Как известно, простой предохранитель защищает от протекания слишком большого тока, но как защитить схему от перенапряжения (не связанным с увеличением тока)? Потенциальных угроз много: от ударов молнии до включения устройства с 110 В на розетку 220 В или статики от наэлектризированной одежды.
Защита стабилитронами
В цепях низкого напряжения, часто ставят специальные стабилитроны трансил (Transil), с улучшенным параметром мощности. Работают они так же, как и прототипы: начинают проводить при превышении установленного напряжения. Часто их можно встретить на сигнальных входах в электронном оборудовании, потому что они дополнительно характеризуются небольшой емкостью (не будут мешать тракту передачи) и их легко объединять в структуры из нескольких частей.
Переходы их бывают односторонние и двухсторонние. Первый действует как стабилитрон, в то время как второй можно понимать как два идентичных стабилитрона, соединенных последовательно, один из которых направлен против другого. В результате напряжение ограничивается одним и тем же значением независимо от его полярности. Двунаправленные переходы часто встречаются в сетевых устройствах, где есть переменное напряжение. Эти элементы защиты чаще всего используются такого типа, чтобы они не ломались, то есть рассеивали временную избыточную энергию и возвращались в состояние покоя.
Transil выдерживает более высокие мгновенные мощности, он как большой стабилитрон в маленьком корпусе. Transil – это название, зарезервированное для продуктов ST, другое название – TVS-диод (диод подавления переходного напряжения).
Защита диодами
Стоит упомянуть еще об одном популярном способе защиты входов: с помощью фиксирующих диодов. Иногда вы можете встретить термин ceradiode применительно к защите сигнальных линий, они работают в более широком диапазоне напряжений – так что ближе к трансилам.
А вот ограничивающие диоды – это два полупроводниковых диода (например, диоды Шоттки), соединенные последовательно. Потенциалы, к которым они подключены, определяют крайние значения входного сигнала. Чаще всего нижний подключается к земле (0 В), а верхний – к источнику питания (например 5 В). Если входное напряжение хочет упасть ниже -0,7 В или подняться выше 5,7 В, один из диодов откроется и проведет ток на землю или питание, соответственно. Этот тип защиты очень часто можно встретить в интегральных микросхемах, возле ножек, ведущих сигналы. Также можно разместить такие диоды на плате в виде дискретных элементов – тогда они смогут проводить более высокие токи.
Защита варисторами
Еще один элемент, который часто можно найти в схемах с питанием от сети, – это варистор. По-сути это резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Если оно низкое, ниже порога установленного производителем, сопротивление варистора огромно и через него проходит очень небольшой ток. Но если напряжение становится слишком высоким, сопротивление варистора почти сразу падает. Их часто комбинируют с предохранителями, потому что уменьшение сопротивления варистора вызывает скачок потребляемого тока, и здесь предохранитель просто перегорает и отсекает источник слишком высокого напряжения.
Сам варистор тоже кандидат на замену только после такого действия, потому что на мгновение на нем выделяется колоссальная мощность. Однако это меньшее зло по сравнению с возможным повреждением всего ценного устройства, такого как компьютер или ИБП. Иногда варистор соединяется с тепловой защитой, чтобы предотвратить рассеяние слишком больших потерь мощности.
В принципе варистор работает почти так же, как стабилитрон, но имеет меньшую характеристику. Преимущество в том, что он может выдерживать более высокие энергии, чем TVS-диод.
Варистор не является одноразовым элементом, он может выдерживать несколько импульсов, если энергия не слишком высока. TVS-диод также будет поврежден, если энергия будет слишком высокой. Если энергия перенапряжения превышает возможности TVS-диода или стабилитрона, элемент выходит из строя из-за короткого замыкания, что является большим преимуществом, поскольку закороченный элемент также замыкает защиту устройства от перенапряжения. При еще более высоких энергиях элемент может выйти из строя при обрыве, тогда конечно и защищаемое устройство также повредится.
Варистор, в отличие от TVS-диода, как бы изнашивается после каждого поглощенного перенапряжения, следовательно напряжение, при котором он начинает проводить, немного уменьшается. Когда такой уставший варистор в цепи сети начинает проводить уже при 220 В, выделяется много энергии и варистор сгорает. Большой элемент с очень высокой температурой горения может повредить прибор, для чего добавлена тепловая защита. Часто это простая защита паяного соединения, которая разрывается пружиной при расплавлении припоя.
Защита разрядниками
В сигнальных линиях, например на телефонных станциях или интернет распределителях LAN, можно найти газовые искровые разрядники, в которых при превышении определенного напряжения зажигается дуга с низким сопротивлением, ограничивающая напряжение на искровом промежутке.
Искровой разрядник (грозозащитный разрядник) выдерживает самые высокие энергии, но работает с некоторой задержкой и пропускает начальный импульс порядка 1 кВ. Часто поэтому между грозозащитным разрядником и варистором имеется связка, а иногда и TVS-диод. Они подключаются не напрямую, а через дроссели. Элементы защиты сопровождаются дополнительными цепями с сопротивлениями и индуктивностями, которые ограничивают ток или уменьшают скорость нарастания тока. Подробнее о схемотехнике защитных устройств читайте на форуме.
