تحلیل جامع از حفاظت در برابر ضربه صاعقه: مقایسه کامل دیودهای TVS، واریستورها و لوله‌های تخلیه گازی

1. چرا حفاظت از ولتاژ گذرا ناشی از صاعقه ضروری است؟

در طول طوفان‌های تندری، تخلیه‌های قدرتمند صاعقه، پالس‌های الکترومغناطیسی (EMP) با مقیاس بزرگ تولید می‌کنند. این ولتاژ/جریان گذرا‌های با ولتاژ بالا می‌توانند از طریق خطوط برق، خطوط سیگنال، یا سیستم‌های ارت به مدارهای داخلی منتقل شوند و منجر به موارد زیر شوند:

خرابی و شکست ICها (مدارهای مجتمع)

اختلال در سیستم‌های ارتباطی

خطاهای خروجی سنسورها

گرمای بیش از حد و آسیب به دستگاه‌های برقی

از دست دادن داده‌ها در واحد‌های حافظه/ذخیره‌سازی

در کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا مانند کنترل صنعتی، سیستم‌های برقی، تجهیزات شبکه، و دوربین‌های نظارتی، استفاده از دستگاه‌های موثر حفاظت از ولتاژ گذرا به یک الزام ایمنی در طراحی تبدیل شده است.

2. مروری بر سه دستگاه اصلی حفاظت در برابر اضافه ولتاژ

این سه نوع مؤلفه — دیودهای TVS، واریستورها و لوله‌های تخلیه گازی — یا نوع کلامپینگی یا نوع سوئیچینگ دستگاه‌های حفاظتی هستند. عملکرد آن‌ها این است که به سرعت ولتاژ گذرا را به زمین یا دورتر از مدار اصلی هدایت کنند، باقیمانده ولتاژ را کاهش داده و مدار اصلی را محافظت کنند.

3. مقایسه جامع پارامترهای عملکرد اصلی

3.1 زمان پاسخ

دیود TVS: < 1ns (در سطح پیکوثانیه)، ایده‌آل برای سرعت بالا در مهار اضافه ولتاژهای گذرایی مانند ESD و پالس‌های EFT.

واریستور: زمان پاسخگویی معمولی ده‌ها تا صدها نانوثانیه، مناسب برای اختلالات با سرعت متوسط.

GDT: کندترین پاسخ (25–100ns یا بیشتر)، مناسب برای جذب ولتاژهای ناگهانی با انرژی بالا.

نتیجه‌گیری: برای پاسخ سریع‌تر، دیود TVS بهترین انتخاب است.

3.2 ظرفیت جریان ناگهانی

دیود TVS: ده‌ها تا صدها آمپر (شکل موج 8/20μs)، برای کاربردهای کم‌قدرت.

واریستور: 1kA–40kA بسته به مشخصات فنی، مناسب برای سیستم‌های با توان متوسط.

GDT: 10kA–100kA، و مقاومت بسیار خوب در برابر ولتاژهای ناگهانی مکرر (>500 بار).

نتیجه‌گیری: برای کاربردهای با جریان بالا، GDT ایده‌آل است.

3.3 ولتاژ قطع

دیود TVS: ولتاژ قطع دقیق، کمی بالاتر از ولتاژ شکستن.

واریستور: دامنه گیر ولتاژ بسیار متفاوت است، کمتر از TVS دقیق است.

GDT: پس از شکست هدایت می‌کند و مقاومت کمی دارد، اما بازیابی آهسته و گیر بین ولتاژ ناپایدار است.

نتیجه: برای مدارهایی که کنترل دقیق ولتاژ را می‌طلبد، TVS ترجیح داده می‌شود.

۳.۴ عمر و دوام

دیود TVS: مناسب برای رویدادهای جریان ناگهانی محدود؛ مدل‌های صنعتی پیشنهادی هستند.

واریستور: مستعد فرسودگی است؛ مشخصات الکتریکی با استفاده کاهش می‌یابد.

GDT: بهترین مقاومت در برابر ضربه و عمر طولانی، برای ضربه‌های متعدد مناسب است.

نتیجه: از GDT در محیط‌های پرخطر یا بیرونی استفاده کنید.

۳.۵ یکپارچه‌سازی و انعطاف‌پذیری طراحی

دیود TVS: می‌تواند با فیلترهای EMI/RFI یکپارچه شود؛ برای طراحی‌های فشرده مناسب است.

واریستور و GDT: قطعات گسسته بزرگ؛ مناسب برای طرح‌های PCB با تراکم بالا نیستند.

نتیجه‌گیری: دیود حفاظت از ولتاژ گذرا (TVS) برای دستگاه‌های هوشمند و الکترونیک‌های کوچک ایده‌آل است.

4. سناریوهای کاربردی پیشنهادی

5. استراتژی حفاظت سه‌مرحله‌ای: طراحی ضربه‌گیر با قابلیت اطمینان بالا

معماری حفاظت معمولی از سه سطح تشکیل شده است:

حفاظت اولیه: استفاده از GDT یا قطعات جریان گذرنده برای جذب انرژی اضافی

حفاظت ثانویه: استفاده از MOV برای جذب انرژی باقی‌مانده

حفاظت سطح سوم: استفاده از TVS برای کنترل ولتاژ پسماند و حفاظت از ICها

این معماری تعادل مناسبی بین سرعت واکنش، ظرفیت جریان و کنترل ولتاژ ایجاد می‌کند و به همین دلیل راه‌حل ارجح برای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ در دستگاه‌های مدرن است.

6. نتیجه‌گیری

هیچ دستگاه واحدی نمی‌تواند تمام الزامات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ را فراهم کند:

برای واکنش سریع: TVS را انتخاب کنید

برای توانایی تحمل جریان بالا: GDT را انتخاب کنید

برای تعادل هزینه و عملکرد: MOV را انتخاب کنید

طراحی بهینه باید ترکیبی از این سه دستگاه را با توجه به ولتاژ سیستم، نوع اینترفیس و شرایط محیطی به کار گیرد تا حداکثر قابلیت اطمینان حاصل شود.