TVS-Dioden

Was sind TVS-Dioden? Was macht sie besonders? Finden wir es heraus und lernen, wie sie Schaltungen vor Spannungsspitzen schützen können.

TVS-Dioden

TVS-Dioden (engl. Transient Voltage Suppressor) oder auch Suppressordioden sind Dioden, die speziell für den Schutz von Schaltkreisen konzipiert sind. Hierzu wird eine TVS-Diode in Sperrrichtung parallel zu einer Schaltung angeschlossen.

Der Aufbau der Schaltung gleicht dem der einer Z-Diode, die zur Spannungsregelung oder als Spannungsreferenz verwendet wird. Technisch gesehen ist das tatsächlich so. Es handelt sich um eine Shuntreglerschaltung. Sie wird jedoch anders verwendet. Um einen 5 V Stromkreis zu schützen, wählt man eine TVS-Diode, die erst knapp über 5 V zu leiten beginnt. Die TVS-Diode dient nämlich als Überspannungsschutz und nicht als Spannungsregler. Sie verhindert Spannungsspitzen, indem sie diese absorbiert.

TVS-Dioden sind Z-Dioden, allerdings sind ganz spezielle Z-Dioden. Eine TVS-Diode kann große Mengen an Energie absorbieren. Kleine Z-Dioden sind in der Regel für 0,5 W ausgelegt, TVS-Dioden können mehrere hundert Watt und oft mehr als ein Kilowatt für eine sehr kurze Zeitspanne aufnehmen, ohne beschädigt zu werden. Kurzfristig ist hier das Stichwort. Eine kurze Zeit reicht aus, um zu verhindern, dass eine Spannungsspitze eine Schaltung beschädigt. Für Dauerlasten hingegen sind die TVS-Dioden nicht gedacht.

Was ist eine kurze Zeitspanne? Das ist im Datenblatt der jeweiligen Diode angegeben. Wichtig zu wissen ist, dass Werte wie die Impuls-Verlustleistung von TVS-Dioden nach bestimmten Industrienormen wie z.B. der IEC61643-123 (10/1000 µs Kurve) ermittelt werden. Solche Normen gehen von bestimmten Annahmen über die erwarteten Spannungsspitzen aus. Die 10/1000 µs Kurve versucht beispielsweise, kurze, aber leistungsstarke Spannungsspitzen, wie sie bei Blitzeinschlägen oder statischen Entladungen (ESD) auftreten, nachzubilden. Spannungsspitzen, die durch induktive Lasten verursacht werden, dauern aber oft länger an. In einem solchen Fall ist ein Derating der TVS-Diode erforderlich.

Da die TVS-Diode eine so hohe Leistung aufnehmen kann, ist es nicht erforderlich, einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe zu schalten. Die Impedanz von Stromquelle und Kabeln ist normalerweise hoch genug. Daher muss keine Energie durch einen zusätzlichen Strombegrenzungswiderstand verschwendet werden.

Das schematische Symbol für TVS-Dioden ist identisch mit dem für Z-Dioden verwendeten Symbol. Wird das Schaltzeichen richtig genutzt, muss man jedoch zwischen zwei Arten von TVS-Dioden unterscheiden: unidirektionale und bidirektionale TVS-Dioden.

Unidirektionale TVS-Dioden werden für Gleichstromkreise benutzt. Wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden, leiten sie wie normale Dioden etwa 0,7 V. Ihre Nennspannung gilt nur, wenn sie in Sperrichtung betrieben werden.

Bidirektionale TVS-Dioden sind für Wechselstromkreise gedacht, bei denen es keine feste Polarität gibt. Eine bidirektionale TVS-Diode besteht aus zwei antiseriellen unidirektionalen TVS-Dioden. Sie verhält sich gleich, unabhängig davon, in welche Richtung der Strom fließt.

Eigenschaften von TVS-Dioden

TVS-Dioden lassen sich durch die folgenden Eigenschaften charakterisieren:

• Maximale Sperrspannung (\(V_{RM}\)): Spannung, bis zu der die Diode - abgesehen von einem geringen Leckstrom - nicht leitet.
• Durchbruchspannung (\(U_{BR}\)): Spannung, bei der die Diode in Sperrrichtung zu leiten beginnt.
• Peak-Impuls-Verlustleistung (\(P_{PP}\)): Maximale Verlustleistung, die die Diode im Falle einer Spannungsspitze gemäß den Annahmen der verwendeten Norm bewältigen kann.
• Klemmspannung (\(U_{CL}\)) und Spitzenimpulsstrom (\(I_{PP}\)): Spannung, bei der die Diode den maximalen Impulsstrom leitet. Oft werden mehrere Wertepaare oder eine Grafik für \(U_{CL}\) und \(I_{PP}\) angegeben.

Wählt man eine TVS-Diode für eine Schaltung aus, so sollte die Sperrspannung der Versorgungsspannung der Schaltung entsprechen. Ein zusätzlicher, interessanter Wert ist die Klemmspannung. Wie fast alle Bauteile hat auch eine TVS-Diode einen Innenwiderstand (\(R_{DYN}\)). Dieser dynamische Innenwiderstand begrenzt ihre Fähigkeit, die Spannung herunterzuregeln. Je höher der Innenwiderstand und der Strom, der durch die TVS-Diode fließt, desto höher ist die Spannung, die der geschützte Stromkreis ausgesetzt ist. Die Klemmspannung gibt an, wie hoch diese Spannung sein wird. Niedrigere Werte bedeuten dabei einen besseren Schutz.

Wo braucht man TVS-Dioden?

TVS-Dioden sollten überall dort eingesetzt werden, wo potenziell schädliche Spannungsspitzen zu erwarten sind. Dies ist typischerweise bei externen Anschlüssen auf einer Leiterplatte und bei induktiven Lasten der Fall. Für letztere nutzt man in der Regel eine Freilaufdiode, für erstere ist eine TVS-Diode die richtige Wahl. Welche Anschlüsse sollte man schützen, und wie macht man das?

Ein erster typischer Anwendungsfall ist der Schutz vor Spannungsspitzen, die durch eine Stromversorgung verursacht werden. Dies ist besonders empfehlenswert, wenn die Stromversorgung regelmäßig ein- und ausgesteckt wird oder wenn Generatoren verwendet werden, wie dies im Automobilbereich der Fall ist. Die TVS-Diode sollte zwischen den zwei Versorgungsleitungen, in unmittelbarer Nähe des Anschlusses, auf der Platine platziert werden.

Ein zweiter typischer Anwendungsfall ist der Schutz einer Schaltung mit externen Anschlüssen gegen elektrostatische Entladungen (ESD). Auch das ist besonders wichtig, wenn ein Stecker oft ein- und ausgesteckt wird, wie z.B. bei einem USB-Anschluss. In diesem Fall ist es sinnvoll, TVS und Schutzdioden zu kombinieren. Schottky-Dioden können den Stromfluss mehrerer Datenleitungen zu einer einzigen TVS-Diode ableiten. Alle Dioden müssen dabei jedoch in der Lage sein, den hohen Spitzenstrom zu verkraften, weshalb nicht jede Schottky-Diode für diese Schutzschaltung verwendet werden kann. In der Regel wird ein spezialisiertes IC verwendet, dass alle erforderlichen Dioden vereint. Auch dieses sollte in unmittelbarer Nähe zum Anschluss verbaut werden.