui circuiti elettronici, che vanno da fastidiosi guasti minori a conseguenze catastrofiche che causano danni ai componenti del circuito. Le cause di questi transitori sono diverse, tra cui fulmini, elettricità statica e scariche indotte (Figura 1).
Figura 1. I transitori possono essere causati da fulmini, elettricità statica o scariche indotte, ecc., che possono causare gravi danni alle apparecchiature elettroniche non protette. Fonte immagine: LitInc.)
Transitori come questo possono produrre impulsi con tensioni di picco che vanno da centinaia di volt a decine di migliaia di volt e correnti fino a kiloampere, con una durata da centinaia di nanosecondi a millisecondi.
La miniaturizzazione del circuito integrato e del processore e la riduzione della tensione di alimentazione li rendono più sensibili ai fenomeni transitori elettrici. Ciò è particolarmente vero per i veicoli controllati da più sistemi elettronici, tra cui motore, sterzo, freni, aria condizionata e intrattenimento.
Per proteggere i circuiti sensibili, sono state sviluppate diverse strategie di progettazione, tra cui cablaggio schermato, filtri, soppressione dell'arco e dispositivi di bloccaggio. La schermatura e il filtraggio sono passivi, mentre la soppressione dell'arco e la protezione del morsetto sono attive. I dispositivi di soppressione dell'arco come spinterometri, tubi a scarica di gas e tiristori deviano le correnti transitorie verso terra per proteggere il circuito. Quando il dispositivo di soppressione dell'arco è attivo, l'apparecchiatura protetta non funziona, ma una volta scomparso il transitorio, l'apparecchiatura può funzionare normalmente.
I dispositivi di bloccaggio includono varistore a ossido di metallo (MOV), diodo zener e diodi a valanga di soppressione della tensione transitoria (TVS) che mantengono una tensione costante attraverso l'apparecchiatura protetta variando l'impedenza. Queste tecnologie possono essere utilizzate separatamente o simultaneamente. Il diodo TVS è ampiamente utilizzato come dispositivo di bloccaggio grazie alla sua risposta rapida e alla grande dissipazione di potenza.
Diodo di soppressione della tensione transitoria
Il diodo TVS è un diodo a valanga utilizzato come dispositivo di bloccaggio. Quando la tensione applicata supera la tensione di rottura a valanga, interrompe la corrente eccessiva e mantiene o blocca la tensione a un potenziale costante. Quando la tensione applicata è inferiore al valore di guasto, si ripristinerà automaticamente.
I diodi TVS possono essere utilizzati come dispositivi unidirezionali per prevenire transitori di dispositivi unipolari o bidirezionali per prevenire transitori di entrambe le polarità (Figura 2). I dispositivi bidirezionali possono essere simmetrici, vincolati a qualsiasi polarità di tensione con la stessa ampiezza, oppure asimmetrici, vincolati a diversi livelli di tensione a seconda della polarità del transitorio.
Figura 2: Le caratteristiche di rottura corrente-tensione dei tre dispositivi TVS e i loro simboli schematici. Fonte immagine: LitInc.)
Il principio di funzionamento del diodo TVS unidirezionale è simile a quello del diodo semplice. È acceso quando viene applicata la polarizzazione diretta e non quando viene applicata la polarizzazione inversa finché non viene superata la tensione di rottura (VBR) del diodo. Quando la tensione applicata supera VBR, il diodo viene acceso e la tensione su entrambe le estremità viene mantenuta alla tensione di serraggio (VC). La potenza massima che questo diodo può dissipare è la corrente di impulso di picco (IPP) x VC.
I diodi TVS a due vie equivalgono a due diodi uno dopo l'altro. Quando la tensione di rottura (VBR) non viene superata in nessuna delle due direzioni, scorre solo una piccola corrente di dispersione inversa (IR). Questa operazione è simmetrica perché le ampiezze della tensione di rottura sono le stesse per entrambe le condizioni di polarizzazione.
I diodi TVS asimmetrici si comportano in modo simile ai dispositivi bidirezionali, ma le tensioni di rottura (VBR1 e VBR2) sono diverse.
Diodo TVS asimmetrico
Potresti voler sapere perché sono necessari diodi TVS asimmetrici. Questi componenti sono progettati per proteggere i gate driver sui MOSFET al carburo di silicio (SiC). A causa dell'elevata velocità di commutazione del SiC, queste unità sono vulnerabili ai danni dovuti a transitori di sovratensione. Diamo un'occhiata al MOSFET SiC o inverter di trazione per la ricarica a bordo (Figura 3).