Ratgeber
Die Suppressordiode wird oft auch als "Transient Voltage Suppressor"-Diode (kurz TVS) bezeichnet. Eine Transiente ist ein kurzer Einschwingvorgang nach Veränderungen an der Spannungsquelle. Suppressor ist das englische Wort für Schalldämpfer. Dementsprechend funktioniert das Bauteil: Kurze Spannungsschwankungen werden durch die TVS-Diode gedämpft beziehungsweise herausgefiltert. Diese Spannungsimpulse können beispielsweise durch Schaltvorgänge oder Lastwechsel im Netz, Blitzschläge oder Induktionsvorgänge auftreten. Insbesondere bei Halbleiterbauelementen und Mikroprozessoren können diese Spannungsspitzen ausreichen, um die Bauteile zu zerstören.
Suppressor-Dioden können hohe Spannungen jedoch nur für eine kurze Zeit (im Bereich von Mikrosekunden) vertragen. Eine länger anliegende Überspannung führt zur thermischen Zerstörung der Diode. Ebenfalls können zu hohe Spannungen (größer 100 Volt) ebenfalls zum Bauteilversagen sorgen. Alternativ können dafür Varistoren (spannungsabhängige Widerstände) oder gasgefüllte Überspannungsableiter eingesetzt werden. Bei diesen Bauteilen können über einen längeren Zeitraum höhere Spannung und Leistung anliegen.
Oft werden Schaltungen mit verschiedenen Überspannungsschutzmaßnahmen versehen, um die jeweiligen Vorteile der Bauelemente miteinander zu verbinden. Es werden auch vorgefertigte Module produziert, um beispielsweise Lichtanlagen zu schützen.
Überspannungsschutzdiode für Schaltungen und Microprozessoren
Die TVS-Diode ist ein Halbleiterbauteil, das in Durchlassrichtung wie eine gewöhnliche Diode funktioniert. Das heißt, sie lässt Strom fließen. In Sperrrichtung blockiert sie den Stromfluss bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung. Beim Überschreiten eines definierten Spannungswertes wird die Diode in Sperrrichtung leitend. Dieser Wert wird als Durchbruchspannung bezeichnet. Es können dann für kurze Zeit hohe Ströme fließen, während die Spannung nur sehr gering steigt. Diese Betriebsweise wird genutzt, um Bauteile vor Spannungsspitzen zu schützen und diese abzuleiten.
Unidirektionale TVS-Diode mit einer Durchbruchsspannung von 189 V
Der Vorteil von TVS ist die sehr schnelle Ansprechzeit im Bereich von Pikosekunden. Ebenfalls verursacht die TVS-Diode keinen Spannungseinbruch bei der zu schützenden Schaltung. Das heißt, es wird ein kontinuierlicher Betrieb ohne Unterbrechung gewährleistet.
Es gibt zwei Bauarten von TVS-Dioden: bidirektional und unidirektional. Bidirektionale Dioden werden in Wechselstromkreisen eingesetzt. Dabei sind zwei Dioden gegeneinander in Reihe geschaltet. So verhalten sich bidirektionale Dioden gleich – unabhängig von der Polung. Dabei können sie nur in Sperrrichtung betrieben werden. Unidirektionale Dioden dagegen können auch in Durchlassrichtung eingesetzt werden und finden sich meist in Gleichstromkreisen.
Als Gegenstück zur TVS-Diode findet sich häufig die Z- oder Zenerdiode, welche eine ähnliche Bauteilcharakteristik aufweist. Sie wird ebenfalls in Sperrrichtung betrieben und dient als Spannungsregler und Überlastschutz. Allerdings ist die Durchbruchspannung von Suppressor-Dioden weit höher und es können für kurze Zeit hohe Leistungen im Kilowattbereich abgeleitet werden. Somit können Z-Dioden nur bedingt als Spannungsschutz eingesetzt werden.
Es gibt Suppressordioden für die Oberflächenmontage direkt auf Platinen und als Bauteile mit Drahtanschlüssen. Allgemein werden bidirektionale Dioden mit „CA“ und unidirektionale Dioden mit „A“ gekennzeichnet.
Neben den einfachen Suppressordioden gibt es Bauarten mit mehr als zwei Anschlüssen. Hier befinden sich meist mehrere Dioden in einem Gehäuse. Dabei können bi- und unidirektionale Dioden mit gewöhnlichen Dioden verschalten sein. Diese Schaltungen werden zum Beispiel beim Schutz vor elektrostatischer Entladung (kurz ESD) eingesetzt. Sie finden sich in speziellen Anwendungen im Informatikbereich (Ethernet) oder der Funktechnik. Genaue Darstellungen zur Schaltung und den Anschlüssen finden sich im Datenblatt des Bauteils.
Neben dem Aufbau der TVS Dioden gibt es noch eine Reihe von technischen Daten zu beachten. Bei der Wahl der Bauteile und der Auslegung von Schaltungen finden Sie diese im Datenblatt. Dabei ist zu beachten, dass Dioden temperaturabhängig sind. Somit beziehen sich alle Werte auf eine Bezugstemperatur, welche meist 25 Grad Celsius beträgt.
Weitere Temperaturangaben beschreiben den Bereich, in dem die Dioden eingesetzt oder gelagert werden können. Um den Schutz vor zu hohen Spannungen zu gewährleisten, sollte besonders die Durchbruchspannung UBR (BR: Breakdown Voltage) und der Spitzenstrom IPP (PP: Peak Pulse, maximaler Strom für kurze Zeit) beachtet werden. Dabei ist die Spannung so niedrig zu wählen, dass die Schaltung keinen Schaden nimmt und der Strom so hoch, dass auftretende Impulse abgefangen werden, ohne die Diode zu überlasten.
Die Klemmspannung UC (C: Clamp) darf dabei nicht überschritten werden. Die maximale Leistung (abgekürzt mit Ptot) gibt an, ab welcher Leistung das Bauelement zerstört wird. Dabei gilt der mathematische Zusammenhang: Ptot=UC*IPP. Diese maximale Leistung ist ein Grenzfall und sollte unterschritten bleiben oder maximal nur für sehr kurze Zeit anliegen. Suppressordioden sind nicht für den Dauerbetrieb bei Überspannung ausgelegt.
Nach Möglichkeit sollten Dioden mit geringem Leckstrom gewählt werden. Dieser kleine Strom in Größenordnungen von Mikroampere, fließt bei Nennspannung, also bei dauerhaftem Betrieb. Bei Geräten welche mit Batterien als Stromversorgung arbeiten, ist es wichtig den Leckstrom zu beachten.
Diode mit mehreren Anschlüssen und einer maximalen Temperatur von 85 °C
Fazit: Optimaler Schutz
Heute übliche Stromnetze sind oft komplex und Schaltvorgänge an leistungsstarken Geräten können Netzschwankungen hervorrufen. Viele Elektronikgeräte sind klein und besitzen Bauteile, die empfindlich auf derartige Schwankungen reagieren. Deshalb ist es wichtig, Bauteile vor Spannungsspitzen zu schützen – dafür kommen oft Suppressordioden zum Einsatz. Sie können vielfältig angeordnet werden und bis zu Bereichen im Kilowattbereich betrieben werden. Auch ist die Ansprechzeit im Vergleich zu anderen Bauteilen mit Überspannungsschutzfunktion sehr gering. Das macht sie heute in Bereichen der Mikroelektronik als Schutz vor elektrostatischer Entladung unverzichtbar.