Bez rozważań akademickich, upraszczając: każdy element elektroniczny, a zwłaszcza półprzewodnikowy, posiada w swojej charakterystyce maksymalne dopuszczalne napięcie pracy. Przekroczenie tego progu o pewna wartość, powoduje trwałe uszkodzenie elementu.
 |
| Wrażliwość półprzewodników na przepięcia. Rys: Littelfuse |
Oprócz przepięć mających swe pierwotne źródło w środowisku naturalnym, w liniach zasilających, mogą pojawiać się niedopuszczalne wartości o charakterze impulsowym, powstałe na skutek pracy różnorodnych urządzeń elektroenergetycznych np. iskrzenia styczników podczas przyłączania do sieci dużych obciążeń, pracy silników, zasilaczy impulsowych a także pracy radiowych urządzeń nadawczych. Przebiegi elektromagnetyczne „odrywają” się od swego pierwotnego źródła, następnie indukując się w liniach elektrycznych lub/i też bezpośrednio oddziaływają na układy elektroniczne. Bardzo istotnym problemem który należy zawsze brać pod uwagę, projektując układ elektroniczny jest zjawisko elektryczności statycznej.
 |
| Przykładowe źródła przepięć. Rys: Littelfuse |
Mając powyższe na uwadze, na etapie projektowania dobre praktyki zalecają pamiętać o prawidłowym ekranowaniu, stosowaniu kondensatorów filtrujących, odpowiednim prowadzeniu powierzchni masy oraz ścieżek sygnałowych. Wręcz niezbędnymi elementami zabezpieczającymi stają się bezpieczniki (tradycyjne bądź też na bazie polimerów), elementy GDT, diody TVS, warystory.
 |
| Zakres zastosowań poszczególnych elementów zabezpieczających. Rys: Littelfuse |
Standardowe bezpieczniki to elementy jednorazowe, nie tyle chronią układ przed zniszczeniem z powodu nadmiernego prądu, ile przed pożarem. Dodatkowo są to elementy dosyć „powolne”. Trudne w prawidłowym doborze.
Bezpieczniki polimerowe, to elementy kasowalne. Element ten zbudowany jest w oparciu o sieć przewodzących cząsteczek otoczonych polimerem. Pod wpływem odpowiedniej temperatury, cząsteczki polimeru „puchą” (stają się amorficzne) przerywając sieci przewodzące. Rezystancja połączenia wzrasta kilkukrotnie, a więc zabezpieczany obwód zostaje ochroniony Po redukcji temperatury, bezpiecznik ponownie zaczyna przewodzić. Jednakże ze względów bezpieczeństwa, „bezpieczniki polimerowe” dla niektórych zastosowaniach nie mogą być rekomendowane.
 |
| Przykładowe elementy PPTC Rys: Littelfuse |
Elementy GDT (Gas Discharge Tubes) – potrafią przyjąć impuls o ogromnych wartościach. Zbudowane są zwykle w postaci małego walca z elektrodami wypełnionego gazem. Po przekroczeniu progu zadziałania (Breakdown) następuje wyładowanie pomiędzy elektrodami a konsekwencji przepięcie zostaje w dużej mierze zneutralizowane. Jednakże również i te elementy, charakteryzują się dość długim czasem reakcji. Dodatkowo liczba „zadziałań” tych elementów także jest ograniczona. GDT zasadniczo charakteryzują się niewielką pojemnością własną, dlatego też GDT są często stosowane na rozległych, przemysłowych liniach danych takich jak RS485. Ponieważ podczas stosowania GDT w celu ochrony linii AC mogą wystąpić pewne problemy, związane z przejściem przez zero, dlatego też opracowano specjalne konstrukcje umożliwiające bezproblemowe zastosowanie GDT w liniach AC. Elementy te, również charakteryzują się ograniczoną liczbą zadziałań.
 |
| Symbole schematyczne niektórych elementów zabezpieczających |
 |
| Wyraźnie oznaczona liczba cykli "życia" elementu GDT Rys: Littelfuse |
 |
| Elementy GDT Rys: Littelfuse |
Warystory, choć są to elementy doskonałe do ochrony obwodów przed przepięciami spowodowanymi wyładowaniami atmosferycznymi, cechują się w większości przypadków, bardzo dużą pojemnością własną, co w praktyce wyklucza zastosowanie tych elementów do ochrony nowoczesnych linii danych. warystor MOV przypomina budową złożoną strukturę diodową. Pod wpływem odpowiedniego napięcia, następuje „przebicie” bariery a tym samym przewodzenie.
 |
Warystory z zabezpieczeniem termicznym
|
Jednak coraz szersze zastosowanie mają elementy TVS (Transient Voltage Suppression). TVS są tylko z pozoru podobne do "zwykłych" diod zenera. Elementy te nie są przewidziane do pracy o charakterze ciągłym. TVS to specjalnej konstrukcji diody przewidziane do tłumienia chwilowych wartości przepiec. Charakteryzują się bardzo szybkim czasem reakcji. Najważniejsze parametry TVS to:
Vrwm- Stand-off Voltage – nominalne napięcie pracy przy którym element „jeszcze nie działa”. Napięcie to powinno być równe lub większe niż maksymalne, przewidywane napięcie w układzie.
Vbr Breakdown Voltage – napięcie przebicia („zadziałania”). Przy tym napięciu dioda zaczyna przewodzić, spełniając soją funkcje ochronną.
Vc - Clamping Voltage – szczytowe chwilowe napięcie które może przyjąć TVS przez określony czas.
IFSM - Peak Forward Surge Current – maksymalny prąd szczytowy.
Capacity - Pojemność Bardzo ważny parametr podczas stosowania TVS w celu ochrony linii danych. Zazwyczaj wartość ta jest bardzo mała i Z tych właśnie względów, elementy TVS rekomendowane są do ochrony linii danych.
 |
Przykładowe dane katalogowe elementów TVS. Rys: Littelfuse
|
Warto zaznaczyć że w strukturach wielu współczesnych układów scalonych umieszczono elementy TVS w celu ochrony układu przed elektrycznością statyczną.
 |
| Symbole schematyczne TVS |
Ponieważ każdy z wyżej wymienionych elementów odznacza się innymi właściwościami tłumienia przepięć dlatego tez, w praktyce maja zastosowania rozwiązania hybrydowe składające się zarówno z tradycyjnego bezpiecznika, elementu GDT, warystora, diody TVS a w niektórych przypadkach także i z elementu ferrytowego.
 |
| Przykładowe aplikacje elementów TVS. Rys: Littelfuse |
Autor oświadcza ze nie otrzymał ani Eurocenta od firmy LIttelfuse za umieszczenie nazwy tej firmy w tekście, oraz zrzutów ekranowych fragmentów katalogu wspomnianej firmy. Mimo to autor poleca elementy TVS LIttelfuse.