Giới thiệu về vai trò của TVS trong bảo vệ mạch điện

Trong việc vận hành hệ thống điện tử, điện áp có thể dao động do nhiều nguyên nhân khác nhau. Một số yếu tố chủ yếu có thể kể đến như việc đóng cắt tải cảm, khởi động động cơ, vận hành rơ-le hay phóng tĩnh điện. Tất cả những việc này có thể tạo ra các xung điện áp tăng cao trong thời gian rất ngắn và có khả năng làm hỏng linh kiện bán dẫn, từ đó gây ra các vấn đề nhiễu tín hiệu và ảnh hưởng đến độ tin cậy của toàn bộ hệ thống. Chính vì vậy, đi-ốt chống quá áp tức thời (Transient Voltage Suppressor - TVS) được sử dụng rộng rãi trong các mạch bảo vệ điện tử để hạn chế những rủi ro này. Trong đó, TVS chỉ cho phép một dòng điện rò rất nhỏ đi qua khi điện áp nằm trong giới hạn hoạt động bình thường. Vì vậy, linh kiện sẽ nhanh chóng dẫn điện để hạn chế điện áp tăng lên và chuyển hướng dòng điện xung khỏi các bộ phận nhạy cảm khi xuất hiện xung quá áp. 

Các kỹ sư cần cân nhắc đến nhiều yếu tố khi lựa chọn TVS, bên cạnh việc tìm kiếm linh kiện có điện áp định mức phù hợp với điện áp nguồn. Trong đó, điện áp đánh thủng (Breakdown Voltage) và điện áp kẹp (Clamping Voltage - VC) là hai thông số thường được xem xét. Hai thông số này mô tả những trạng thái hoạt động khác nhau của TVS mặc dù chúng có mối liên hệ chặt chẽ. Chính vì vậy, các kỹ sư cần hiểu rõ sự khác biệt giữa hai thông số này để lựa chọn linh kiện bảo vệ phù hợp với các điều kiện quá áp trong thực tế.

Điện áp đánh thủng của TVS là gì?

Theo lý thuyết, điện áp đánh thủng được định nghĩa là mức điện áp trong đó TVS bắt đầu đi vào vùng đánh thủng và dẫn đến một dòng điện thử nghiệm xác định. Trong tài liệu của nhà sản xuất, thông số này thường được ký hiệu là VBR. TVS sẽ hoạt động với trở kháng cao và chỉ có một dòng điện nhỏ khi chúng ở mức điện áp thấp hơn mức điện áp đánh thủng. Dòng điện qua linh kiện cũng tăng đáng kể khi điện áp tăng đến vùng đánh thủng. Nhờ TVS có những đặc tính mà chúng có thể phản ứng với các tình huống quá áp, các hoạt động bình thường của mạch không bị ảnh hưởng nhiều.

Khi các nhà sản xuất xác định điện áp đánh thủng tại một dòng điện thử nghiệm cụ thể trên thực tế, thì giá trị này còn có thể dao động trong phạm vi dung sai được công bố và chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Chính vì vậy, các kỹ sư sẽ đánh giá thời điểm TVS bắt đầu dẫn điện thông qua qua điện áp đánh thủng.

Điện áp kẹp của TVS là gì?

Theo định nghĩa, điện áp xuất hiện giữa hai đầu TVS khi linh kiện dẫn một dòng điện xung có đỉnh xác định trong điều kiện thử nghiệm được gọi là điện áp kẹp và thông số này thường được ký hiệu là VC. TVS dẫn dòng điện mạnh hơn để hạn chế sự gia tăng điện áp khi điện áp tăng vượt vùng đánh thủng. Tuy vậy,điện áp của một linh kiện thực tế không thể duy trì hoàn toàn cố định trong mọi điều kiện. Điện áp giữa hai đầu TVS tăng khi dòng điện xung tăng lên do linh kiện có điện trở hữu hạn. Chính vì vậy, điện áp đánh thủng thường thấp hơn điện áp kẹp.

Ví dụ, một TVS có điện áp kẹp là 21 V và điện áp đánh thủng là 13 V tại một dòng điện xung đỉnh nhất định. Các thông số mang ý nghĩa rằng linh kiện bắt đầu dẫn trong vùng điện áp đánh thủng, nhưng khi chịu dòng điện xung tương ứng thì điện áp giữa hai đầu nó có thể đạt khoảng 21 V. Tuy nhiên, mức điện điện áp kẹp 21 V có thể không đủ an toàn nếu TVS được sử dụng để bảo vệ một vi mạch chỉ chịu được điện áp tối đa 18 V. Trong trường hợp này, linh kiện được bảo vệ có thể có nguy cơ bị hư hỏng do điện áp vượt giới hạn cho phép dù TVS vẫn có thể hoạt động theo đúng đặc tính được thiết kế. Điểm khác biệt này xuất phát từ việc TVS bắt đầu hoạt động và việc TVS bảo vệ hiệu quả cho mạch điện. Chính vì vậy, thay vì chỉ dựa vào điện áp đâm thủng của TVS, các kỹ sư cần quan tâm đến điện áp xuất hiện thực sự trên linh kiện được bảo vệ trong quá trình xảy ra xung quá áp.

So sánh giữa điện áp đánh thủng và điện áp kẹp

Theo nguyên lý, hai thông số điện áp đánh thủng và điện áp kẹp sẽ phản ánh những đặc tính khác nhau của cùng một linh kiện. Trong đó, điện áp đánh thủng sẽ cho biết TVS bắt đầu dẫn điện đáng kể tại điều kiện dòng điện thử nghiệm được quy định, còn điện áp kẹp thể hiện điện áp giữa hai đầu linh kiện khi nó đang dẫn dòng điện xung lớn hơn. Sự khác biệt này xuất phát từ việc chúng có ý nghĩa trong việc bảo vệ. Cụ thể, nếu một TVS có điện áp đánh thủng phù hợp thì chưa chắc đã đảm bảo điện áp kẹp đủ thấp để bảo vệ linh kiện điện tử nhạy cảm. Trong đó, các kỹ sư cũng cần chú ý điện áp làm việc liên tục tối đa (Maximum Reverse Working Voltage hay VRWM) bên cạnh hai thông số nêu trên. Điều này là do điện áp làm việc liên tục tối đa là mức điện áp mà TVS được thiết kế để hoạt động bình thường mà không đi vào vùng đánh thủng đáng kể.

Khi lựa chọn linh kiện, các kỹ sư cần lựa chọn VRWM phù hợp với điện áp cao nhất của hệ thống trong điều kiện vận hành bình thường, đồng thời cũng cần lưu ý lựa chọn điện áp kẹp đủ thấp để không vượt quá giới hạn chịu đựng của các linh kiện cần bảo vệ. Chính vì vậy, khi lựa chọn TVS, các kỹ sư cần lưu ý thỏa mãn việc cân bằng giữa yêu cầu về việc không dẫn điện ngoài ý muốn trong điều kiện bình thường và hạn chế hiệu quả điện áp xảy ra xung quá áp.

Kết luận

Nhìn chung, khi lựa chọn TVS, các kỹ sư cần lưu ý các ý nghĩa khác nhau của điện áp đánh thủng và điện áp kẹp. Trong đó, việc bố trí PCV và quá trình kiểm tra trong điều kiện vận hành thực tế cũng đóng vai trò quan trọng bên cạnh việc lựa chọn linh kiện.