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半導體放電管的工作原理與主要電氣參數(shù)

嘉峪檢測網(wǎng)        2024-08-01 08:35

半導體放電管是一種電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管,也稱固定放電管、浪涌抑制晶閘管,是一種采用半導體工藝制成的PNPN結(jié)四層結(jié)構(gòu)器件。是根據(jù)可控硅原理采用離子注入技術(shù)生產(chǎn)的一種新型保護器件,具有精確導通、快速響應(yīng)、浪涌吸收能力強,雙向?qū)ΨQ、可靠性高等特點。

 

圖1: 貼片半導體放電管

 

1、工作原理

 

基于半導體晶閘管開關(guān)特性,當兩端電壓低于擊穿電壓時呈高阻狀態(tài),相當于開路;當兩端電壓高于擊穿電壓時立刻響應(yīng),變?yōu)榈妥锠顟B(tài),且電阻極低,相當于短路,過壓引起的浪涌電流會及時通過半導體放電管轉(zhuǎn)移到地。

圖2: 典型雙向半導體放電管縱結(jié)構(gòu)示意圖

 

半導體放電管一般并聯(lián)在電路中應(yīng)用,電路正常工作狀態(tài)下TSS處于截止狀態(tài),電路中由于過電壓、雷擊浪涌等出現(xiàn)異常過電壓時,TSS快速導通泄放電流,保護后端設(shè)備免遭異常過電壓的損壞,異常過電壓消失后,TSS又恢復到截止狀態(tài)。    

 

2、半導體放電管伏安特性分析

 

 

 

圖3: 半導體放電管伏安特性和開關(guān)特性

 

TSS開關(guān)特性包含四個區(qū)域:斷態(tài)區(qū)、擊穿區(qū)、負電阻區(qū)和通態(tài)區(qū)。

 

v斷態(tài)區(qū)

斷態(tài)區(qū)是電壓-電流特性的高電阻、低電流區(qū)。該區(qū)域從原點延伸至擊穿起始點。斷態(tài)電流包含反向電流和所有表面漏電流,在該區(qū)可施加反向截止電壓和測量TSS的漏電流。

v擊穿區(qū)

擊穿區(qū)是電壓-電流特性的低電阻、高電壓區(qū)域。該區(qū)域是從電壓-電流特性的高動態(tài)電阻的低電流部分開始變化,至顯著的低動態(tài)電阻區(qū)、電流劇增的區(qū)域。最終當TSS正反饋出現(xiàn)足以激活開通時,該區(qū)域終止。

v負電阻區(qū)

負電阻區(qū)表示從擊穿區(qū)開關(guān)點到通態(tài)狀態(tài)的軌跡。該區(qū)域是一個動態(tài)狀態(tài),TSS管正反饋隨時間而增加導致電流增加,這引起TSS兩端的電壓降低,直至達到通態(tài)狀態(tài)。

 

【負阻效應(yīng)】:

 

也被稱為負微分電阻效應(yīng),是指某些電路或電子元件在某特定端口電流增加時,電壓反而減少的特性。    

v通態(tài)區(qū)

通態(tài)區(qū)是電壓-電流特性的低電阻、高電流部分。在通態(tài)狀態(tài)時,完全正反饋的晶閘管通過的電流產(chǎn)生最低電壓降。剛好維持通態(tài)的最小電流定義為維持電流低于該電流會導致TSS關(guān)斷。

 

3、半導體放電管主要電氣參數(shù)

 

   半導體放電管電氣參數(shù)包含:反向截止電壓、反向最大漏電流、維持電流、峰值脈沖電流、轉(zhuǎn)折電壓、轉(zhuǎn)折電流、通態(tài)電壓、通態(tài)電流、靜態(tài)電容。

 

v反向截止電壓(VRM)

反向截止電壓(VRM)也稱斷態(tài)重復峰值電壓,斷態(tài)時刻施加的包含所有直流和重復性電壓分量的額定最高(峰值)瞬時電壓。

v反向最大漏電流(IRM)

反向最大漏電流,也稱斷態(tài)重復峰值電流,是指施加斷態(tài)重復峰值電壓VRM產(chǎn)生的最大(峰值)斷態(tài)電流。

圖4: 斷態(tài)重復峰值電壓VRM的試驗電路    

 

VRM的測試電路如上圖所示,測試驗證當TSS持續(xù)承受額定斷態(tài)重復峰值電壓時,維持高阻抗斷態(tài)的能力。斷態(tài)重復峰值電壓的額定值應(yīng)施加在器件兩端,測量IRM應(yīng)不超過規(guī)定的IRM最大值,試驗后器件的任何規(guī)定特性應(yīng)無劣化。

v維持電流(IH)

維持電流是指維持半導體放電管通態(tài)的最小電流,一旦流過的電流值小于維持電流,半導體就會恢復到截止狀態(tài)。

v靜態(tài)電容(C)

半導體放電管處于關(guān)斷狀態(tài)下的結(jié)電容,也稱為在靜態(tài)時的電容值。

v 峰值脈沖電壓(VPP)與峰值脈沖電流(IPP)

峰值脈沖電壓是在給定波形下TSS可承受的最大峰值脈沖電壓值,峰值脈沖電流是在給定波形下TSS導通時能夠承受的最大脈沖電流。

VPP與IPP是衡量TSS耐受浪涌沖擊能力的兩個參數(shù),兩者都是越大越好。TSS根據(jù)應(yīng)用場合選擇10/700us和8/20us波形進行測量。

v通態(tài)電壓(VT)與通態(tài)電流(IT)

在規(guī)定通態(tài)電流IT條件下器件兩端的電壓,當電壓升高到半導體放電管完全導通時,半導體放電管呈現(xiàn)很小的阻抗,此時兩極電壓為導通電壓。

在通態(tài)條件下,流過半導體放電管的電流,則稱為通態(tài)電流。

              

圖5: 通態(tài)電壓與通態(tài)電流測試電路

 

采用上圖所示電路測試通態(tài)電壓,試驗發(fā)生器TG用來產(chǎn)生TSS伏安特性曲線波形,TG由電流源和300ohm的分流電阻組成,試驗發(fā)生器應(yīng)使DUT轉(zhuǎn)換進入通態(tài),通態(tài)電壓VT值應(yīng)在通態(tài)電流IT的規(guī)定時間和規(guī)定值條件下測量。也可采用晶體管圖示儀對TSS的通態(tài)電壓及通態(tài)電流進行測量,從圖示儀的伏安特性曲線上讀出VT與IT。

 

v轉(zhuǎn)折電壓(VS)與轉(zhuǎn)折電流(IS)

 

轉(zhuǎn)折電壓也稱開關(guān)電壓,定義為器件轉(zhuǎn)換進入通態(tài)前,在擊穿區(qū)終點時器件兩端的瞬時電壓。

 

在開關(guān)電壓VS條件下流過器件的瞬時電流是開關(guān)電流,也被稱為轉(zhuǎn)折電流。VS與IS的測試方法可參考通態(tài)電壓與通態(tài)電流的測試方法。

 

4、TSS典型應(yīng)用電路

 

半導體放電管(TSS)廣泛應(yīng)用于通信、安防、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、激光設(shè)備等電子產(chǎn)品的通信保護電路中。

vRS232/RS485通訊接口靜電浪流涌防護方案

RS232/RS485通訊信號在工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療、自動化設(shè)備有著廣泛的應(yīng)用,因長距離傳輸?shù)脑?,線纜都較長,容易耦合外部靜電浪涌干擾,損壞設(shè)備,使用TSS器件做浪涌防護、靜電放電防護,效果非常好,具體參考線路設(shè)計如下:    

圖6: TSS在RS232/RS485通訊防護應(yīng)用

v視頻信號靜電浪涌防護方案

監(jiān)控設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、自動化控制設(shè)備中視頻信號端口被廣泛應(yīng)用,尤其是在視頻監(jiān)控領(lǐng)域,視頻信號長距離傳輸時很容易耦合外部浪涌干擾、靜電放電干擾,TSS管配合電阻即可以做浪涌防護,又可以做靜電放電干擾防護,具體參考線路設(shè)計如下:

圖7: TSS在視頻信號端口防護應(yīng)用    

 

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來源:風陵渡口話EMC

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