महत्वपूर्ण सर्किटों को विनाशकारी वोल्टेज क्षणकों से बचाने के लिए असममित टीवीएस डायोड का उपयोग करना

इलेक्ट्रॉनिक सर्किट पर क्षणिक वोल्टेज स्पाइक्स और उछाल का प्रभाव अलग-अलग होता है, जिसमें कष्टप्रद छोटी-मोटी खराबी से लेकर भयावह परिणाम तक शामिल होते हैं जो सर्किट घटकों को नुकसान पहुंचा सकते हैं। ऐसी क्षणिक घटनाओं के कारण विविध हैं, जिनमें बिजली, स्थैतिक बिजली और प्रेरित निर्वहन (चित्र 1) शामिल हैं।

चित्र 1: क्षणिक बिजली, स्थैतिक बिजली, या प्रेरित निर्वहन के कारण हो सकता है, जो असुरक्षित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को गंभीर नुकसान पहुंचा सकता है। (छवि स्रोत: लिटलफ्यूज़ इंक.)

इस तरह के ट्रांजिएंट्स सैकड़ों वोल्ट से लेकर हजारों वोल्ट तक के चरम वोल्टेज के साथ पल्स उत्पन्न कर सकते हैं और सैकड़ों नैनोसेकंड से लेकर मिलीसेकंड तक की अवधि के साथ किलोएम्पियर स्तर तक पहुंचने वाली धाराएं उत्पन्न कर सकते हैं।

आईसी और प्रोसेसर का लघुकरण, साथ ही बिजली आपूर्ति वोल्टेज में कमी, उन्हें विद्युत क्षणिक 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 डिज़ाइन रणनीतियाँ विकसित की गई हैं, जिनमें परिरक्षित वायरिंग, फिल्टर, आर्क दमन और क्लैंपिंग डिवाइस शामिल हैं। परिरक्षण और फ़िल्टरिंग निष्क्रिय डिज़ाइन को अपनाते हैं, जबकि चाप दमन और क्लैंप सुरक्षा सक्रिय तंत्र को अपनाते हैं। स्पार्क गैप, गैस डिस्चार्ज ट्यूब, थाइरिस्टर और अन्य आर्क बुझाने वाले उपकरण सर्किट की सुरक्षा के लिए क्षणिक धाराओं को जमीन की ओर मोड़ देते हैं। जब चाप बुझाने वाला उपकरण सक्रिय स्थिति में 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 प्रतिबाधा को बदलकर संरक्षित डिवाइस पर एक निरंतर वोल्टेज बनाए रखते हैं। इन तकनीकों का उपयोग व्यक्तिगत रूप से या एक साथ किया जा सकता है। टीवीएस डायोड को उनकी तेज़ प्रतिक्रिया गति और उच्च शक्ति 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 मोड़ देगा और वोल्टेज को स्थिर क्षमता पर बनाए रखेगा या क्लैंप करेगा। जब लागू वोल्टेज ब्रेकडाउन मान से कम होगा, तो यह स्वचालित रूप से रीसेट हो जाएगा।

टीवीएस डायोड का उपयोग एकध्रुवीय क्षणकों को रोकने के लिए यूनिडायरेक्शनल उपकरणों के रूप में किया जा सकता है, साथ ही किसी भी ध्रुवीयता के क्षणकों को रोकने के लिए द्विदिशीय उपकरणों के रूप में भी किया जा सकता है (चित्र 2)। द्विदिशीय उपकरण सममित हो सकते हैं, समान आयाम के साथ किसी भी ध्रुवता वोल्टेज को क्लैंप करने में सक्षम हो सकते हैं, या असममित, क्षणिक ध्रुवीयता के आधार पर विभिन्न वोल्टेज स्तरों को क्लैंप करने में सक्षम हो सकते हैं।

चित्र 2: तीन टीवीएस उपकरणों की वर्तमान वोल्टेज ब्रेकडाउन विशेषताएँ और योजनाबद्ध प्रतीक। (छवि स्रोत: लिटलफ्यूज़ इंक.)

यूनिडायरेक्शनल टीवीएस डायोड का कार्य सिद्धांत एक साधारण डायोड के समान है। यह फॉरवर्ड बायस्ड होने पर संचालन करता है और रिवर्स बायस्ड होने पर तब तक संचालन नहीं करता है, जब तक कि यह डायोड के ब्रेकडाउन वोल्टेज (वीबीआर) से अधिक न हो जाए। जब लागू वोल्टेज वीबीआर से अधिक हो जाता है, तो डायोड क्लैंप वोल्टेज (वीसी) पर अपने टर्मिनलों पर वोल्टेज बनाए रखता है। यह डायोड जो अधिकतम शक्ति नष्ट कर सकता है वह पीक पल्स करंट (आईपीपी) x वीसी है।

एक द्विदिश टीवीएस डायोड दो बैक-टू-बैक डायोड के बराबर है। 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 दो पूर्वाग्रह स्थितियों के तहत ब्रेकडाउन वोल्टेज आयाम समान हैं।

असममित टीवीएस डायोड का कार्य द्विदिशीय उपकरणों के समान है, लेकिन उनके ब्रेकडाउन वोल्टेज (VBR1 और VBR2) भिन्न हैं।

असममित टीवीएस डायोड
आप सोच रहे होंगे 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, इन ड्राइवरों को ओवरवॉल्टेज ट्रांसिएंट के कारण होने वाली क्षति का खतरा होता है। आइए कार चार्जिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले SiC MOSFET या ट्रैक्शन इन्वर्टर पर एक नज़र डालें (चित्र 3)।

चित्र 3: असममित TPSMB1505CA TVS का उपयोग SiC MOSFET स्विच गेट ड्राइवरों की सुरक्षा के लिए किया जाता है। (छवि स्रोत: लिटलफ्यूज़ इंक.)

एसिमेट्रिक लिटलफ्यूज TPSMB1505CA TVS का उपयोग MOSFETs के गेट ड्राइवर की सुरक्षा के लिए किया जाता है। गेट ड्राइवर की दो अवस्थाएँ होती हैं; चालू अवस्था में गेट वोल्टेज -5 और 10 V के बीच है, जबकि ऑफ अवस्था में यह -10 V से नीचे है। TPSMB1505CA का रेटेड कैथोड (K) से एनोड (A) ब्रेकडाउन वोल्टेज 16.7 से 18.5 V है, और अधिकतम क्लैंपिंग वोल्टेज 24.4 V है। इस दिशा में Ipp 24.6 A है, और क्षणिक पल्स अवधि 10 से 1000 एमएस है।

ए से के तक टीवीएस का ब्रेकडाउन वोल्टेज 6.8 से 7.4 वी है, और अधिकतम क्लैंपिंग वोल्टेज 11.5 वी है। इस दिशा में पीक पल्स करंट 60 ए है, और क्षणिक पल्स अवधि भी 10 से 1000 एमएस है। यह ध्यान देने योग्य है कि यह केवल एक घटक के माध्यम से ही प्राप्त किया जा सकता है। यदि इस असममित कार्य मोड को प्राप्त करने के लिए स्वतंत्र घटकों का उपयोग किया जाता है, तो कई घटकों को एक साथ काम करने की आवश्यकता होती है।

लिटलफ्यूज टीपीएसएमबी असममित श्रृंखला टीवीएस डायोड (चित्रा 4) में अलग-अलग के से ए ब्रेकडाउन वोल्टेज के साथ दो अतिरिक्त घटक शामिल हैं। TPSMB1805CA 20.0 से 21.1 V की K से A ब्रेकडाउन वोल्टेज रेंज प्रदान करता है, अधिकतम क्लैंप वोल्टेज 29.2 V के साथ। रेटेड Ipp 20.6 A है, और पल्स अवधि 10 से 1000 एमएस है। A से K ब्रेकडाउन वोल्टेज रेंज TPSMB1505CA (6.8 से 7.4 V) के समान है।