電子設計 - PCBクランプダイオードと過渡電圧保護

クランプダイオードと過渡電圧保護はPCB設計において非常に重要である。ダイオードはPN接合で作られた半導体で、多くの電子製品は初心者に知られている。アノードが正電圧に接続され、カソードがカソードに接続されている場合、ダイオードは順バイアスと呼ばれます。印加電圧が接合電圧（通常0.7 V）よりも大きい限り、電流はダイオードを流れる。

しかし、電圧が逆方向に印加されたら？負バイアスでは、端子両端の電圧が破壊電圧を超えない限り、ダイオードは非導通状態になる。この状態では、逆バイアスされたPN接合が電子の流れを妨げるため、ダイオードは開放されたようになる。

クランプダイオードは、この2つの特性を用いてPCB基板設計回路における入力電圧を操作する場所である。クランプダイオードはレベルシフタとしてもよいし、過渡電圧からコンポーネントを保護するためにも使用できる。

クランプ回路のダイオード

PCB正極クランプ回路。

クランプ回路は交流入力、ダイオード、コンデンサ、負荷抵抗からなる。クランプ回路は、正の構成と負の構成に分けられる。上図は、実際には正レベル変換器である正クランプ回路を示しています。

その仕組みは次のとおりです。

最初の正サイクルでは、ダイオードは逆バイアス状態にあり、ダイオードに電流が流れていない。したがって、第1の出力ピークは入力に等しい。

入力が負サイクルに入ると、ダイオードは順バイアス状態になる。電流の伝導を開始し、コンデンサをピーク電圧の大きさまで充電します。入力電圧が正周期に近づくと、コンデンサは電荷を保持し続ける。負周期では、出力電圧は0 V、すなわち0.7 Vであり、ダイオードの接合電圧である。

次の正サイクルでは、ダイオードは再び逆バイアス状態になる。ダイオードが開回路する。しかし、キャパシタは前のサイクルで入力電圧振幅に充電される。これで、電荷は負荷抵抗によって放出され、入力端に正電圧ピークが印加されます。入力電圧とコンデンサに蓄積された電荷の両方は、出力電圧で測定された振幅を2倍にすることになります。

しかしPCB負極クランプ回路は？ダイオードの方向を反転させるだけで、反転動作する交流レベル変換器を得ることができる。

クランプダイオードの過渡的保護

クランプダイオードはベースライン電圧ドリフトだけではない。それらは過渡事象、特にESDと落雷サージを緩和することができる。例えば、入力電圧がVh以上に上昇すると、D 1は順バイアスされる。そのため、負荷ではなく、過大な電流がD 1を流れる。電流制限抵抗器は通常、ダイオードが制限値内で動作することを保証するためにダイオードの前に配置される。

入力電圧がVL以下に低下した場合も同様で、D 2が活性化されます。負荷から余分な電流を取り除き、電圧をVh以下に保つことにより、これらのダイオードは過渡電圧によるコンポーネントの損傷を防止するのに役立ちます。

通常、PCB ESDまたはサージ保護のために、電流処理能力がより強く、接合電圧が低く、導通時間が速いダイオードを選択します。電流制限抵抗器はまた、大量の電流が通過する際に大量の熱を抑制することができる必要がある。