دیود ساپرسور ولتاژ گذرا (Transient Voltage Suppression Diode - TVS Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)

انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :

دیود ساپرسور ولتاژ گذرا (Transient Voltage Suppression Diode - TVS Diode) :

دیود ساپرسور ولتاژ گذرا یا TVS (Transient Voltage Suppression Diode) یک دیود محافظ تخصصی است که برای حفاظت از مدارات الکترونیکی در برابر نوسانات ولتاژ گذرا (Transient Voltages) مانند تخلیه الکترواستاتیک (ESD)، صاعقه، و نویزهای سوئیچینگ طراحی شده است. این دیودها می توانند انرژی بسیار بالایی را در مدت زمان بسیار کوتاه جذب کرده و ولتاژ را در سطح ایمن برای مدار محدود کنند.

ساختار TVS دیود شبیه یک دیود زنر است، اما برای جذب توان پالسی بسیار بالا (از چند صد وات تا چند کیلووات) در مدت زمان بسیار کوتاه (میکروثانیه) بهینه شده است. TVS دیودها معمولا در دو نوع یکسویه (Unidirectional) برای حفاظت در برابر نوسانات DC و دوطرفه (Bidirectional) برای حفاظت در برابر نوسانات AC ساخته می شوند.

مکانیزم کار TVS دیود بر اساس پدیده شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) است. در شرایط عادی، دیود TVS در بایاس معکوس قرار دارد (برای نوع یکسویه) و جریان نشتی بسیار کمی (در حد میکروآمپر) از آن عبور می کند. هنگامی که یک نوسان ولتاژ گذرا (با ولتاژ بیشتر از ولتاژ شکست دیود) رخ می دهد، دیود وارد ناحیه شکست شده و جریان بسیار زیادی (چند ده آمپر) را به زمین منحرف می کند.

پارامترهای مهم یک TVS دیود عبارتند از: ولتاژ کاری معکوس (Reverse Stand-Off Voltage - V_RWM) که حداکثر ولتاژ DC یا پیک AC است که دیود در شرایط عادی بدون هدایت تحمل می کند، ولتاژ شکست (Breakdown Voltage - V_BR) که ولتاژی است که دیود در آن شروع به هدایت می کند، ولتاژ کلمپ (Clamping Voltage - V_C) که حداکثر ولتاژی است که در هنگام هدایت دیود دو سر آن ظاهر می شود، و توان پیک پالسی (Peak Pulse Power - P_PPM) که حداکثر توان قابل تحمل در یک پالس با شکل موج مشخص (معمولا ۱۰/۱۰۰۰ میکروثانیه) است.

TVS دیودها بر اساس توان پالسی در رده های مختلفی عرضه می شوند: ۴۰۰ وات (مانند سری SMAJ)، ۶۰۰ وات (SMBJ)، ۱۵۰۰ وات (1.5KE)، ۳۰۰۰ وات (3KP)، و حتی بالاتر. هرچه توان بالاتر باشد، دیود بزرگتر و گران تر است. انتخاب توان مناسب به انرژی پالس های مزاحم در سیستم بستگی دارد.

نکته مهم در انتخاب TVS دیود، تطبیق ولتاژ کاری (V_RWM) با ولتاژ تغذیه مدار است. V_RWM باید کمی بیشتر از حداکثر ولتاژ تغذیه در شرایط عادی باشد تا دیود در حالت عادی هدایت نکند و جریان نشتی ایجاد نکند. همچنین V_C باید کمتر از حداکثر ولتاژ قابل تحمل بار حساس باشد.

کاربرد اصلی TVS دیود در حفاظت از خطوط تغذیه (Power Lines) در برابر نوسانات ناشی از صاعقه و کلیدزنی بارهای القایی است. در ورودی منابع تغذیه، تجهیزات صنعتی، و سیستم های مخابراتی، TVS دیودها برای جلوگیری از آسیب به مدارات داخلی نصب می شوند.

کاربرد مهم دیگر در حفاظت از خطوط داده (Data Lines) در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) است. پورت های USB، HDMI، اترنت، و خطوط آنتن در تلفن های همراه، کامپیوترها، و تلویزیون ها با TVS دیودهای کوچک (معمولا در بسته بندی SMD بسیار کوچک) محافظت می شوند.

در خودروسازی، از TVS دیودها برای حفاظت از مدارات الکترونیکی خودرو در برابر نوسانات ناشی از دینام (Alternator Load Dump) و قطع باتری استفاده می شود. استانداردهای خودروسازی مانند ISO 7637 الزامات خاصی برای مقاومت در برابر این نوسانات دارند و TVS دیودهای مخصوص خودرو (مانند سری SM8S و SM5S) برای این کاربرد طراحی شده اند.

TVS دیودها همچنین در حفاظت از ورودی سنسورها (Sensor Inputs) در تجهیزات صنعتی و پزشکی استفاده می شوند. سنسورها معمولا در محیط های نویزی کار می کنند و TVS دیودها می توانند از ورودی های حساس در برابر نویزهای القایی محافظت کنند.

TVS دیودهای دوطرفه (Bidirectional) برای حفاظت از خطوط AC (مانند ورودی ۲۲۰ ولت) و خطوط سیگنالی که هر دو قطبیت را دارند (مانند خطوط داده دیفرانسیل) استفاده می شوند. این دیودها در هر دو جهت مشخصه یکسانی دارند و ولتاژ را در هر دو قطبیت مثبت و منفی کلمپ می کنند.

یکی از مزایای TVS دیود نسبت به سایر المان های حفاظتی (مانند وریستورها) سرعت پاسخ بسیار بالای آنهاست. TVS دیودها می توانند در زمان های کمتر از ۱ پیکوثانیه (برای ESD) تا چند نانوثانیه (برای صاعقه) پاسخ دهند. این سرعت بالا برای حفاظت از مدارات حساس ضروری است.

معایب TVS دیود شامل ظرفیت خازنی نسبتا بالا (در مقایسه با برخی محافظ‌های دیگر) و توانایی محدود در جذب انرژی های بسیار بالا (مثلا صاعقه های مستقیم) است. برای صاعقه های شدید، معمولا از ترکیب چند المان حفاظتی (مانند وریستور + TVS) استفاده می شود.

در نهایت، TVS دیودها یک جزء ضروری در طراحی مدارات مدرن برای اطمینان از قابلیت اطمینان و مقاومت در برابر شرایط محیطی سخت هستند. با افزایش حساسیت و کوچک تر شدن قطعات الکترونیکی، اهمیت حفاظت در برابر نوسانات ولتاژ بیش از پیش احساس می شود و TVS دیودها نقش حیاتی در این زمینه ایفا می کنند. استانداردهای ایمنی مانند IEC 61000-4-2 (برای ESD) و IEC 61000-4-5 (برای صاعقه) استفاده از این محافظ‌ها را الزامی کرده اند.