TVS Diyotlar

TVS Diyotlar

Genel Tanım

Yüksek genlikli sinyal gürültüleri, elektromanyetik girişim (EMI), elektrostatik deşarj (ESD) gibi etkenler iletim hattındaki voltaj genliğinin tepe noktasını daha yüksek değerlere taşırlar. Bu dalgalanmalar iletim hattı üzerinde bulunan korunmasız devre elemanlarının normal çalışmalarına zarar vererek en nihayetinde kalıcı hasar almasına neden olabilirler. Bu hasarların önüne geçebilmek için devre tasarımlarında farklı çeşitlerde diyot korumaları kullanılır. Bu diyot çeşitlerinden biri de TVS (Transient Voltage Suppression - Geçici Gerilim Bastırma) diyotlardır. Sembolleri Şekil 1 ‘de gösterilmiştir.

Şekil 1: (A) Tek Yönlü TVS Diyot Sembolü,  (B) Çift Yönlü TVS Diyot Sembolü

Korunma Seçenekleri

Şekil 2, gerilim dalgalanmasına karşı koruma sağlayan diyot çeşitlerinin şematik bir temsilini göstermektedir. Bu şemalardan her biri dalgalanmaları bastırmak için kullanılabilir. Ancak her seçenek birbirinden farklı koruma özellikleri sunar.    

Şekil 2: (A) Tek Yönlü TVS Diyotları, (B) Çift Yönlü TVS ve Dizi Diyotları, (C) Çift Yönlü TVS Diyotları, (D)  Tek Yönlü TVS ve Schottky Diyotları ile Korunan Sistemlerin ve Line1,2 (Dijital/Analog Veri, Anahtarlama, Enerji Kaynağı) Hatlarının Temsili Gösterimi.

TVS Diyotları

TVS Diyotları, güç hatlarında veya veri hatlarında meydana gelebilecek dalgalanmalara karşı bağışıklık gerektiren ve ESD koruması gerektiren uygulamalar için ideal olan devre elemanlarıdır. Bu diyotlar, dalgalanan voltajı güvenli bir seviyeye tutundurarak koruma sağlar. Dalgalanan enerjiyi doğrudan yönlendirmek ve “Clamping Voltage” seviyesini sabit olarak korumak için değişken bir empedans olarak işlev görür.

TVS diyotlarının V/I karakteristik eğrisi, zener diyotlarına benzer olsa da zener diyotlar, voltaj regülasyonu için tasarlanmışken TVS diyotları özel olarak geçici gerilim dalgalanmalarını bastırmak için tasarlanmıştır. Diğer bir deyiş ile TVS diyotları, iletim hattına bağlı diğer devre elemanlarını, geçici voltaj dalgalanmalarının zararlı etkilerinden korumak için özel olarak tasarlanmaktadır.

TVS diyotları paralel koruma elemanları olarak işlev görür (Şekil 3). Normal çalışma koşullarında, TVS diyot ile korunan devreye yüksek bir empedans sunar. İdeal olmamasından dolayı az miktarda kaçak akım geçirmesine rağmen açık devre olarak görünür. Korunan devrenin normal çalışma voltajı aşıldığında, TVS diyot geçici akım için düşük empedans iletim hattı sağlar. Sonuç olarak, geçici akım, korunan devreden uzağa (Enerji Kaynağına ve ya enerjinin tüketilebileceği yüklere) yönlendirilir.  Korunan devredeki voltaj seviyesi ise, TVS diyotunun “Clamping Voltage”seviyesi ile sınırlıdır. Geçici tehdit etkisini kaybettikten sonra TVS diyot tekrar yüksek empedans durumuna geri döner. Bu dalgalanmalara karşı absorbe etmesi istenen güç, TVS diyotunun PCB üzerinde bağlantısının gerçekleştiği noktalarının ve diyot paketinin kesit alanı ile doğru orantılıdır.

TVS diyotunun önde gelen özelliği reaksiyon süresidir. Voltaj dalgalanması sırasında düşük empedans tepkisi göstermesi teorik olarak piko saniyeler seviyesinde gerçekleşir. Ancak bu değerlerin ölçülmesi çok zor olmasından dolayı TVS diyotları genellikle “Neredeyse Anında Tepki” olarak belirtilir.

Şekil 3: TVS Diyotun Çalışması.

TVS diyotlarının neredeyse anında tepki vermesi ve düşük “Clamping Voltage” seviyesi özelliklerine sahip olması, bu diyotları hassas bileşenlerin PCB düzeyinde koruyucu olarak kullanılması için ideal yapmaktadır.

Dizi Diyotları

Dizi diyotları “Switching, Avalanche ve Schottky” diyotlarının birleştirilmesi ile oluşturulur. Tipik olarak orta seviye bir güç derecesine ve düşük kapasitansa sahiptir. Bu özellikleri sayesinde, veri hatlarında ESD/EMI koruması için geçici gerilim bastırma işlevinde popüler olarak kullanılır. Bu diyotların etkili minimum çalışma voltajı sadece ileri voltaj düşümü ile sınırlıdır. Bu diyotlar, Şekil 4'de gösterildiği gibi dalgalanan akımı güç kaynağına yönlendirir.

Şekil 4: Dizi Diyotlarının Voltaj Dalgalanmalarını Kaynağa Yönlendirmesi.

Dizi diyotlar için bir başka popüler seçenek ise düşük gerilim uygulamaları için düşük “Turn-On” gerilimine sahip Schottky diyotlarını kullanmaktır.

Tek Yönlü ve Çift Yönlü TVS Diyotları

TVS diyotları tek veya çift yönlü olarak bulunmaktadır. Buna karşılık, dizi diyotlar genellikle yalnızca tek yönlü koruma için kullanılır. Tek ve çift yönlü TVS her ikisi de pozitif ve negatif dalgalanmalara karşı koruma sağlar; Bununla birlikte, “Break-Down” voltajlarının seviyeleri Şekil 5'te gösterildiği gibi farklıdır.

Tek yönlü bir TVS diyotunun “Clamping Voltage” seviyesi, pozitif kutuplandırmada “Foward Voltage” seviyesine ve negatif kutuplandırıldığında “Break-Down Voltage” seviyesine eşittir. Çift yönlü bir TVS diyotunda ise hem pozitif hem de negatif kutuplandırmalarda “Clamping Voltage” seviyesi “Break-Down Voltage” seviyesine eşittir.  

Şekil 5: Tek ve Çift Yönlü TVS Diyotunun V/I Karakteristiği

Hem tek hem de çift yönlü diyotlar genellikle aynı uygulamada kullanılabilir olsa da, iki tipten birinin ayrı bir avantaj sağladığı birçok uygulama vardır. Bir DC güç kaynağının veya bir lojik devrenin korunması gibi uygulamalarda, tek yönlü bir TVS diyot kullanılır. Böylece negatif dalgalanmalarda daha düşük olan  “Clamping Voltage” (yani −VF) seviyesinden yararlanılır. Çift yönlü TVS diyotları ise daha çok AC güç kaynaklarında simetrik koruma avantajı ile öne çıkar bunun ile birlikte “Common-Mode Offset Voltage” probleminin çözümü de dahil olmak üzere çeşitli avantajlar sunar. Bazen de çift yönlü TVS diyotları, sadece devre şemasındaki çift yönlü olan metal oksit varistörlerinin (MOVs) yerine kullanılmak üzere seçilir.

Özet olarak Tek Yönlü TVS diyotları; DC güç hatlarında, kısa mesafeli veri hatlarında (GND1 = GND2), lojik devre korumalarında kullanılır. Çift Yönlü TVS diyotları; AC güç hatlarında ve uzun mesafeli veri hatlarında (GND1 != GND2) kullanılır.

TVS Diyotlarının Seçilmesi

  • TVS Diyotunun normal çalışma sırasında iletime geçmemesi için belirlenen maksimum voltajından biraz daha büyük bir “Break-Down Voltage” seviyesinde seçilmesi gerekir.
  • Ortak mod voltaj gereksinimi olan bir devre için çift yönlü bir TV cihazı gerekebilir. Alıcı ve verici noktaları arasındaki mesafenin fazla olmasından veya farklı sebeplerden dolayı toprak referansı ile aralarındaki voltaj farkı önemli bir seviyeye çıkabilir. Bu gibi durumlarda “Common-Mode” spesifikasyonu gereklidir.
  • Dalgalanan enerjiyi absorbe edebilmesi için “Peak Pulse Power Dissipation” özelliğine dikkat edilmelidir. Ve sıcaklık ile bu özelliğin değer kaybedebileceği unutulmamalıdır.
  • Yüksek hızlı anahtarlamaların veya veri iletiminin olduğu devrelerde sinyal bozulmasının önüne geçmek için TVS diyotunun kapasitans değerine dikkat edilmelidir. Ve benzer sinyal hatları için aynı kapasitans değerine sahip TVS diyotları kullanılmalıdır.

 

Genislet

Kaynakça

−;“AP−209 – Design Considerations for ESD Protection Using ESD Protection Diode Arrays”, California Micro Devices, 1998.
−;“SI99−01 – PCB Design Guidelines for ESD Suppression”, Semtech, 2002.
−;“AND8231/D − Circuit Configuration Options for TVS Diodes”Rev1, ON Semiconductor, 2017           
−;“SI9601 − TVS Diode Application Note”Rev9, SEMTECH, 2000      
−;“Transient Voltage Suppressors (TVS Diode) Applications Overview”Rev1, Littelfuse, 2015