目前,国外已普遍使用一种高效能的电路保护器件——TVP(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR),可译作瞬变电压抑制器,或瞬变电压抑制二极管,其电路符号和普通稳压二极管相同。它的外形与普通二极管无异,但却能“吸收”高达数千瓦的浪涌功率。TVP具有体积小、功率大、响应快、无噪声、价格低等诸多优点,使它广泛应用于家用电器、电子仪器、精密设备、自动控制、计算机系统等各个领域。
TVP器件的主要特点是,在反向应用条件下,当承受一个高能量的瞬时大脉冲时,其工作阻抗立即降至很低的导通值,允许大电流通过,同时把电压箝制到预定水平。因此,可有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVP所能承受的瞬时脉冲电流峰值可达数百安培,其箝位响应时间仅为1×10\(^{-}\)12秒;TVP所允许的正向浪涌电流,在25℃、1/120秒的条件下,也可达50~200安培。另一类TVP是双向的,它正负两个方向均可“吸收”瞬时大脉冲,把电路电压箝制到预定水平。这类双向TVP用于交流电路是极方便的。
TVP的V-I特性曲线如图1所示。TVP的正向特性与一般二极管没有什么区别;反向击穿拐点近似“直角”,表明器件为典型的PN结雪崩器件。虚线表明,假设在瞬时大脉冲条件下,那么器件的击穿电压便升至略高些的箝位电压值,并保持在这一稳定水平上。图示各参数定义如下:I\(_{R}\)—规定的最大反向漏电流;VR—变位电压,对应于电流I\(_{R}\)的电压值,这个电压约为击穿电压VB的85%;I\(_{T}\)—规定的测试电流;VB—击穿电压,对应于电流I\(_{T}\)的电压值;IPP—瞬时峰值脉冲电流;V\(_{C}\)—最大箝位电压,在峰值脉冲电流IPP下测得的最大电压值。最大箝位电压与击穿电压之比称为箝位因子,表示为:C\(_{f}\)=WC/V\(_{B}\),一般箝位因子仅为1.2~1.4。

主要参数V\(_{C}\)、IPP反映了TVP器件的浪涌抑制能力。在承受额定的瞬时峰值脉冲电流I\(_{PP}\)时,用特殊的取样方法观察TVP的特性,得到如图2那样的曲线。图中表明,当瞬时峰值脉冲电流出现时,TVP被击穿,并由击穿电压上升至预定的箝位电压值;在规定的脉冲时间内,稳定在最大箝位电压水平以下。随着脉冲电流呈指数下降,箝位电压亦下降,恢复原来状态。因此,TVP将抑制可能是经常出现的浪涌功率的冲击,而有效地保护电子线路。

瞬时脉冲功率由下式决定:P=∫I(t)·V(t)dt。TVP的最大允许脉冲功率则为:P\(_{M}\)=VC·I\(_{PP}\)。显然,最大允许脉冲功率愈大,TVP所能承受的峰值脉冲电流愈大;另一方面,额定的PM确定以后,TVP所能承受的峰值脉冲电流,随着箝位电压的降低而增加。因此,如果电路的最大电压较低(即所要求的箝位电压较低),那么就允许承受更大的峰值脉冲电流。
TVP最大允许脉冲功率除了和峰值脉冲电流及箝位电压有关外,还和脉冲波形、脉冲持续时间及环境温度有关。
对于几种不同的脉冲波形,P\(_{M}\)=K·VC·I\(_{PP}\)。式中K为功率系数,图3中给出了几种典型波形的K值。

图4所示为最大允许脉冲功率和脉冲时间的关系曲线。图中描绘了0.5kw和1.5kw系列TVP的最大允许脉冲功率随脉冲持续时间增加的降额曲线。典型的脉冲持续时间为1ms。

最大允许脉冲功率随环境温度增高的降额曲线,如图5所示。曲线表明,环境温度超过30℃,最大允许脉冲功率呈线性下降;在175℃时,脉冲功率为零。

一般地说,TVP所能承受的瞬时脉冲指的是不重复的脉冲。而实际应用中,电路里可能出现重复性脉冲。TVP器件规定,脉冲重复率(脉冲持续时间和间歇时间之比)为0.01%。如不符合这一条件,脉冲功率的“积累”有可能使TVP“烧毁”。电路设计人员应注意这一点。
TVP的工作是可靠的。即使长期承受不重复性大脉冲的高能量冲击,也不会出现所谓“老化”问题。试验证明,TVP安全工作于10000次脉冲后,其最大允许脉冲功率仍为原值的80%以上。
在选用TVP时,必须根据电路的具体条件而定。一般有以下几点原则:(1)最大箝位电压不大于电路的最大允许电压;(2)变位电压不低于电路的最大工作电压;(3)在标准脉冲持续时间10~1000μs下测定的最大允许脉冲功率必须大于电路中出现的峰值脉冲功率。
下面是几个TVP在电路应用中的典型例子。
TVP用于交流电路:见图6,这是一个双向TVP在交流电路中的应用,可以保护整流桥及负载中所有的元器件。TVP的箝位电压不大于电路的最大允许电压。图7所示,是用单向TVP并联于整流管旁侧,以保护整流管不被瞬时脉冲击穿。选用的TVP必须和整流管相匹配。


TVP用于直流电路:图8所示为两个单向TVP连接在电源线路中,用以防止直流电源反接,或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏。当电路连接有感性负载,如电机、继电器线圈、螺线管时,会产生很高的瞬时脉冲电压。图9中的TVP可以保护晶体管及逻辑电路,从而省去了较复杂的电阻/电容保护网路。(阎平)

