क्षणिक वोल्टेज स्पाइक्स और उछाल का इलेक्ट्रॉनिक सर्किट पर अलग-अलग स्तर का प्रभाव पड़ता है, जिसमें कष्टप्रद छोटी-मोटी खराबी से लेकर सर्किट घटकों को नुकसान पहुंचाने वाले भयावह परिणाम तक शामिल हैं। इन परिवर्तनों के कारण विविध हैं, जिनमें बिजली, स्थैतिक बिजली और प्रेरित निर्वहन (चित्रा 1) शामिल हैं।
चित्र 1. क्षणिक बिजली, स्थैतिक बिजली, या प्रेरित निर्वहन आदि के कारण हो सकता है, जो असुरक्षित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को गंभीर नुकसान पहुंचा सकता है। छवि स्रोत: लिटइंक.)
इस तरह के ट्रांजिएंट्स सैकड़ों वोल्ट से लेकर हजारों वोल्ट तक के चरम वोल्टेज और किलोएम्पियर तक की धाराओं के साथ आवेग उत्पन्न कर सकते हैं, जो सैकड़ों नैनोसेकंड से लेकर मिलीसेकंड तक रहता है।
आईसी और प्रोसेसर का लघुकरण और आपूर्ति वोल्टेज में कमी उन्हें विद्युत क्षणिक घटनाओं के प्रति अधिक संवेदनशील बनाती है। यह उन वाहनों के लिए विशेष रूप से सच है जो इंजन, स्टीयरिंग, ब्रेकिंग, एयर कंडीशनिंग और मनोरंजन सहित कई इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों द्वारा नियंत्रित होते हैं।
संवेदनशील सर्किट की सुरक्षा के लिए, विभिन्न प्रकार की डिज़ाइन रणनीतियाँ विकसित की गई हैं, जिनमें परिरक्षित वायरिंग, फिल्टर, आर्क दमन और क्लैंपिंग डिवाइस शामिल हैं। परिरक्षण और फ़िल्टरिंग निष्क्रिय हैं, जबकि चाप दमन और क्लैंप सुरक्षा सक्रिय हैं। आर्क दमन उपकरण जैसे स्पार्क गैप, गैस डिस्चार्ज ट्यूब और थाइरिस्टर सर्किट की सुरक्षा के लिए क्षणिक धाराओं को जमीन पर धकेल देते हैं। जब आर्क दमन उपकरण सक्रिय होता है, तो संरक्षित उपकरण काम नहीं करता है, लेकिन एक बार क्षणिक गायब हो जाने पर, उपकरण सामान्य रूप से काम कर सकता है।
क्लैंपिंग उपकरणों में मेटल ऑक्साइड वेरिस्टर (एमओवी), जेनर डायोड, और क्षणिक वोल्टेज दमन (टीवीएस) हिमस्खलन डायोड शामिल हैं जो अलग-अलग प्रतिबाधा द्वारा संरक्षित उपकरणों में एक निरंतर वोल्टेज बनाए रखते हैं। इन तकनीकों का उपयोग अलग-अलग या एक साथ किया जा सकता है। टीवीएस डायोड को इसकी तेज़ प्रतिक्रिया और बड़ी बिजली अपव्यय के कारण व्यापक रूप से क्लैंपिंग डिवाइस के रूप में उपयोग किया जाता है।
क्षणिक वोल्टेज दमन डायोड
टीवीएस डायोड एक हिमस्खलन डायोड है जिसका उपयोग क्लैंपिंग डिवाइस के रूप में किया जाता है। जब लागू वोल्टेज अपने हिमस्खलन ब्रेकडाउन वोल्टेज से अधिक हो जाता है, तो यह अत्यधिक धारा को बंद कर देता है और वोल्टेज को एक स्थिर क्षमता पर रखता या दबा देता है। जब लागू वोल्टेज ब्रेकडाउन मान से कम होगा, तो यह स्वचालित रूप से रीसेट हो जाएगा।
टीवीएस डायोड का उपयोग एकध्रुवीय या द्वि-दिशात्मक उपकरणों के क्षणिक को रोकने के लिए यूनी-दिशात्मक उपकरणों के रूप में किया जा सकता है ताकि किसी भी ध्रुवीयता के क्षणिक को रोका जा सके (चित्रा 2)। द्वि-दिशात्मक उपकरण सममित हो सकते हैं, समान आयाम के साथ किसी भी ध्रुवता वोल्टेज से जुड़े हो सकते हैं, या असममित, क्षणिक की ध्रुवीयता के अनुसार विभिन्न वोल्टेज स्तरों से जुड़े हो सकते हैं।
चित्र 2: तीन टीवीएस उपकरणों की वर्तमान-वोल्टेज ब्रेकडाउन विशेषताएँ और उनके योजनाबद्ध प्रतीक। छवि स्रोत: लिटइंक.)
यूनिडायरेक्शनल टीवीएस डायोड का कार्य सिद्धांत साधारण डायोड के समान है। यह तब चालू होता है जब फॉरवर्ड बायस लागू किया जाता है और तब नहीं जब रिवर्स बायस लागू किया जाता है जब तक कि डायोड का ब्रेकडाउन वोल्टेज (वीबीआर) पार नहीं हो जाता। जब लागू वोल्टेज वीबीआर से अधिक हो जाता है, तो डायोड चालू हो जाता है और दोनों सिरों पर वोल्टेज क्लैंप वोल्टेज (वीसी) पर बनाए रखा जाता है। यह डायोड जो अधिकतम शक्ति नष्ट कर सकता है वह पीक पल्स करंट (आईपीपी) x वीसी है।
दो-तरफ़ा टीवीएस डायोड एक के बाद एक दो डायोड के बराबर होते हैं। जब ब्रेकडाउन वोल्टेज (वीबीआर) किसी भी दिशा में अधिक नहीं होता है, तो केवल एक छोटा रिवर्स लीकेज करंट (आईआर) प्रवाहित होता है। यह ऑपरेशन सममित है क्योंकि ब्रेकडाउन वोल्टेज आयाम दोनों पूर्वाग्रह स्थितियों के लिए समान हैं।
असममित टीवीएस डायोड द्विदिशीय उपकरणों के समान व्यवहार करते हैं, लेकिन ब्रेकडाउन वोल्टेज (VBR1 और VBR2) भिन्न होते हैं।
असममित टीवीएस डायोड
आप शायद जानना चाहेंगे कि असममित टीवीएस डायोड की आवश्यकता क्यों है। इन घटकों को सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) MOSFETs पर गेट ड्राइवरों की सुरक्षा के लिए डिज़ाइन किया गया है। SiC की तेज़ स्विचिंग गति के कारण, ये ड्राइव ओवर-वोल्टेज ट्रांसिएंट के कारण क्षति की चपेट में हैं। आइए ऑन-बोर्ड चार्जिंग के लिए SiC MOSFET या ट्रैक्शन इन्वर्टर को देखें (चित्र 3)।