Úvod
Při specifikaci přepěťové ochrany pro elektrické systémy čelí inženýři zásadní volbě mezi třemi základními technologiemi: Metal Oxide Varistor (MOV), Gas Discharge Tube (GDT) a Transient Voltage Suppressor (TVS) dioda. Každá technologie nabízí odlišné výkonové charakteristiky vycházející z různých fyzikálních principů – MOVy využívají nelineární keramický odpor, GDT využívají ionizaci plynu a TVS diody využívají polovodičový lavinový průraz.
Výběr nespočívá v nalezení “nejlepší” technologie. Spíše jde o sladění základních kompromisů s požadavky aplikace. MOV, který vyniká v rozvodu střídavého proudu, může katastrofálně selhat na vysokorychlostní datové lince. GDT ideální pro telekomunikační rozhraní by byl nevhodný pro 5V DC napájecí lištu. TVS dioda ideální pro I/O na úrovni desky by mohla být přetížena na venkovním obvodu vystaveném blesku.
Tento článek zkoumá každou technologii od základních principů, vysvětluje fyziku rozdílů v jejich výkonu a poskytuje kvantifikované srovnání v oblasti doby odezvy, upínacího napětí, zvládání energie, kapacity, chování při stárnutí a nákladů. Ať už navrhujete rozvod energie SPD, chráníte komunikační rozhraní nebo koordinujete vícestupňovou ochranu, pochopení těchto základních rozdílů vám pomůže vybrat komponenty, které skutečně chrání – nejen projdou nákupem.
Obrázek 0: Fyzické srovnání tří technologií přepěťové ochrany. Vlevo: MOV (Metal Oxide Varistor) zobrazuje charakteristický modrý keramický disk z oxidu zinečnatého s radiálními vývody – fyzická velikost se mění s jmenovitým napětím (tloušťka disku) a proudovou kapacitou (průměr disku). Uprostřed: GDT (Gas Discharge Tube) zobrazuje válcový utěsněný skleněný/keramický obal obsahující inertní plyn a elektrody – hermetická konstrukce zajišťuje stabilní charakteristiky přeskokového napětí. Vpravo: TVS Diode demonstruje různá polovodičová pouzdra od kompaktních SMD (0402, SOT-23) po větší průchozí formáty (DO-201, DO-218) – velikost křemíkového čipu určuje jmenovitý pulzní výkon. Zásadní fyzické rozdíly odrážejí zásadně odlišné provozní principy: přechody na hranicích keramických zrn (MOV), plazma ionizace plynu (GDT) a polovodičový lavinový průraz (TVS).
MOV (Metal Oxide Varistor): Struktura a princip fungování
Metal Oxide Varistor je keramické polovodičové zařízení, jehož odpor dramaticky klesá s rostoucím napětím. Díky tomuto chování závislému na napětí se chová jako automatická napěťová svorka – silně vede během přepětí a zůstává téměř neviditelný během normálního provozu.
Vnitřní architektura
MOV se skládá ze zrn oxidu zinečnatého (ZnO) slinutých dohromady s malým množstvím vizmutu, kobaltu, manganu a dalších oxidů kovů. Kouzlo se děje na hranicích zrn. Každá hranice mezi sousedními zrny ZnO tvoří mikroskopickou Schottkyho bariéru – v podstatě malý back-to-back diodový přechod. Jeden disk MOV obsahuje miliony těchto mikro-přechodů spojených v komplexní trojrozměrné sériově-paralelní síti.
Objemové vlastnosti zařízení vycházejí z této mikrostruktury. Tloušťka disku určuje provozní napětí (více hranic zrn v sérii = vyšší jmenovité napětí). Průměr disku určuje proudovou kapacitu (více paralelních cest = vyšší rázový proud). Proto datové listy MOV specifikují varistorové napětí na milimetr tloušťky a proto jsou vysokoenergetické MOVy pro rozvod energie fyzicky velké blokové nebo diskové sestavy.
Princip fungování
Při napětích pod varistorovým napětím (Vᵥ) zůstávají přechody na hranicích zrn v režimu ochuzení a zařízení odebírá pouze svodový proud na úrovni mikroampér. Když přepětí vyžene napětí nad Vᵥ, přechody se prorazí kvantovým tunelováním a lavinovým násobením. Odpor se zhroutí z megaohmů na ohmy a MOV odvede rázový proud do země.
Tento přechod je v podstatě rychlý – sub-nanosekundy na úrovni materiálu. Standardní katalogové MOVy dosahují doby odezvy pod 25 nanosekund, omezené primárně indukčností vývodů a geometrií pouzdra spíše než fyzikou ZnO. Charakteristika napětí-proud je vysoce nelineární, typicky popsaná rovnicí I = K·Vᵅ, kde koeficient nelinearity α se pohybuje od 25 do 50 (ve srovnání s α = 1 pro lineární rezistor).
Klíčové specifikace a chování
Zvládání energie: MOVy vynikají v pohlcování energie přepětí. Výrobci udávají energetickou kapacitu pomocí 2milisekundových obdélníkových pulzů a rázový proud pomocí standardního průběhu 8/20 µs. Blokové MOVy pro rozvod energie zvládnou 10 000 až 100 000 ampér rázového proudu v jednotlivých událostech.
Stárnutí a degradace: Opakované vystavení přepětí způsobuje kumulativní mikrostrukturální poškození. Varistorové napětí se posouvá dolů, svodový proud se zvyšuje a upínací výkon se zhoršuje. Silné přetížení může propíchnout hranice zrn a vytvořit trvalé vodivé cesty. Z tohoto důvodu datové listy specifikují redukční faktory pro opakující se přepětí a kritické instalace by měly monitorovat svodový proud MOV jako parametr údržby.
Typické aplikace: Ochrana proti přepětí v síti AC, rozvodné panely, průmyslové pohony motorů, těžká zařízení a jakákoli aplikace vyžadující vysokou absorpci energie s rychlou (nanosekundovou) odezvou.
Obrázek 1: Řez MOV ukazující zrna oxidu zinečnatého (ZnO) zapuštěná v keramické matrici s intergranulárními hranicemi (zvětšený detail). Každá hranice zrn tvoří mikroskopickou Schottkyho bariéru, vytvářející miliony mikro-přechodů v sériově-paralelní konfiguraci. Fyzické rozměry disku – tloušťka určuje jmenovité napětí (více hranic v sérii), průměr určuje proudovou kapacitu (více paralelních cest) – přímo řídí výkon přepěťové ochrany.
GDT (Gas Discharge Tube): Struktura a princip fungování
Gas Discharge Tube zaujímá zásadně odlišný přístup: místo upínání napětí nelineárním odporem vytváří dočasný zkrat, když napětí překročí prahovou hodnotu. Tato akce “crowbar” odvádí rázový proud ionizovaným plynem spíše než polovodičovými materiály.
Vnitřní architektura
GDT se skládá ze dvou nebo tří elektrod utěsněných uvnitř keramického nebo skleněného obalu naplněného inertním plynem (typicky směs argonu, neonu nebo xenonu při subatmosférickém tlaku). Mezera mezi elektrodami a složení plynu určují průrazné napětí. Hermetické utěsnění je kritické – jakákoli kontaminace nebo změna tlaku by změnila charakteristiky průrazu.
Tříelektrodové GDT jsou běžné v telekomunikačních aplikacích, poskytují ochranu linka-linka a linka-zem v jedné komponentě. Dvouelektrodové verze slouží pro jednodušší konfigurace linka-zem. Elektrody jsou často potaženy materiály, které snižují průrazné napětí a stabilizují tvorbu oblouku.
Princip fungování
Za normálních podmínek je plyn nevodivý a GDT vykazuje téměř nekonečnou impedanci (>10⁹ Ω) s extrémně nízkou kapacitou – typicky pod 2 pikofarady. Když přechodné napětí překročí napětí přeskokového napětí, elektrické pole ionizuje plyn. Volné elektrony zrychlují a srážejí se s atomy plynu, uvolňujíce více elektronů v lavinovém procesu. Během zlomku mikrosekundy se mezi elektrodami vytvoří vodivý plazmový kanál.
Jakmile je ionizován, GDT vstoupí do obloukového režimu. Napětí na zařízení se zhroutí na nízké obloukové napětí – typicky 10-20 voltů bez ohledu na počáteční průrazné napětí. Zařízení nyní funguje jako téměř zkrat, odvádějící rázový proud plazmou. Oblouk přetrvává, dokud proud neklesne pod “přechodový proud z doutnavého výboje do oblouku”, typicky desítky miliampér.
Toto chování crowbar vytváří kritickou konstrukční úvahu: pokud chráněný obvod může dodávat dostatečný “následný proud” nad prahovou hodnotou doutnavého výboje, GDT se může uzamknout ve vodivosti i po skončení přechodného jevu. Proto GDT v síti AC vyžadují sériový odpor nebo koordinaci s jističi proti proudu. U nízkoimpedančních DC napájecích zdrojů může být uzamčení následným proudem katastrofální.
Klíčové specifikace a chování
Kapacita rázového proudu: GDT zvládají extrémně vysoké rázové proudy – typická zařízení telekomunikační třídy jsou dimenzována na 10 000 až 20 000 ampér (průběh 8/20 µs) s vícečetnou odolností. Tato vysoká kapacita pochází z distribuované povahy plazmového kanálu spíše než z lokalizovaných polovodičových přechodů.
Kapacita: Definiční výhodou GDT je jejich kapacita pod 2 pF, díky čemuž jsou transparentní pro vysokorychlostní signály. Proto dominují ochraně telekomunikačních linek: xDSL, kabelové širokopásmové připojení a Gigabit Ethernet nemohou tolerovat kapacitu MOV nebo mnoha TVS zařízení.
Doba odezvy: GDT jsou pomalejší než polovodičová zařízení. Průraz typicky nastává během stovek nanosekund až několika mikrosekund, v závislosti na překmitu napětí (vyšší dV/dt urychluje ionizaci). Pro rychlé přechodné jevy na citlivé elektronice jsou GDT často spárovány s rychlejšími svorkami v koordinovaném schématu ochrany.
Stabilita a životnost: Kvalitní GDT vykazují vynikající dlouhodobou stabilitu. Testovací metody ITU-T K.12 a IEEE C62.31 ověřují výkon po tisících cyklů přepětí. Telekomunikační GDT uznávané UL vykazují minimální posun parametrů po desetiletích provozu.
Typické aplikace: Ochrana telekomunikačních linek (xDSL, kabel, optická vlákna), vysokorychlostní ethernetová rozhraní, RF a anténní vstupy a jakákoli aplikace, kde je nezbytné minimální zatížení linky a impedance zdroje přepětí je dostatečně vysoká, aby zabránila uzamčení následným proudem.
Obrázek 2: Konstrukce a provozní chování Gas Discharge Tube (GDT). Levý diagram ukazuje vnitřní strukturu: hermeticky uzavřená plynová komora s mezerou mezi elektrodami a náplní inertního plynu (argon/neon). Pravý graf ilustruje odezvu ionizace – když přechodné napětí překročí prahovou hodnotu přeskokového napětí, plyn se ionizuje a vytvoří vodivý plazmový kanál, napětí se zhroutí do obloukového režimu (~10-20V) a rázový proud se odvede plazmou, dokud proud neklesne pod prahovou hodnotu přechodu z doutnavého výboje do oblouku.
TVS Diode: Struktura a princip fungování
Transient Voltage Suppressor diody jsou křemíková lavinová zařízení navržená speciálně pro upínání přepětí. Kombinují nejrychlejší doby odezvy s nejnižšími upínacími napětími dostupnými v komponentech přepěťové ochrany, což z nich činí preferovanou volbu pro ochranu citlivých polovodičových obvodů.
Vnitřní architektura
TVS dioda je v podstatě specializovaná Zenerova dioda optimalizovaná pro vysoký pulzní výkon spíše než pro regulaci napětí. Křemíkový čip obsahuje silně dotovaný P-N přechod navržený tak, aby vstoupil do lavinového průrazu při přesném napětí. Plocha čipu je mnohem větší než u ekvivalentních Zenerových regulátorů, aby zvládla špičkové proudy přepěťových událostí – stovky ampér v submikrosekundových pulsech.
Princip fungování
Při normálním provozním napětí pracuje TVS dioda v závěrném směru pouze se svodovým proudem na úrovni nanoampér. Když přechodný jev překročí závěrné průrazné napětí (V_BR), křemíkový přechod vstoupí do lavinového násobení. Nárazová ionizace generuje záplavu párů elektron-díra a odpor přechodu se zhroutí. Zařízení upíná napětí na úrovni průrazu plus dynamický odpor krát rázový proud.
Fyzika je čistě polovodičová bez mechanického pohybu, ionizace plynu nebo změny fáze materiálu. To umožňuje doby odezvy v nanosekundovém rozsahu – pod 1 ns pro holý křemík, i když indukčnost pouzdra typicky posouvá efektivní odezvu na 1-5 ns pro praktická zařízení. Charakteristika napětí-proud je velmi strmá (nízký dynamický odpor), což zajišťuje těsné upnutí.
Klíčové specifikace a chování
Jmenovité hodnoty pulzního výkonu: Výrobci TVS specifikují výkonovou kapacitu pomocí standardizovaných šířek pulzu (typicky exponenciální průběhy 10/1000 µs). Běžné produktové řady nabízejí pulzní jmenovité hodnoty 400W, 600W, 1500W nebo 5000W. Špičková proudová kapacita se vypočítá z pulzního výkonu a upínacího napětí – zařízení 600W s 15V upnutím zvládne přibližně 40A špičkově.
Upínací výkon: TVS diody nabízejí nejnižší upínací napětí ze všech technologií přepěťové ochrany. Poměr upínacího napětí k klidovému napětí (V_C/V_WM) je typicky 1,3 až 1,5, ve srovnání s 2,0-2,5 pro MOV. Tato těsná kontrola je kritická pro ochranu 3,3V logiky, 5V USB, 12V automobilových obvodů a dalších zátěží citlivých na napětí.
Kapacita: Kapacita TVS se široce liší v závislosti na konstrukci zařízení. Standardní přechodové TVS diody mohou vykazovat stovky pikofaradů, což zatěžuje vysokorychlostní datové linky. Nízko-kapacitní TVS řady navržené pro HDMI, USB 3.0, Ethernet a RF používají specializované geometrie přechodů a dosahují pod 5 pF na linku.
Stárnutí a spolehlivost: Na rozdíl od MOV vykazují TVS diody minimální posun výkonu při jmenovitém pulzním namáhání. Křemíkový přechod se kumulativně nedegraduje z opakovaných přepětí v rámci jmenovitých hodnot. Režimy selhání jsou typicky otevřený obvod (anihilace přechodu) nebo zkrat (tavení metalizace), oba nastávají pouze při extrémním přetížení hluboko za jmenovitými hodnotami.
Typické aplikace: Ochrana obvodů na úrovni desky (I/O porty, napájecí lišty), USB a HDMI rozhraní, automobilová elektronika, DC napájecí zdroje, komunikační datové linky a jakákoli aplikace vyžadující rychlou odezvu a těsné upnutí napětí pro polovodičové zátěže.
Obrázek 3: Charakteristická křivka napětí-proud (I-V) TVS diody ukazující polovodičový lavinový provoz. Při normálním napětí (klidová oblast V_WM) si zařízení udržuje vysokou impedanci se svodovým proudem nanoampér. Když přechodný jev překročí závěrné průrazné napětí (V_BR), křemíkový P-N přechod vstoupí do lavinového násobení – odpor přechodu se zhroutí a zařízení upíná napětí na V_C (průrazné napětí plus dynamický odpor × rázový proud). Strmá křivka (nízký dynamický odpor) poskytuje těsnou kontrolu napětí kritickou pro ochranu polovodičových zátěží.
Upínání vs Crowbar: Dvě filozofie ochrany
Zásadní rozdíl mezi těmito technologiemi spočívá v jejich filozofii ochrany. MOV a TVS diody jsou upínací zařízení– omezují napětí na specifickou úroveň úměrnou rázovému proudu. GDT jsou crowbar zařízení– vytvářejí zkrat, který zhroutí napětí na nízkou zbytkovou úroveň bez ohledu na velikost proudu.
Chování upínání (MOV a TVS): Jak se rázový proud zvyšuje, upínací napětí roste podle nelineární V-I křivky zařízení. MOV dimenzovaný na 275V RMS se může upnout na 750V pro ráz 1 kA, ale vzroste na 900V při 5 kA. TVS dioda dimenzovaná na 15V klidového napětí se může upnout na 24V pro 10A, ale dosáhne 26V při 20A. Chráněná zátěž vidí napětí určené amplitudou rázu a charakteristikami zařízení.
Chování Crowbar (GDT): Jakmile dojde k průrazu, GDT vstoupí do obloukového režimu a napětí se zhroutí na 10-20V bez ohledu na to, zda je rázový proud 100A nebo 10 000A. To poskytuje vynikající ochranu po spuštění, ale počáteční přeskok může umožnit napěťovou špičku před dokončením ionizace. Proto citlivé zátěže za GDT často potřebují sekundární rychlou svorku.
Každá filozofie vyhovuje různým aplikacím. Upínací zařízení chrání omezením vystavení napětí. Crowbar zařízení chrání odvedením proudu. Upínání funguje, když chráněný obvod může tolerovat upínací napětí. Crowbar funguje, když má zdroj přepětí dostatečně vysokou impedanci, aby zkratování linky nepoškodilo zařízení proti proudu nebo nezpůsobilo problémy s následným proudem.
MOV vs GDT vs TVS: Srovnání vedle sebe
Následující tabulka kvantifikuje klíčové rozdíly ve výkonu mezi těmito třemi technologiemi přepěťové ochrany:
| Parametr | MOV (Metal Oxide Varistor) – varistor s oxidem kovu | GDT (Gas Discharge Tube) | TVS dioda |
| Princip fungování | Nelineární odpor závislý na napětí (hranice zrn ZnO) | Plynová ionizační zkratka | Polovodičový lavinový průraz |
| Mechanismus ochrany | Omezení napětí | Zkratka | Omezení napětí |
| Doba odezvy | <25 ns (typické katalogové díly) | 100 ns – 1 µs (závislé na napětí) | 1-5 ns (omezeno pouzdrem) |
| Omezovací/obloukové napětí | 2.0-2.5 × MCOV | 10-20 V (obloukový režim) | 1.3-1.5 × V_standoff |
| Rázový proud (8/20 µs) | 400 A – 100 kA (závislé na velikosti) | 5 kA – 20 kA (telekomunikační třída) | 10 A – 200 A (řada 600W ~40A) |
| Zvládání energie | Vynikající (100-1000 J) | Vynikající (distribuované plazma) | Střední (omezeno přechodem) |
| Kapacita | 50-5000 pF (závislé na ploše) | <2 pF | 5-500 pF (závislé na konstrukci) |
| Chování při stárnutí | Degraduje s cykly rázů; V_n klesá | Stabilní po tisíce rázů | Minimální drift v rámci jmenovitých hodnot |
| Režim selhání | Degradace → zkrat nebo přerušení | Zkrat (udržování oblouku) | Přerušení nebo zkrat (pouze katastrofické) |
| Riziko následného proudu | Nízké (samozhášecí) | Vysoké (vyžaduje externí omezení) | Žádné (v pevné fázi) |
| Typický rozsah napětí | 18V RMS – 1000V RMS | 75V – 5000V DC jiskřiště | 3.3V – 600V standoff |
| Náklady (relativní) | Nízké ($0.10 – $5) | Nízké-Střední ($0.50 – $10) | Nízké-Střední ($0.20 – $8) |
| Normy | IEC 61643-11, UL 1449 | ITU-T K.12, IEEE C62.31 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| Primární Aplikace | AC síť, distribuce energie, průmysl | Telekomunikační linky, vysokorychlostní data, anténa | I/O na úrovni desky, DC napájení, automobilový průmysl |
Klíčové poznatky z porovnání
MOVy nabízejí nejlepší rovnováhu mezi zvládáním energie, rychlou odezvou a náklady pro rázy na úrovni napájení. Dominují ochraně AC sítě, ale trpí kapacitní zátěží ve vysokofrekvenčních obvodech a kumulativním stárnutím při opakovaném namáhání.
GDT vynikají tam, kde je kritická minimální zátěž linky a musí být maximalizována schopnost rázového proudu. Jejich ultra-nízká kapacita je činí nenahraditelnými v telekomunikačních a RF aplikacích, ale pomalejší odezva a riziko následného proudu vyžadují pečlivý návrh obvodu.
TVS diody poskytují nejrychlejší a nejtěsnější omezení pro citlivou elektroniku. Jsou jedinou praktickou volbou pro ochranu polovodičových I/O při napětích pod 50V, ale omezená energetická kapacita znamená, že nezvládnou rázy na úrovni blesku, které MOVy a GDT běžně absorbují.
Obrázek 4: Profesionální srovnávací tabulka kontrastující technologie MOV (Metal Oxide Varistor) a TVS (Transient Voltage Suppressor) napříč klíčovými specifikacemi. MOVy vykazují vyšší poměry omezovacího napětí (2.0-2.5× MCOV) s vynikající absorpcí energie pro rázy na úrovni napájení, zatímco TVS diody poskytují těsnější kontrolu napětí (1.3-1.5× standoff) s rychlejší odezvou (<5 ns) pro ochranu polovodičů. Tabulka zahrnuje jmenovité hodnoty napětí, schopnosti rázového proudu a typické příklady čísel dílů demonstrující doplňkové výkonové obálky každé technologie.
Průvodce výběrem technologie: Kdy kterou použít
Výběr správné technologie ochrany proti přepětí závisí na sladění charakteristik zařízení s požadavky obvodu. Zde je rozhodovací rámec:
Použijte MOV, když:
- Napětí obvodu je AC síť nebo vysokonapěťové DC (>50V): MOVy jsou k dispozici v jmenovitých hodnotách napětí od 18V RMS do více než 1000V, což dokonale odpovídá rezidenčnímu (120/240V), komerčnímu (277/480V) a průmyslovému rozvodu energie.
- Energie rázu je vysoká: Rázy indukované bleskem, spínací přechodné jevy v síti a záběrový proud motoru produkují úrovně energie (stovky až tisíce joulů), které mohou ekonomicky absorbovat pouze MOVy.
- Doba odezvy <25 ns je přijatelná: Většina výkonové elektroniky a průmyslových zařízení toleruje rychlost odezvy MOV.
- Kapacitní zátěž je přijatelná: Při síťových frekvencích (50/60 Hz) je i kapacita 1000 pF zanedbatelná.
- Náklady jsou omezené: MOVy nabízejí nejnižší cenu za joule ochrany.
Vyhněte se MOVům, když chráníte vysokorychlostní komunikační linky (kapacitní zatížení), nízkonapěťové polovodičové obvody (příliš vysoké upínací napětí) nebo aplikace vyžadující zaručený výkon bez driftu po celá desetiletí (obavy ze stárnutí).
Použijte GDT, když:
- Zatížení linky musí být minimální (<2 pF): xDSL modemy, kabelové širokopásmové připojení, Gigabit Ethernet, RF přijímače a anténní vstupy nemohou tolerovat kapacitu MOVů nebo standardních TVS zařízení.
- Schopnost zvládnout rázový proud musí být maximalizována: Telekomunikační ústředny, mobilní věže a venkovní instalace čelí opakovaným rázům blesku s vysokou amplitudou, které překračují jmenovité hodnoty TVS.
- Chráněný obvod má vysokou impedanci zdroje: Telefonní linky (600Ω), anténní napájecí vedení (50-75Ω) a datové kabely lze bezpečně zkratovat bez nadměrného následného proudu.
- Provozní napětí je vysoké (>100V): GDT jsou k dispozici s jiskřivým napětím od 75V do 5000V, pokrývající telekomunikační napětí, PoE (Power over Ethernet) a vysokonapěťovou signalizaci.
Vyhněte se GDT, když chráníte nízkoimpedanční DC napájecí zdroje (riziko následného proudu), obvody vyžadující nejrychlejší odezvu (kritických <100 ns) nebo zátěže citlivé na napětí, které nemohou tolerovat počáteční špičku jiskření (potřebuje sekundární upínání).
Použijte TVS diodu, když:
- Upínací napětí musí být pevně řízeno: Logika 3,3 V, USB 5 V, automobilové obvody 12 V a další polovodičové zátěže vyžadují upínání v rozmezí 20-30 % jmenovitého napětí – to dokážou pouze TVS diody.
- Doba odezvy musí být nejrychlejší (<5 ns): Ochrana vysokorychlostních procesorů, FPGA a citlivých analogových obvodů vyžaduje nanosekundovou odezvu.
- Napětí obvodu je nízké až střední (<100V): Rodiny TVS pokrývají vše od datových linek 3,3 V po telekomunikační napájecí zdroje 48 V.
- Stárnutí/drift nelze tolerovat: Lékařské přístroje, letectví a systémy kritické pro bezpečnost vyžadují předvídatelnou a stabilní ochranu po celou dobu životnosti produktu.
- Prostor na desce je omezený: SMT TVS zařízení v pouzdrech 0402 nebo SOT-23 se vejdou tam, kam se MOVy a GDT nevejdou.
Vyhněte se TVS diodám, když energie rázu překračuje jmenovitý výkon pulzu (typické zařízení 600 W absorbuje pouze ~1 joule), rázový proud překračuje špičkovou hodnotu (typicky 40 A pro 600 W při 15 V) nebo se cena za kanál stane v systémech s více linkami neúnosnou.
Rozhodovací matice
| Aplikace | Primární technologie | Odůvodnění |
| Ochrana AC rozvaděče | MOV (SPD typu 1/2) | Vysoká energie, 120-480V, nákladově efektivní |
| Rozhraní telekomunikační linky | GDT + TVS (stupňovité) | GDT absorbuje energii, TVS upíná zbytkovou energii |
| Datové linky USB 2.0 / 3.0 | Nízko-kapacitní TVS | Rychlé hrany, napájení 5V, vyžadováno <5 pF |
| Ethernet (10/100/1000 Base-T) | GDT (primární) + nízko-kapacitní TVS | Minimální zatížení, vysoké vystavení rázům |
| 24V DC průmyslové I/O | TVS | Pevné upnutí, rychlá odezva, žádné stárnutí |
| PV solární DC vstup | MOV (jmenovitý pro DC) | Vysoké napětí (600-1000V), vysoká energie |
| Automobilové 12V obvody | TVS | Ochrana proti odpojení zátěže, pevné upnutí při 24-36V |
| RF anténní vstup | GDT | Pod 2 pF, vysoký výkon |
| 3.3V napájecí lišta FPGA | TVS (nízko-kapacitní) | Upnutí 6-8V, kritická odezva <1 ns |
Tato matice je výchozím bodem. Složité instalace často kombinují technologie ve vrstvených schématech ochrany, využívající silné stránky každé fáze.
Obrázek 5: Profesionální třístupňové schéma architektury ochrany proti přepětí ilustrující koordinovanou strategii ochrany. Stupeň 1 (Primární): MOV SPD typu 1 na vstupu služby zvládá extrémní energii přepětí (40-100 kA) a upíná napětí z 10+ kV na ~600V. Stupeň 2 (Sekundární): Plynová výbojka odvádí zbytkové vysokonapěťové přechodné jevy a snižuje napětí na ~30V prostřednictvím provozu v obloukovém režimu. Stupeň 3 (Konečný): TVS dioda poskytuje pevné upnutí (<1,5× odstupové napětí) s nanosekundovou odezvou pro ochranu citlivých polovodičových zátěží. Každý stupeň je vybaven řádným uzemněním a koordinací napětí, aby se zajistilo, že se zařízení proti proudu spustí před komponentami po proudu, čímž se vytvoří jasné “předávací” body, které distribuují energii přepětí napříč kaskádou ochrany. Tento vrstvený přístup využívá doplňkové silné stránky technologií MOV (vysoká energie), GDT (nízká kapacita) a TVS (pevné upnutí).
Vrstvená ochrana: Kombinace technologií
Nejrobustnější architektury ochrany proti přepětí se nespoléhají na jedinou technologii. Místo toho koordinují více stupňů, z nichž každý je optimalizován pro jinou část spektra hrozeb. Tento přístup “obrany do hloubky” využívá doplňkové silné stránky technologií MOV, GDT a TVS.
Proč vrstvit ochranu?
Distribuce energie: Jedna TVS dioda nemůže absorbovat ráz blesku 10 kA, ale GDT proti proudu může odvést 99 % této energie, takže TVS upne zbytek. Každý stupeň zvládne to, co umí nejlépe.
Optimalizace rychlosti: GDT trvá stovky nanosekund, než se ionizuje. Během této doby může rychlá TVS po proudu upnout počáteční špičku a zabránit poškození citlivých zátěží. Jakmile se GDT spustí, převezme hromadné odklonění proudu.
Koordinace napětí: Zařízení na vstupu musí selhat dříve než zařízení na výstupu. Správný výběr zajistí, že první stupeň povede například při 600 V, čímž omezí to, co dosáhne druhého stupně (jmenovité napětí 150 V), který zase chrání konečné zatížení (jmenovité napětí 50 V).
Běžné vrstvené architektury
Telekomunikační rozhraní (GDT + TVS):
- Primární stupeň: GDT na hranici rozhraní zvládá přímé údery blesku a vysokonapěťové poruchy napájení (rázy 2-10 kV, až 20 kA).
- Sekundární stupeň: Nízko-kapacitní TVS dioda omezuje zbytkové přechodné jevy na bezpečné úrovně pro transceiver IC (<30V).
- Koordinace: GDT jiskřiště při 400V, TVS průraz při 15V, maximální jmenovitá hodnota transceiveru 12V. TVS chrání během zpoždění ionizace GDT; jakmile GDT sepne, převezme funkci hromadného proudu.
Ethernet PoE (GDT + TVS + Induktor):
- Primární: GDT odvádí rázy blesku z linky do země.
- Sériový induktor: Zpomaluje náběžnou hranu rázu (dV/dt), čímž dává GDT čas na ionizaci a omezuje proud do navazujících stupňů.
- Sekundární: TVS diody na každém diferenciálním páru omezují soufázové a diferenční přechodné jevy, aby chránily Ethernet PHY (±8V max).
Průmyslový AC panel (MOV primární + MOV sekundární):
- Servisní vchod: MOV typu 1 s jmenovitým proudem 40-100 kA zvládá přímé údery blesku (napětí 1,2/50 µs, proudové vlny 10/350 µs podle IEC 61643-11).
- Distribuční panel: MOV typu 2 s jmenovitým proudem 20-40 kA omezuje zbytkové rázy, které se šíří kabeláží budovy.
- Zařízení spotřebiče: SPD typu 3 nebo TVS na úrovni desky plošných spojů poskytuje konečnou ochranu v místě použití.
FV solární systém (MOV DC + TVS):
- Propojovací skříň pole: DC-jmenovitý MOV (600-1000V) na výstupu FV stringu zvládá rázy indukované bleskem.
- Vstup měniče: TVS diody chrání DC-DC měnič a polovodiče MPPT regulátoru, omezují na úrovně, které křemík dokáže přežít.
Klíčem k úspěšné koordinaci je výběr průrazných napětí, která vytvářejí jasné body “předání”, a ověření, že propuštěná energie z jednoho stupně zůstává v rámci jmenovité hodnoty dalšího stupně. Výrobci kompletních SPD systémů (jako je VIOX) často publikují testované, koordinované sestavy, které eliminují tuto složitost návrhu.
Závěr
Výběr komponent pro ochranu proti přepětí není o nalezení “nejlepší” technologie - jde o sladění fyziky s požadavky. MOV využívají keramiku z oxidu zinečnatého k absorbování vysoké energie při napájecích napětích. GDT využívají ionizaci plynu k dosažení minimálního zatížení linky s maximální proudovou kapacitou. TVS diody využívají polovodičovou lavinu pro nejrychlejší a nejtěsnější omezení citlivé elektroniky.
Každá technologie představuje zásadní kompromis:
- MOV vyměňují vyšší omezovací napětí a stárnutí za vynikající manipulaci s energií a náklady.
- GDT vyměňují pomalejší odezvu a riziko následného proudu za ultra-nízkou kapacitu a odolnost proti rázům.
- TVS diody vyměňují omezenou energetickou kapacitu za nejrychlejší odezvu a nejtěsnější kontrolu napětí.
Pochopení těchto kompromisů - zakořeněných v provozních principech, které jsme zkoumali - vám umožní specifikovat ochranu, která skutečně funguje ve vaší aplikaci. 600V MOV na 5V datové lince neochrání. 40A TVS dioda čelící 10 kA rázu blesku katastrofálně selže. GDT na nízkoimpedančním DC napájení se může uzamknout do destruktivního vedení následného proudu.
Pro složité instalace koordinovaná vrstvená ochrana kombinuje více technologií, přičemž každou umisťuje tam, kde funguje nejlépe. GDT absorbuje hromadnou energii, MOV zvládá rázy na úrovni napájení a TVS poskytuje omezení v konečné fázi pro polovodičové zátěže.
Ať už navrhujete SPD pro distribuci energie s jmenovitým proudem 100 kA podle IEC 61643-11, chráníte rozhraní Gigabit Ethernet se zatížením pod 2 pF nebo chráníte 3,3V FPGA I/O, rozhodovací rámec je stejný: slaďte fyziku zařízení s požadavky obvodu, ověřte jmenovité hodnoty proti vlnovým průběhům hrozeb a koordinujte stupně, když jedna technologie nedokáže pokrýt celé spektrum.
O společnosti VIOX Electric: Jako přední výrobce zařízení pro ochranu proti přepětí nabízí VIOX komplexní řešení MOV, GDT a TVS pro rezidenční, komerční a průmyslové aplikace. Náš inženýrský tým poskytuje aplikační podporu pro koordinované ochranné systémy. Navštivte www.viox.com nebo kontaktujte náš tým technického prodeje pro pomoc se specifikací.
