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TVS瞬态抑制的原理

作者:衡麗電子

瞬态抑制器件可以顯着減少因過電壓尖峰和浪湧而釋放的能量。

TVS瞬态抑制的原理

我們認為用于為電路供電的交流或直流電源都是穩定且調節良好的電源。然而,交流感性負載的切換或直流繼電器觸點和直流電機的切換都會産生不好的供電品質,是以需要瞬态抑制裝置。

當某種形式的感性或電抗負載(例如電機、螺線管線圈或繼電器線圈)突然關閉時,就會發生感性開關瞬變。其磁場的快速崩潰會産生瞬态電壓,該電壓疊加到穩态電源上。這些感應開關電壓瞬變可達到數千伏。

瞬态是由于先前存儲的能量(無論是電感性還是電容性)突然釋放而在電路中發生的非常陡峭的電壓階躍,進而導緻高電壓瞬态或産生浪湧。由于某些開關動作,能量突然釋放回電路,進而産生了以能量陡峭脈沖形式出現的瞬态電壓尖峰,理論上可以達到無限值。

這種高dv/dt瞬态開關尖峰存在的時間很短(毫秒或微秒),也可以在短時間内經常出現,例如每天随機出現兩到三次。

TVS瞬态抑制的原理

還必須認識到,電壓瞬變并不總是從零伏或周期開始時開始,而是可以疊加到另一個電壓電平上。無論哪種方式,瞬态都是不好的,因為它們會損壞電子裝置,是以需要抑制和控制。

瞬态抑制器件可以采用多種形式,從電弧接觸器到濾波器,再到固态半導體器件。分立半導體瞬态抑制器件,例如金屬氧化物壓敏電阻 (MOV),是迄今為止最常見的器件,因為它們具有各種能量吸收和額定電壓,進而可以對不需要的和潛在破壞性的瞬态或過度的瞬态進行嚴格控制。比如電壓尖峰。

瞬态抑制器件可以與負載串聯使用,以衰減或降低瞬态的能量值,防止其在電路中傳播,也可以與負載并聯使用,以将瞬态轉移到地面,并限制或鉗位殘餘電壓。

電壓瞬變的衰減通常使用與負載電路串聯的低通濾波器來實作。當電壓瞬變發生時,它通常是快速移動的高頻尖峰,是以濾波器會衰減或阻止這種高頻瞬變,同時允許低頻功率或信号分量繼續不受幹擾。瞬态衰減器的一個很好的例子是電源濾波延長線。

轉移瞬态通常是使用電壓鉗位型裝置或通常稱為撬棒型裝置來完成的。這些并聯連接配接的裝置表現出非線性阻抗特性,因為流過它們的電流與歐姆定律給出的端子兩端的電壓不是線性的。

MOV 等電壓鉗位器件具有可變阻抗,具體取決于流經器件的電流或其端子上的電壓。在正常穩态工作條件下,該器件提供高阻抗,是以對連接配接的電路沒有影響。

然而,當電壓瞬變發生時,裝置的阻抗會發生變化,随着裝置兩端電壓的上升,通過裝置的電流也會增加。結果是瞬态電壓明顯鉗位。鉗位器件的伏安特性通常與時間相關,因為電流的大幅增加會導緻器件消耗大量能量。

Crowbar 器件是另一種類型的瞬态抑制器件,它通過開關型導通動作将過電壓尖峰從電路中轉移出去。Crowbar 器件的工作原理與齊納二極管類似,在正常穩态條件下,它們對電路沒有影響。當檢測到瞬态時,它們會快速切換為“ON”,提供非常低的阻抗路徑,将瞬态從并聯負載轉移開。

然後,離散瞬态抑制器件根據其連接配接和操作類型可以分為三個基本類别。

串聯(阻塞)連接配接的低通濾波器。

并聯(分流)電壓鉗位器和電壓限幅器。

并聯(分流)連接配接的 Crowbar 裝置。

瞬态抑制裝置

TVS瞬态抑制的原理

典型瞬态抑制濾波器

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齊納瞬态抑制

TVS瞬态抑制的原理

MOV瞬态抑制

TVS瞬态抑制的原理

基本撬棒鉗位電路

TVS瞬态抑制的原理

齊納撬棒鉗位電路

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