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Ratgeber

Systeme in der Elektronik, beispielsweise Microcontroller, sind ständig durch statische Ladungen in der Umgebung gefährdet. Die Potentialdifferenz bei der statischen Ladung entsteht durch die Reibung zweier Körper miteinander und wird durch Kontaktentladung oder Luftentladung abgeleitet. Dies nennt man auch den Triboelektrischen Effekt.

Die Entladung kann innerhalb der Bauelemente zu Funktionsstörungen oder zum Defekt der Bauteile beziehungsweise Baugruppen führen. Zum Schutz der elektrischen Einrichtungen durch Ableitung der Überspannungen werden TVS-Dioden eingesetzt. Diese sitzen, beispielsweise in Schaltnetzteilen oder in Datenverarbeitungssystemen, hinter den Steckverbindern für externe Geräte.

Im Gegensatz zur Zener-Diode, welche zur kontinuierlichen Stabilisierung der Spannung eingesetzt wird, dient eine TVS-Diode zur kontrollierten Ableitung von kurzen Hochspannungs-Impulsen. Dies geschieht dabei ohne einen Spannungseinbruch beim Auslösen.

Typische Anwendungen sind Assistenzsysteme, Kommunikationssysteme, Netzwerksysteme, Energiesysteme und Sicherheitssysteme, welche in der Industrietechnik, der Gebäudetechnik und der Informationstechnik zum Einsatz kommen.


Was ist eine TVS-Diode?

Wenn Sie nach dem Gang über einen Teppichboden einen Steckverbinder an Ihren PC anschließen, dann kann es bei der Verbindung der Anschlüsse eine statische Entladung mit einer Potentialdifferenz von bis zu 35 kV geben.

Die Anschlüsse in Form von USB, HDMI, Ethernet, e-SATA, SD-Karten und weitere, leiten diese in das Geräteinnere durch, welches durch ESD-Standards mit einer TVS-Diode abgesichert ist.

Die Platinen im Geräteinneren sind mit ihr vor Überspannung geschützt. Deswegen bedeutet Transient Voltage Suppressor wörtlich übersetzt Dämpfer für vorübergehende Spannungen.

rot: ohne TVS-Diode; blau: mit TVS-Diode; y-Achse: Spannung;  x-Achse: Zeit


Wie funktioniert die TVS-Diode?

Transient Voltage Suppressor, kurz TVS oder Suppressor sind passive Bauelemente, zum Schutz von Halbleiterbauteilen vor ungewollten Hochspannungsspitzen.

Datensignale, welche von einer Peripherieschnittstelle zu einem Schaltkreis gelangen, werden entstört und Überspannungsimpulse, sogenannte ESD-Impulse werden abgeleitet.

Die Querschnittsfläche ist an den PN-Übergängen größer als bei herkömmlichen Dioden. Dies bewirkt, dass zu große Ströme im Leistungsbereich von 200 W bis 30 kW bei Spannungen von 3 V bis 376 V abgeleitet werden. 

1. Transiente Spannung + ; 2. Transiente Spannung -
3. Geklemmte Spannung + ; 4. Geklemmte Spannung -
5. Spitzenstrom ; 6. Zu schützender Schaltkreis


Welche Signale werden geschützt?

Links: Unidirektionale Charakteristik
Rechts: Bidirektionale Charakteristik

Unidirektionale Signale sind Gleichspannungen und werden typischerweise entweder zum Senden oder Empfangen in eine Richtung eingesetzt. Bidirektional bedeutet, dass die Signale in beide Richtungen übertragen werden können. Sowohl das Senden, als auch das Empfangen von Daten über eine Leitung werden geschützt. Diese Ausführung der Diode besteht aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden, die unidirektionale nur aus einer einzelnen.

In den folgenden Bildern ist für die jeweilige Bauform die Schaltcharakteristik in einer Dioden Kennlinie und das entsprechende Schaltsymbol zu sehen.

Bei Unidirektional liegt das High-Signal bei H = VBR und das Low-Signal bei L = 0 V,  (s.Abb. links)

bei Bidirektional liegt das High-Signal bei H = VBR und das Low-Signal bei L = -VBR.  (s.Abb. rechts)


Was ist der Rail to Rail Schutz?

Der Rail to Rail ist eine Kombination aus TVS- und Klemmdiode. Er kennzeichnet sich durch eine kürzere Ansprechzeit und ist im Gegensatz zu Uni-/Bi-direktionalen Signalen für sehr schnelle Frequenzen und somit für Ultra-High-Speed Datenleitungen geeignet.

Aufgrund der hohen Datenfrequenz gewinnen die parasitären Kapazitäten an Bedeutung, denn die Diode verhält sich im nichtleitenden Zustand wie ein Kondensator.
Die Diodenkapazität wird aufgrund der Zeit, die zum Laden beziehungsweise Entladen nötig ist, möglichst gering gewählt.
Deswegen bietet die Anordnung nur einen vergleichsweise schwachen Überspannungsschutz.
Häufig werden diese Anordnungen als integrierte Schaltkreise in Arrays gegliedert und als Chips in gängigen Bauformen ausgeliefert.


Welchen Mehrwert bringt die Verwendung?


Bei der Markteinführung von technischen Produkten innerhalb der europäischen Union muss ein Wirtschaftsakteur kennzeichnen, dass die Waren den Anforderungen der geltenden Gesetze und Verordnungen entsprechen und diese in eigener Verantwortung geprüft wurden. Die freigegebenen Produkte sind dann gut sichtbar, mit einem wie im folgenden Bild zu sehendem CE-Kennzeichen ausgestattet.

Eine Prüfung ist beispielsweise die auf elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV. Dabei wird die Störfestigkeit gegen eingeleitete und induzierte Spannungsemissionen geprüft.

Die International Electrotechnical Commission, kurz IEC, hat eine Reihe von Normen aufgestellt, in denen Prüfaufbauten und Parameter für die EMV-Prüfung festgelegt sind. Das Deutsche Institut für Normung hat in die Vorschriften der Europäische Normenreihe die DIN EN 6100, analog zu der IEC 6100 integriert. Der Verband Deutscher Elektrotechniker tat dies mit der VDE 0847.

Da die TVS-Diode gut zur Ableitung elektrischer Spannungsspitzen geeignet ist, schauen wir uns exemplarisch die Norm für Elektrostatische Entladung IEC/DIN EN 61000-4-2 beziehungsweise die VDE 0847-4-2 etwas genauer an.

In der folgenden Tabelle sind die Parameter aufgelistet, die ein Gerät zur Eingruppierung in eine der vier Level störungsfrei bestehen muss. Ist das zu prüfende Gerät ordnungsgemäß mit einer TVS-Diode ausgestattet, dann wird es diese Prüfung bestehen und entspricht somit den Anforderungen für die CE-Kennzeichnung in diesem Bereich.

Elektrostatische Entladung ESD
(IEC/DIN EN 61000-4-2; VDE 0847-4-2)
  Kontaktentladung  Luftentladung
Level Kontaktspannung Teststrom Testspannung Teststrom
1 ±2 kV 7,5 A ±2 kV 7,5 A
2 ±4 kV 15 A ±4 kV 15 A
3 ±6 kV 22,5 A ±6 kV 22,5 A
4 ±8 kV 30 A ±8 kV 30 A

Wo werden TVS-Dioden angewendet?
 

Sie kommt häufig in der Datenübertragung zum Einsatz. Dort ist sie nach der Peripherieschnittstelle, parallel zu den vor Überspannungen geschützten Schaltkreisen in axial bedrahteter Bauform eingesetzt.

Am Beispiel Powerbank: Beim Hinzufügen oder Abschalten des Ladestroms kommt es zu Spannungsspitzen. Durch die TVS-Diode bleibt der Strom an der Elektronik stabil. Beim Platinen Layout sollte auf eine galvanische Trennung geachtet werden. Dies ist bei hochwertigen Powerbanks relevant, die als Notstromaggregat dienen, damit die Spannungsversorgung nachfolgender Geräte unterbrechungsfrei gewährleistet wird.


Wie finde ich die richtige TVS-Diode?
 

1.      Die Impuls-Verlustleistung PPPM ist die maximale Leistung, die eine Diode bei einem ESD-Puls ableiten oder in thermische Energie umwandeln kann, ohne dabei beschädigt zu werden. Ermittelt wird diese durch die Klemmspannung Vc multipliziert mit dem definierten Stromimpuls IPP. 

PPPM = Vc * IPP

2.      Die maximale Sperrspannung VWM des Signals festlegen. Hierbei muss darauf geachtet werden, um welche Signalart es sich handelt. Die maximale Sperrspannung entspricht in etwa der Betriebsspannung.

VWM

3.      Die Durchbruchspannung VBR liegt in etwa 10% über der Sperrspannung und ist der Grenzwert, ab dem die Diode leitfähig wird.

VBR

4.      Die parasitäre Kapazität CT sollte möglichst gering gewählt werden, da sonst das Signal undeutlich wird. Sie richtet sich nach der Signalgeschwindigkeit. Als Leitsatz gilt: Je höher die Frequenz, desto geringer die Kapazität. Die Signalintegrität ist nicht mehr gegeben, wenn durch den Einsatz das Signal zu stark gedämpft wird. 

CT

5.      Die Gehäuseform ist abhängig von der Funktion und von der Anzahl der zu schützenden Kanäle nI/O. Die Dioden können zu Arrays zusammengefasst und platzsparend als IC eingesetzt werden. 

nI/O

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