Nghiên cứu và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên mạng máy tính và đường dây điện thoại

Tuy nhiên, do thời gian và trình độ có hạn nên phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ thực hiện tìm hiểu về mặt lý thuyết các phần tử GDT, TVS diode, TPSD , đặc điểm và biện pháp bảo vệ cho m

LỜI CẢM ƠN

T ôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS

Quyền Huy Ánh, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những

tài liệu quan trọng, định hướng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình

tôi nghiên cứu để hoàn thành cuốn luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn quí Thầy Cô trong Bộ môn Điện – Điện Tử thuộc

Trung Tâm Việt Đức Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã động viên, góp ý

và tạo điều kiện tối đa cho tôi thực hiện luận văn này

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được những lời

hỏi thăm, sự động viên nhiệt tình của các anh chị học viên trong lớp Cao Học

khóa 1 ngành thiết bị mạng và nhà máy điện, các bạn đồng nghiệp và gia đình

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi có thể

hoàn thành tốt luận văn này

Học viên thực hiện

Muïc luïc

MUÏC LUÏC

Trang

Mục lục

4.7.4 Công suất xung đỉnh – ảnh hưởng của nhiệt độ 41

6.1.1 Các kiểm tra đối với thiết bị bảo vệ quá áp 48

6.3.3 Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring với đất

Mục lục

9.1.1 Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng điện áp

9.1.2 Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng dòng điện

Chương 10 Kết quả mô phỏng

A Bảo vệ thứ cấp đường dây điện thoại bằng

B Bảo vệ sơ cấp đường dây điện thoại bằng GDT 91

Chương mở đầu

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Ngày nay các thiết bị truyền dữ liệu nói chung đã trở nên rất dễ nhạy cảm

với các xung điện áp và các quá độ Các IC, chip ngày càng nhỏ và có điện áp hoạt động thấp nên chúng rất dễ bị hư hỏng bởi các xung điện áp Một số có thể

bị hư hỏng với xung điện áp chỉ khoảng 20V Có nhiều nguồn gây ra các xung điện áp quá độ tác động vào đường truyền như cảm ứng do sét, cảm ứng do đường dây AC, phóng điện tĩnh điện ESD Mặc dù thời gian tác động là rất ngắn nhưng chúng có năng lượng rất lớn Cơ sở hạ tầng viễn thông, đặc biệt là hệ thống 2 dây thường đi ngoài trời rất dễ bị tác động bởi các nguồn nhiễu trên, đặc biệt là do sét và cảm ứng do sét Năng lượng rất lớn của sét sẽ tạo ra các quá độ

ở các hệ thống lân cận Những tình huống này truyền đi khi sét đánh tạo ra các quá độ lan truyền rất nhanh trong hệ thống điện thoại hay mạng máy tính Điện áp hàng trăm, hàng ngàn vôn tạo ra do quá độ làm hư hỏng các thiết bị viễn thông hay các máy tính Theo thống kê thì một số ít xung sét có cường độ có thể vượt quá 200kA, các giá trị này thường được sử dụng khi nghiên cứu sét đánh trực tiếp Các nghiên cứu của IEEE cho thấy các quá độ cảm ứng do sét trong hệ thống điện thoại thường khoảng vài kV và xung dòng ít khi quá 1kA

Các xung sét là nguồn gây quá độ thường gặp nhất trong các hệ thống

máy tính hay viễn thông Dòng sét có thể chạy trong các dây dẫn do sét đánh hay đi vào cáp ngầm qua các dòng điện tản trong đất Bởi vì đường dây điện thoại thường dùng chung trụ, chung tuyến hay chung cọc nối đất với đường dây

AC nên thường xuyên xuất hiện các dòng điện cảm ứng có giá trị có thể đo được trên dây Tip và Ring Các quá độ điện áp hay dòng điện thường xảy ra trên đường dây điện thoại ở hai dạng đó là: quá độ giữa dây Tip, Ring với đất (longitudinal) và quá độ xảy ra giữa dây Tip và Ring (metallic)

Các bộ bảo vệ thường chia làm 2 loại là bảo vệ thứ cấp và bảo vệ sơ cấp

Các bộ bảo vệ sơ cấp có khả năng chịu công suất lớn hơn nhiều so với các bộ bảo vệ sơ cấp tuy nhiên chúng có ngưỡng tác động kém chính xác hơn Các bộ bảo vệ sơ cấp thường lắp đặt ở tổng đài hoặc tại đầu vào của tòa nhà và thường là tài sản của công ty cung cấp dịch vụ, các bộ bảo vệ thứ cấp thường lắp ở phía khách hàng thuê bao Các bộ bảo vệ thứ cấp thường bao gồm cả bảo vệ quá dòng và quá áp

Chương mở đầu

II GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ

Các thiết bị bảo vệ thường chia ra làm 2 lọai là bảo vệ quá áp và bảo

vệ quá dòng Các thiết bị bảo vệ quá áp thường dùng là GDT (Gas Discharge Tube), MOV (Metal Oxide Varistor), TVS zener và Thyristor Các thiết bị bảo vệ quá dòng là cầu chì và PPTC (Polymeric PTC) Hiện nay, các Thyristor và PPTC là các phần tử bán dẫn bảo vệ tin cậy nhất trong các thiết bị điện tử viễn thông Dưới đây giới thiệu tóm tắt một số đặc điểm về các phần tử bảo vệ này:

 GDT (Gas Discharge Tube) là các ống phóng khí thường có dạng 2 cực và 3 cực các điện cực được giữ ở khoảng cách gần nhau và đặt trong ống có đầy khí Khi có điện áp cao đặt vào giữa các điện cực vượt quá giá trị định mức thì khí bên trong bị ion hóa và xuất hiện dòng điện chạy qua các điện cực Ơû trạng thái không dẫn (off) thì điện trở của ống phóng khí rất cao, nhưng khi dẫn giá trị điện trở này giảm xuống Các GDT có thời gian đáp ứng khá chậm nhưng có thể giải thoát một năng lượng xung khá lớn và có điện dung khá nhỏ từ 1 đến 1,2pf Tuy nhiên chúng thường bị hư hỏng sau vài trăm lần tác động

 MOV (Metal Oxide Varistor) là phần tử bảo vệ thông dụng, rẻ tiền, bền và khả năng dẫn dòng năng lượng lớn mà không hư hỏng Tuy nhiên sau mỗi lần MOV tác động thì khả năng của chúng bị suy giảm Chúng có đáp ứng chậm hơn các phần tử bảo vệ bằng bán dẫn

 TVS diode (Transient Voltage Suppressor Diode) là các diode được chế tạo đặc biệt dùng cho bảo vệ quá áp Chúng có đặc tính là điện áp hoạt động và điện áp kẹp thấp, thời gian đáp ứng khá nhanh khi tác động

 TSPD (Thyristor Surge Protective Device) là phần tử bảo vệ có cấu tạo bán dẫn tin cậy nhất hiện nay Chúng được dùng nhiều trong các thiết bị điện tử viễn thông dùng cho các mục đích bảo vệ quá áp Chúng gồm có 2 cực có khả năng dẫn dòng xung lớn khi có quá áp quá độ giữa hai cực

 PPTC là phần tử dùng bảo vệ quá dòng trong mạch bằng việc tăng giá trị điện trở khi xảy ra quá áp quá độ Chúng có hai ưu điểm lớn là: bảo vệ không gây quá nhiệt trên các điện trở đường dây và khi tác động giới hạn dòng không gây hở mạch Và khi hết quá độ giá trị điện trở của chúng trở lại bình thường (self resetting)

 Cầu chì: khi xảy ra quá dòng thì cầu chì sẽ đứt và làm hở mạch để bảo vệ thiết bị Chúng rất dễ kiểm tra và thay thế khi bị đứt, chúng

Chương mở đầu

là các phần tử ít nhạy cảm so với các linh kiện điện tử Tuy nhiên chúng có thời gian đáp ứng chậm hơn so với các phần tử bảo vệ bán dẫn

Trong hệ thống mạng điện thoại và máy tính thường dùng các phần tử bảo

vệ là GDT, TSPD, TVS diode, và PPTC hay cầu chì Trong mạng điện thoại điện áp bảo vệ của các thiết bị này thường từ 260V đến 350V Mạng máy tính là mạng truyền dữ liệu tốc độ cao nên cần chú ý đến điện dung của bản thân các phần tử bảo vệ sinh ra có thể gây nhiễu và ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu Để giảm điện dung của các phần tử bảo vệ bán dẫn người ta thường mắc thêm các cặp diode song song và nối tiếp để giảm điện dung

Khi sử dụng và thử nghiệm các phần tử bảo vệ này phải tuân theo các

tiêu chuẩn ITU-T K20, K21, Telcordia GR-1089, UL 60950 và TIA-968-A

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu và mô phỏng hành vi của các phần tử bảo vệ trên là hết

sức quan trọng Tuy nhiên, do thời gian và trình độ có hạn nên phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ thực hiện tìm hiểu về mặt lý thuyết các phần tử GDT, TVS diode, TPSD , đặc điểm và biện pháp bảo vệ cho mạng máy tính và đường dây điện thoại Quá trình mô phỏng chỉ thực hiện khảo sát đáp ứng chống lại các quá điện áp trên đường dây gây ra do xung sét lan truyền của các phần tử GDT và TSPD bằng phần mềm Orcad/PSPICE

Phần mô phỏng của đề tài thực hiện mô phỏng dựa trên các mô hình của

các phần tử GDT, TSPD và rút ra các nhận xét về đáp ứng của chúng đối với các dạng xung sét chuẩn khác nhau Các dạng xung sét chuẩn được tạo ra sử dụng trong mô phỏng có các thông số theo các tiêu chuẩn đối với mạng máy tính và viễn thông

Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Chương 1: MẠNG LAN

Mạng LAN là một mạng máy tính tốc độ cao kết nối các máy tính trong một phạm vi tương đối nhỏ Nó chủ yếu dùng kết nối các máy trạm, các máy tính cá nhân, các máy in và một số thiết bị khác Mạng LAN cho phép người sử dụng máy tính nhiều thuận tiện như truy cập dữ liệu chung với các thiết bị và ứng dụng, trao đổi các tập tin và truyền thông giữa các người dùng qua mail hoặc các ứng dụng khác

Hình 1.1 mạng LAN

Truyền dữ liệu trong mạng lan có 3 phương pháp là :

- Unicast transmission: một gói dữ liệu được gửi từ nguồn đến đích trong

một mạng Trước tiên nút nguồn định vị cho gói dữ liệu bằng việc sử dụng địa chỉ nút đích Sau đó, gói dữ liệu được gửi lên mạng và cuối cùng mạng chuyển gói dữ liệu tới đích

- Multicast transmission: bao gồm một gói dữ liệu đơn được copy và gửi

tới một nhóm con các nút trên mạng Trước tiên, nút nguồn định vị cho gói dữ liệu bằng nhiều địa chỉ Sau đó, gói dữ liệu được đưa lên mạng để sao chép và các bản sao chép tới mỗi nút trong mạng con

- Broadcast transmission: Một gói dữ liệu được copy và gửi tới tất cả các

nút trên mạng Trong phương pháp truyền này nút nguồn định vị cho gói dữ liệu bằng địa chỉ tất cả các nút trong mạng Sau đó, gói dữ liệu được đưa lên mạng để sao chép và các bản sao chép tới tất cả các nút trong mạng

Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Cấu trúc của mạng Lan được xác định theo cách mà các thiết bị được kết

nối với nhau trong mạng Hiện có 4 dạng cấu trúc là: bus, ring, start, tree Các cấu trúc mạng này là các cấu trúc logic, nhưng các thiết bị thực không cần phải có kết nối vật lý như các cấu trúc này Cấu trúc bus là một cấu trúc mạng Lan tuyến tính trong đó việc truyền dữ liệu từ các trạm mạng lan truyền tới tất cả các trạm khác với chiều dài đường truyền trung bình

Hình 1.2 Cấu trúc mạng dạng bus

Cấu trúc mạng dạng ring là cấu trúc gồm một chuỗi các thiết bị kết nối nối tiếp với nhau bằng các liên kết truyền đơn hứớng để tạo thành một vòng kín

Cấu trúc mạng dạng start là một cấu trúc mà điểm kết nối cuối cùng được kết nối tới một hub trung tâm, một công tắc hay một kết nối

Hình 1.3 Cấu trúc mạng dạng ring

Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Cấu trúc mạng dạng cây gần giống cấu trúc dạng bus, ngoại trừ các nhánh có thể có nhiều nút

Các thiết bị trong mạng lan thường dunøg là các bộ lặp(repeater), các hub, các bộ mở rộng mạng lan (Lan extender), các chuyển mạch và các router

Trong phạm vi đề tài chỉ giới thiệu về repester và lan extender

Một bộ lặp repeater là thiết bị thuộc lớp vật lý được dùng để kết nối trung gian các đoạn mạng lại với nhau khi mở rộng mạng Các repeater nhận tín hiệu từ các đoạn mạng và khuếch đại, truyền lại các tín hiệu này tới các đoạn mạng khác Các hoạt động này ngăn cản tín hiệu bị suy giảm do chiều dài cáp và số lượng lớn các thiết bị kết nối Ngoài ra, tất cả các tín hiệu điện bao gồm cả các nhiễu điện cũng như các lỗi khác sẽ được lặp lại và khuếch đại

Hình1.5 Vai trò của repeater

Lan extender là công tắc đa tầng truy xuất từ xa (remote access) cho phép kết nối tới máy chủ Lan extender không thể phân đoạn các truyền thông hay tạo ra

Hình 1.4 Cấu trúc mạng dạng cây

Chương1 Giới thiệu mạng LAN

bức tường lửa Hình dưới minh họa một số Lan extender kết nối tới máy chủ qua WAN

Hình 1.6 Các Lan extender kết nối tới host qua WAN

Chương 2 Đường dây điện thoại

Chương 2: ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI

2.1 GIỚI THIỆU

Máy điện thoại sử dụng dòng điện để truyền tải thông tin của âm thanh

Tổng đài gửi tới các máy điện thoại một dòng điện ổn định Khi nói chuyện thì dòng điện từ tổng đài sẽ thay đổi Sự thay đổi này liên hệ trực tiếp đến sự thay đổi của áp suất không khí do người nói tại micro

Bởi vì các máy điện thoại chia sẻ chung một dòng điện tổng, do đó khi nói chuyện thì sự thay đổi của dòng điện ở máy này cũng làm thay đổi dòng điện ở máy kia

Dòng điện mà các máy điện thoại nhận được từ tổng đài lấy từ nguồn 48V Điện áp - 48Vdc được gửi tới các máy điện thoại qua các điện trở và cuộn dây (giá trị các điện trở khoảng từ 2k đến 4k mắc nối tiếp với nguồn Pin)

Hình 2.1 Sơ đồ phác họa đường dây điện thoại

Điện áp 48V được chọn sử dụng bởi vì đó là điện áp vừa đủ để dẫn đi nhiều Km trên các dây điện thoại mà vẫn ở mức thấp vừa đủ để bảo đảm an tòan (theo quy định của nghành điện nhiều nước thì điện áp dưới 50V được coi là

an tòan) Mặt khác 48V cũng có thể dễ dàng có được khi dùng các bình acqui axit chì (4 x12V) Các nguồn ắc qui này được sử dụng ở các tổng đài để đảm bảo chắc chắn hệ thống vẫn hoạt động khi có sự cố từ đường dây cấp nguồn AC, và đưa ra một điện áp rất ổn định giúp cho các mạch trong tổng đài hoạt động tin

Chương 2 Đường dây điện thoại

cậy Điện áp trên đường dây điện thoại được chọn âm để làm cho các phản ứng hóa điện trên dây điện thoại bị ướt sẽ ít nguy hại hơn

Hình 2.2 Nguyên lý giao tiếp đường dây điện thoại điển hình

Khi máy điện thoại ở trạng thái chờ thì điện áp dây Tip là 0V và dây Ring khoảng -48V so với đất Khi nhấc máy sẽ xuất hiện dòng điện và dây Tip trở thành âm và dây Ring trở nên dương (ít âm hơn) Trạng thái điển hình khi nhấc máy là Tip khoảng 20V và Ring khoảng -28V Có nghĩa là chêch lệch khoảng 8V giữa 2 dây trong điều kiện hoạt động bình thường Điện trở DC của mạch điện thoại khoảng từ 200 đến 300 Ohm và dòng điện chạy qua máy từ 20-50mA Khi các dây có điện thế âm hơn so với đất thì các ion kim lọai di chuyển từ đất tới dây thay vì điện thế dương sẽ làm cho các ion kim lọai từ dây chạy xuống đất và như vậy sẽ làm giảm sự bào mòn

Một số nước sử dụng điện áp từ 36V tới 60V Các tổng đài PBX có thể dùng điện áp thấp 24V và điện thế dương thay vì điện thế âm được dùng trong các mạng điện thoại thông thường vì điện thế dương thường được sử dụng trong nhiều mạch điện tử do đó dễ tạo ra và cực tính trong đường dây viễn thông đi trong môi trường tòa nhà không phải là vấn đề quan trọng

Máy điện thoại chỉ có 2 dây là Tip và Ring chúng mang cả 2 tín hiệu loa và micro Chức năng này cho phép gửi và nhận tín hiệu âm thanh một cách đồng thời và hệ thống được thiết kế sao cho mạch cân bằng ở cả 2 đầu và chia tách tín hiệu âm đến và đi nhờ một mạch tích hợp trong mạch giao tiếp mạng của máy Mạch giao tiếp mạng của máy điện thoại nối micro và loa tới đường dây điện thoại Mạch này được thiết kế sao cho nó chỉ gửi dòng điện thay đổi tới máy điện thoại khác qua tác động của loa Dòng điện thay đổi này không được đưa tới loa của chính máy đó Điều này được thực hiện nhờ việc phối hợp tổng trở tốt

Chương 2 Đường dây điện thoại

Đường dây điện thoại ở Mỹ và châu Aâu thường có dải băng tần là 3kHz

Một đường dây điện thoại thông thườg có tần số từ 400Hz đến 3.4kHz Đáp ứng tần số được giới hạn tối đa ở 3.4 kHz là bởi vì giới hạn của các phần tử trong hệ thống điện thoại như : các tụ điện và biến áp, chúng có thể có kích thứơc nhỏ hơn và một lý do nữa mà không dùng tần số thấp hơn vì có thể ảnh hưởng tới tần số nguồn (50/60Hz và sóng hài của chúng) làm tác động tới tín hiệu âm thanh tai nghe

TELEPHONE NETWORK)

Mạng điện thoại đơn giản nhất chỉ gồm 2 máy và một nguồn Pin cung cấp

cho 2 máy :

Hình 2.3 Mạng điện thoại đơn giản nhất

Đối với mạng điện thoại này chỉ dùng cho mục đích quân sự hay các hệ thống liên kết đặc biệt

Việc nối kết thêm nhiều máy điện thoại sẽ tạo ta một mạng lưới điện thoại hữu ích hơn Các điện thoại nối với nhau qua một tổng đài (Central Office : CO), tổng đài cung cấp các kết nối, chuyển mạch, nguồn….đường dây điện thoại nối mỗi máy điện thoại tới tổng đài được gọi là các thuê bao (Subcriber hay loop, local)

Hình 2.4 Mạng điện thoại cục bộ (local)

Tuy nhiên, mạng điện thoại cục bộ này không thể thực hiện các cuộc gọi theo vùng hay cuộc gọi giữa các tổng đài

Chương 2 Đường dây điện thoại

Để thực hiện được cuộc gọi giữa các tổng đài thì cần phải có đường trục nối các tổng đài với nhau

Hình 2.5 Đường trục nối các tổng đài CO

Đuờng trục nối kết các tổng đài khi mới xuất hiện chỉ thực hiện được mỗi lần một cuộc gọi Sang thế kỷ 20, người ta mới thực hiện được khả năng đa hợp miền tần số FDM (Frequency Domain Multiplexing) tại CO cho phép đường dây có thể mang 24 tín hiệu âm cùng lúc FDM trộn các tín hiệu âm và sau đó chia băng thông 96kHz ra thành 24 dải tần số bằng nhau mỗi dải 4kHz, mỗi dải tần số này mang tín hiệu một cuộc gọi

Để thực hiện các cuộc gọi đường dài, người ta kết nối theo sơ đồ:

Hình 2.6 Sơ đồ nối kết các cuộc gọi đường dài

Chương 2 Đường dây điện thoại

Tuy nhiên với phương pháp truyền tín hiệu analog thì chất lượng cuộc gọi sẽ rất kém khi truyền đi xa vì chúng thường bị méo dạng hoặc mất tín hiệu do ảnh hưởng của các nhiễu gây ra Các nguồn nhiễu có thể là các động cơ, máy móc công nghiệp, sét, đèn phóng điện …

Hình 2.7 Các nguồn nhiễu

Đường dây điện thoại hấp thụ những nhiễu này và làm xấu tín hiệu cuộc gọi Để khuếch đại tín hiệu âm bị yếu, người ta dùng các bộ khuếch đại tín hiệu :

Hình 2.8 Khuếch đại tín hiệu

Các bộ khuếch đại tín hiệu đường dây (line amplifier) không những khuếch đại tín hiệu mà còn khuếch đại luôn cả nhiễu Với đường dây càng dài người ta phải dùng càng nhiều bộ khuếch đại và rõ ràng đây không phải là giải pháp tốt

Chương 2 Đường dây điện thoại

Để khắc phục những vần đề liên quan đến nhiễu và bộ khuếch đại, người ta đã phát triển đường truyền tín hiệu số

Hình 2.9 Mạng truyền tín hiệu số

Hình trên mô tả một mạng truyền tín hiệu số đơn giản Các tín hiệu số gồm một chuỗi các xung, chúng là các tín hiệu rời rạc Trong điều kiện lý tưởng thì tại một thời điểm bất kỳ chỉ có thể có xung hoặc không có xung và không có trạng thái lưng chừng Tuy nhiên cũng như tín hiệu analog, các tín hiệu số cũng chịu ảnh hưởng của các nhiễu, bị suy giảm, méo dạng Tuy nhiên ở tín hiệu số thì chúng có thể được hiệu chỉnh lại

Hình 2.10 Bộ lặp số trên đường dây

Thay vì sử dụng các bộ khuếch đại khi nối kết đường dài thì ở truyền tín

Chương 2 Đường dây điện thoại

hiệu số người ta sử dụng các bộ lặp Các bộ lặp không khuếch đại tín hiệu nhiễu chúng chỉ tái tạo lại tín hiệu số Khả năng tạo lại tín hiệu số ban đầu là điểm khác biệt quan trọng nhất đối với truyền tín hiệu số với truyền tín hiệu analog Khả năng này cho phép truyền tín hiệu âm với khoảng cách rất lớn mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng cuộc gọi

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Chương 3: Phần tử bảo vệ GDT

(GDT- GAS DISCHARGE TUBE)

Thiết bị cắt sét bằng khí hay còn gọi là ống phóng khí (GDT – Gas

Discharge Tube) cung cấp đủ các điều kiện bảo vệ bởi vì nó giới hạn quá điện áp một cách nhanh chóng và an toàn tới cấp độ không xuất hiện mối nguy hại nào

Hiện nay, nhiều tỷ thiết bị cắt sét có ứng dụng ống phóng khí đang được sử dụng trên toàn thế giới

Việc ứng dụng ống phóng khí trong thiết bị cắt lọc sét nhằm bảo vệ tầng

đầu (Primary:sơ cấp) cho hệ thống thông tin liên lạc, cắt điện áp dư ở mọi đường

truyền dẫn từ khung phân phối chính trong tổng đài đến các trạm con Tuy nhiên, việc gia tăng số lượng dùng các loại máy Fax, Modems trong việc truyền dẫn dữ liệu đã làm cho yêu cầu bảo vệ các phần tử điện tử nhạy cảm lắp trong các thiết bị này tăng theo

Do đó, ống phóng khí được lắp ngay tại ngõ vào của hệ thống cấp nguồn, kết hợp với biến trở và tại điểm kết nối đường dây thông tin

Hiện nay, thiết bị cắt lọc sét trở nên cần thiết trong việc bảo vệ các trạm cơ sở trong hệ thống thông tin với một số lượng rất lớn người kết nối, như mạng cáp

truyền hình (CATV), cùng với nhu cầu lớn về thiết bị cắt lọc sét cho các bộ lặp (Repeaters) và hệ thống phân phối Khái niệm hộp đen (Black-box) tích hợp đã

dẫn đến ý tưởng bảo vệ bằng việc kết hợp ống phóng khí, biến trở, điện trở nhiệt PTC, Diode zener TVS và cuộn dây để hình thành giải pháp cho nhiều ứng dụng

H ình 3.1 GDT lọai 2 cực GDT lọai 3 cực

3.1.1 Bảo vệ điện thoại/fax/modem

Điện thoại, fax và modem là những thiết bị tăng nhanh về số lượng và mức độ điện tử tinh vi phức tạp Trong trường hợp quá điện áp, ống phóng khí bảo vệ cả hai đường dây tổng đài bằng cách dẫn nhanh dòng điện sét xuống đất

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

3.1.2 Bảo vệ đường dây tín hiệu

Đường dây tín hiệu thường đi không tiếp đất Một ống phóng khí hai cực mắc cục bộ giữa hai cực của đường dây tín hiệu ngăn chặn việc tạo nên sự khác biệt điện áp rộng tại ngõ vào của thiết bị để bảo vệ trước khi nó có thể gây bất cứ nguy hiểm nào

Ống phóng khí đặc biệt thích hợp để bảo vệ cho đường cáp đồng trục trong

mạng cáp truyền hình (CATV), cũng như nó không làm nhiễu hệ thống ngay cả ở

tần số cao nhờ nó có điện dung bản thân thấp từ 1pF đến 1,2pF Ống phóng khí được chứa trong khối bảo vệ đồng trục, trong đó ống phóng khí được kết nối giữa dây dẫn trung tâm và vỏ bọc

3.1.3 Các dạng mạch mạch bảo vệ

Theo mạch cơ bản minh họa cấu trúc tiêu chuẩn của cắt lọc sét dùng để bảo vệ những cụm thông tin liên lạc Giải pháp bảo vệ ba điểm chỉ bao gồm một ống phóng khí trong khi giải pháp bảo vệ năm điểm hợp thành bộ giới hạn dòng điện dùng điện trở nhiệt PTC

Để hiểu và có thể so sánh các dạng mạch bảo vệ cơ bản trong việc ứng dụng ống phóng khí cho hệ thống cắt lọc sét của mạng thông tin liên lạc ta xem xét hai kiểu bảo vệ sau :

Bảo vệ 3 điểm

Mạch bảo vệ ba điểm được nối giữa dây a/b và đất và hoạt động bằng việc dẫn điện áp dư xuống đất Ống phóng khí dạng hai cực được sử dụng

Hình 3.2 Các dạng mạch bảo vệ dùng GDT

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Bảo vệ 5 điểm

Một mạch bảo vệ năm điểm bao gồm một bộ giới hạn dòng điện, thông thường là một điện trở nhiệt PTC, cộng thêm một ống phóng khí

3.2 Cấu Trúc Ống Phóng Khí

Ống phóng khí là một cải tiến rất tinh vi của khe hở phóng điện, thích hợp

cho bảo vệ mạng viễn thông Loại thường sử dụng cho mạng viễn thông có đường kính 3/8 inch và dày ¼ inch Nó gồm có một vỏ thủy tinh hoặc sứ bên ngoài và bên trong chứa đầy khí trơ áp suất thấp với hai điện cực ở hai bên Hầu hết ống phóng khí đều có chứa chất phát xạ để ổn định điện áp phóng điện Mặt khác, sự phóng điện rất nhạy cảm với ánh sáng môi trường xung quanh

Do có kích thước nhỏ và khe hở khá rộng nên điện dung rất thấp (vài pF)

Khi không hoạt hóa thì trạng thái tổng trở ngắt hoặc điện trở cách điện rất lớn (lớn hơn 10 G)

Với cùng một cấu trúc tương tự như ống phóng khí cơ bản đã trình bày ở trên, một bước phát triển mới của ống phóng khí là nhằm tăng sự ổn định điện áp phóng điện, giảm khoảng cách giữa các điện cực, giảm kích thước và tăng tuổi thọ làm việc Thực chất, tính chất điện của ống phóng khí tùy thuộc chính vào nhiều thông số khác nhau như loại khí, áp suất khí, độ ẩm và mức độ ô nhiễm

Một hợp chất hoạt hóa được ứng dụng để tạo ra hiệu ứng electron bề mặt của điện cực, khoảng cách giữa các điện cực phải ít hơn 1 mm, để tăng tốc việc

Hình 3.3 Mặt cắt ngang của ống phóng khí cơ bản

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

phát điện tử và bảo đảm ổn định điện áp phóng điện bằng phẳng sau khi tái lập dòng tải Đặc điểm của ống phóng khí mới là có mối tương quan rất tốt giữa kích thước, dung lượng xung phóng điện và tuổi thọ phục vụ trung bình

Cấp bảo vệ có thể đạt được với một cắt sét vào lúc điện áp quá độ tăng trưởng nhanh chóng (xấp xỉ 1V/s) Ống phóng khí phải đáp ứng nhanh chóng để

giới hạn quá điện áp ở mức thấp Với lý do đó, một hiệu ứng trợ giúp cháy (phát

minh của hãng Siemens) được gắn vào mặt trong của cách điện hình trụ Bằng cách làm biến dạng trường, nhờ sự trợ giúp cháy này, kết quả là một sự ion hóa đặc biệt nhanh chóng ở vùng phóng điện Như vậy, sẽ làm khởi động nhanh quá trình phóng điện, đặc điểm ống phóng điện mới là có đặc tính đáp ứng nhanh với quá trình tái lập Đặc tính quan trọng của ống phóng khí thế hệ mới là không dựa trên sự kích thích, kích hoạt phóng xạ khi bị ảnh hưởng của điện áp tăng cao

Đặc tính điện của ống phóng khí có thể thay đổi theo những biến đổi của hệ thống thông tin Để đạt được điều này, bằng cách thay đổi loại khí, áp suất và khoảng cách giữa các điện cực Hơn nữa, lớp phủ phát – điều khiển cũng có thể

bị biến đổi

Hình 3.4 Mặt cắt cấu trúc ống phóng khí có hỗ trợ quá trình cháy

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Giá trị này được xác định bằng cách sử dụng một điện áp với tốc độ tăng trưởng dv/dt  100V/s

- Điện áp phóng điện một chiều danh định V sdcN

Giá trị ước lượng dùng để thiết kế một ống phóng khí Các đặc tính khởi động và sai số cũng như giới hạn và giá trị thử nghiệm được qui vào VsdcN Nó mô tả những giá trị đặc biệt của điện áp phóng điện một chiều

- Điện áp phóng điện một chiều qui về V sdcN %

Một cách tổng quát, sai số được ghi rõ như một giá trị phần trăm của VsdcN, trong trường hợp đặc biệt nó cũng có thể được thể hiện với các giá trị tuyệt đối Hiện tượng vật lý trên được dựa trên cơ sở sự phóng điện trong chất khí

- Điện áp phóng điện xung v si

Những đặc tính điện áp phóng điện xung trạng thái động của ống phóng khí Giá trị khởi động trong tài liệu này xét đến điện áp với thời gian tăng trưởng dv/dt = 1kV/s

Trong thực tế, một số thông số kỹ thuật chính cần được quan tâm, bao gồm:

điện áp phóng điện (một chiều và xung), điện áp dư cực đại, điện áp hồ quang và

dòng xung cực đại

Điện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000V/s Giá trị điện áp một chiều trong phạm vi từ 75 đến 300V để cung cấp các yêu cầu bảo vệ cho hầu hết các hệ thống viễn thông Giá trị xung áp cực đại là mức mà thiết bị sẽ đánh lửa và trở nên dẫn điện khi đặt vào nó điện áp có độ biến thiên tăng lên nhanh

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

chóng (khoảng 100 V/s) Giá trị xung áp cực đại từ 400 đến 600V phụ thuộc vào loại thiết bị

Dạng sóng điện áp điển hình của ống phóng khí đối với xung áp cao được trình bày ở hình 3.6 Từ dạng sóng này có thể nhận thấy rằng tốc độ tăng áp là 100V/s và điện áp phóng điện là 520V

Ống phóng khí đánh lửa rất nhanh nhưng điện áp đánh lửa tăng lên theo độ dốc của đầu sóng trình bày như hình 3.6 Đường gần như thẳng đứng đặc trưng cho thời gian tăng đột biến của xung Thời gian đáp ứng lớn hơn 0.1s khi thời gian tăng chậm và giảm xuống dưới 0.1s với tốc độ tăng áp 20kV/s Tuy

nhiên, điện áp đánh lửa tăng hơn 1000V đối với ống phóng khí loại 250V (DC)

Điện áp phóng điện duy trì phải thấp hơn điện áp dư để dập tắt hồ quang sau khi quá áp xảy ra Điện áp dư vào khoảng 60% đến 70% điện áp phóng điện

Điện áp hồ quang là điện áp ngang qua thiết bị khi dẫn điện Điện áp này thường vào khoảng 3V đến 10V, nhưng sẽ vượt quá 30V với xung dòng cực đại Xung dòng cực đại đối với sóng 8/20s từ 10kA đến 20kA sử dụng cho thiết

bị viễn thông Đối với xung lặp lại sóng 10/1000s thì giá trị dòng khoảng 100A, phù hợp với mức độ lộ thiên trong mạng thuê bao điện thoại

Ống phóng khí thường có tuổi thọ cao với điều kiện vận hành bình thường, tuy nhiên, cũng có hư hỏng xảy ra Các hư hỏng thường do dòng rò và điện áp đánh lửa gây ra Thử nghiệm cho thấy các ống phóng khí sử dụng từ 6 đến 8 năm có 15% đánh lửa ngoài điện áp qui định Do điện áp đánh lửa tăng lên trong quá trình sử dụng nên thiết bị bảo vệ thường sử dụng kết hợp một khe hở phóng điện dự phòng mắc song song với ống phóng khí Tuổi thọ sử dụng thường do nhà sản xuất qui định khi gia tăng thêm 50% điện áp phóng điện và điện áp đánh lửa Các giới hạn khác như việc giảm điện trở rò rỉ nhỏ hơn 1mΩ

Tổng quát, khi quá điện áp xuất hiện mà vượt quá độ bền điện của hệ thống cách điện Sự phóng điện này giới hạn điện áp đột biến và làm giảm nhiễu trong thời gian rất ngắn Bằng cách đốt cháy hồ quang với dòng điện có dung lượng lớn ngăn chặn từ trước sự tăng trưởng quá điện áp nhờ có một hằng số xấp xỉ, điện áp hồ quang thấp khoảng vài volt đến 10V Nguyên lý giới hạn quá điện áp tự nhhiên này dược sử dụng bởi ống phóng khí

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Một cách đơn giản, ống phóng khí có thể so sánh với một công tắc đối xứng công suất thấp Điện trở có thể nhảy từ vài GigaOhm trong suốt quá trình vận hành bình thường đến giá trị nhỏ hơn 1 Ohm sau khi phóng điện với lý do quá điện áp Ống phóng khí sẽ tự động trở lại trạng thái tổng trở cao lúc ban đầu sau khi các ảnh hưởng đã qua đi

Hình dưới trình bày điện áp tác động của thiết bị cắt sét và dòng điện tác động khi giới hạn một quá điện áp dạng sin

Dạng xung chuẩn

Hình 3.8 Giới hạn của quá điện áp sin bởi thiết bị cắt sét

a) Điện áp phóng qua thiết bị cắt sét với thời gian b) Dòng điện xuyên qua thiết bị cắt sét với thời gian c) Đường đặc tuyến V/I của thiết bị cắt sét

V s điện áp đánh thủng

V gl điện áp cháy

V a điện áp hồ quang

V e điện áp hồi phục

G tầm chế độ cháy

A tầm chế độ hồ quang

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Trong suốt quá trình tăng trưởng điện áp đến giá trị điện áp đánh thủng Vs , hầu như không có dòng điện chảy qua Sau khi đánh lửa, điện áp giảm xuống bằng giá trị điện áp cháy Vgl (từ 70 đến 150 V tùy theo từng loại, với dòng điện

khoảng vài trăm mA đến khoảng 1,5 A) trong tầm của chế độ cháy G Hơn nữa, việc tăng dòng điện, sẽ chuyển sang xuất hiện chế độ hồ quang Điện áp hồ quang vô cùng thấp Va từ 10 đến 35 V, với từng loại của chế độ này, gần như không phụ thuộc dòng điện trên một tầm rộng

Với việc giảm điện áp (trong thời gian ½ dạng sóng), dòng điện xuyên qua thiết bị cắt sét giảm giá trị đến khi rơi xuống giá trị thấp nhất (từ khoảng 10 mA

đến khoảng 100mA tùy theo từng loại thiết bị) cần thiết để duy trì trạng thái hồ quang Do vậy, sự phóng điện hồ quang phải dừng lại và sau đó chuyển sang

trạng thái cháy sáng (glow mode), thiết bị cắt sét hồi phục về giá trị điện áp Ve Trong hình dứơi, đặc tuyến V/I của thiết bị cắt sét là kết quả từ việc kết hợp hình ảnh điện áp và dòng điện

Nếu một điện áp tăng với một tốc độ thấp (thí dụ 100 V/s) được cung cấp từ

thiết bị cắt sét, điện áp đánh thủng Vs sẽ được xác định rõ chủ yếu bằng khoảng cách giữa các điện cực, bằng loại khí và áp suất khí và bằng nhiệt độ trước hiện tượng ion hóa xung quanh vùng khí loãng Giá trị đánh lửa này được định nghĩa như điện áp đánh thủng một chiều (DC) Vsdc (tầm rộng) Tuy nhiên, khi đối

tượng dạng sóng điện áp tăng trưởng với một tỷ lệ nhanh hơn, điện áp đánh thủng Vs của thiết bị cắt sét thì cao hơn Vsdc Hiệu ứng này được tạo ra bằng việc rút ngắn thời gian cần thiết để ion hóa chất khí Tất cả những điện áp đánh thủng động này là đối tượng để xem xét thống kê sự biến thiên

Thực chất, giá trị trung bình của sự phân bổ điện áp đánh thủng có thể thấp hơn nữa bằng cách hỗ trợ sự đánh lửa trước khi đề cập đến việc tác động đến

Hình 3.9 Điện áp đánh thủng V s chống lại tăng điện áp dv/dt

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

bên trong bề mặt của thiết bị cắt sét Việc giảm giới hạn trên của một lượng lớn sai số trường này và cũng hạn chế việc kéo dài điện áp đánh thủng của hồ quang Điện áp mồi lửa trong tầm động này được định nghĩa như một xung điện áp đánh thủng Vsi (dynamic range)

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

Chương 4: DIODE ZENER VÀ ZENER TVS

4.1.1 MẠNG TINH THỂ VÀ LIÊN KẾT HOÁ TRỊ

Các chất bán dẫn điển hình như Gemanium (Ge) và Silicium (Si),… thuộc

nhóm 4 bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học Chúng cấu tạo từ những tinh thể hình dạng xác định, trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự chặt chẽ, tuần hoàn, tạo nên một mạng lưới, gọi là mạng tinh thể Chẳng hạn mạng tinh thể của Si có hình tứ diện

Hiện nay diode zener sử dụng silicon như là vật liệu cơ bản Cấu trúc các tinh thể bán dẫn bằng mô hình phẳng hình [4.1] Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn Si luôn có 4 nguyên tử khác kề cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử đó Mỗi nguyên tử này đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng Do khoảng cách của các nguyên tử rất gần, các điện tử này chịu ảnh hưởng của các nguyên tử xung quanh Vì vậy điện tử hoá trị của 2 nguyên tử cạnh nhau cùng có những quỹ đạo chung Quỹ đạo chung đó ràng buộc nguyên tử này với nguyên tử khác, tạo nên mối liên kết hóa trị Như vậy, do liên kết với 4 nguyên tử xung quanh, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử Si như được bổ sung thêm 4 điện tử, nghĩa là đủ số điện tử tối đa của lớp vỏ (8 điện tử) và do đó, lớp này trở thành bền vững Trong trạng thái như vậy, chất bán dẫn không có điện tích tự do và không dẫn điện

Tình trạng trên xảy ra trong một chất bán dẫn thuần khiết có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh và ở nhiệt độ rất thấp (T= 00K) Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao hơn (hoặc được cung cấp năng lượng dưới dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá bởi các chùm tia…), một số điện tử hoá trị nhận thêm năng lượng sẽ thoát khỏi mối liên kết với các nguyên tử trở thành tự do Chúng mang điện tích âm và sẵn

sàng chuyển động có hướng khi có tác dụng của điện trường Đó là điện tử tự

do Khi một điện tử tự do xuất hiện, tại mối liên kết mà điện tử vừa thoát khỏi sẽ

Hình4.1 Cấu trúc mạng tinh thể của Si tinh khiết

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

thiếu mất một điện tích âm (-q), nghĩa là dư một điện tích dương (+q) Đó là một

lỗ trống.

Như vậy, trong chất bán dẫn thuần khiết có 2 loại điện tích tự do cùng xuất hiện khi được cung cấp năng lượng: điện tử và lỗ trống Mật độ của chúng là bằng nhau Điện tử và lỗ trống là 2 loại hạt mang điện, gọi chung là hạt dẫn, khi chuyển động có hướng sẽ tạo ra dòng điện

4.1.2 BÁN DẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P

Chất bán dẫn loại N:

Chất bán dẫn thuần khiết (Si) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhóm V

(phospho) với hàm lượng thích đáng sao cho các nguyên tử tạp chất này chiếm chỗ một trong những nút của mạng tinh thể thì cơ chế dẫn điện sẽ thay đổi Thật vậy, nguyên tử tạp chất (phospho) vỏ ngoài cùng có 5 điện tử hình [4.2], trong đó 4 điện tử tham gia liên kết hoá trị với nguyên tử lân cận Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, cho nên chỉ được cung cấp một năng lượng nhỏ điện tử này sẽ thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trở thành hạt dẫn tự do Nguyên tử tạp chất khi đó bị ion hoá trở thành ion dương Nếu có điện trường đặt vào, các hạt dẫn tự do nói trên sẽ chuyển động có hướng, tạo nên dòng điện Tạp chất nhóm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho (donor) Chất bán dẫn có pha tạp tạp chất donor gọi là bán dẫn loại N (bán dẫn điện tử)

Chất bán dẫn loại P:

Chất bán dẫn thuần khiết (Si) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhóm III

(Bore), do lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của chất bán dẫn (Si) hình 4.3 chỉ tạo nên 3 mối liên kết hoàn chỉnh, còn mối liên kết thứ tư bị bỏ hở Chỉ cần một kích thích nhỏ là một trong những điện tử của các mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào liên kết bỏ hở nói trên Nguyên tử tạp chất lúc đó sẽ trở thành một ion âm Tại mối liên kết mà nguyên tử vừa đi khỏi sẽ dư ra một điện tích dương, nghĩa là

Hình 4.2 Silicon loại N

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

xuất hiện một lỗ trống Nếu có điện trường đặt vào, các lỗ trống này sẽ tham gia

dẫn điện Như vậy, tạp chất nhóm III tiếp nhận điện tử từ chất cơ bản để làm sản sinh các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor) Chất bán dẫn có pha tạp chất nhóm III gọi là bán dẫn loại P (bán dẫn lỗ trống)

4.1.3 MỐI NỐI P- N Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG

Giả sử có hai khối bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc nhau theo tiết diện

phẳng Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích dương cân bằng với điện tích âm trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất phân bố đều Khi tiếp xúc nhau do chênh lệch nồng độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại, chúng tạo nên dòng khuếch tán Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, làm cho trên vùng hẹp ở hai bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp Tại vùng đó, bên bán dẫn loại P hầu như chỉ còn lại các ion âm acceptor, bên bán dẫn loại N hầu như chỉ còn lại các ion dương donor, nghĩa là hình thành hai lớp điện tích không gian trái dấu đối diện nhau Giữa hai lớp điện tích này sẽ có sự chênh lệch điện thế (bên N dương hơn bên P) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx Nghĩa là trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện một điện trường ( hướng từ N sang P) gọi là điện trường tiếp xúc Vùng hẹp nói trên gọi là vùng nghèo hoặc chuyển tiếp P-N Nồng độ hạt dẫn trong vùng này chỉ còn rất thấp, cho nên điện trở suất của nó rất lớn so với vùng còn lại

Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt dẫn thiểu số của hai miền bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường,

Hình 4.3 Silicon loại P

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

điện tử của bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường Chúng tạo nên dòng trôi, ngược chiều với dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số Nồng độ hạt dẫn

đa số trong hai khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, do đó điện trường tiếp xúc càng tăng và dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số cũng càng tăng Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời gian ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng và dòng tổng hợp qua mặt ranh giới sẽ bằng không Khi đó chuyển tiếp P-N ở trạng thái cân bằng, và hiệu điện thế tiếp xúc giữa bán dẫn N và bán dẫn P có một giá trị nhất định Thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,35V đối với Ge và 0,7V đối với Si Hiệu điện thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên gọi là hàng rào điện thế

4.1.4 CHUYỂN TIẾP P-N KHI CÓ ĐIỆN ÁP NGOÀI

Giả sử điện áp nguồn V được nối như hình 4.4.b, P nối cực âm, N nối

với cực dương, tức là phân cực nghịch Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể Lúc đó gần như toàn bộ điện áp V sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Tình trạng cân bằng trước đây không còn nữa Điện trường E cùng chiều với Etx sẽ làm hạt dẫn đa số của hai bán dẫn rời xa khỏi mặt ranh giới, đi về hai phía Do đó vùng nghèo bị mở rộng, điện trở của nó tăng Hàng rào điện thế trở thành (Vtx+V) khiến dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống rất nhỏ, còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì tăng theo V Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số vốn rất bé, cho nên trị số dòng này chỉ rất nhỏ và dòng điện ngược này nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa

Giả sử điện áp nguồn V được nối như hình 4.4.a, P nối cực dương, N nối với cực âm, tức là phân cực thuận, thì tình hình sẽ ngược lại Hàng rào điện thế giảm độ cao chỉ còn (Vtx – V), cho nên hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào qua miền đối diện, gọi là hiện tượng phun hạt dẫn Tình trạng thiếu hụt hạt dẫn trong vùng nghèo sẽ được giảm bớt, khiến bề dày vùng nghèo thu hẹp và điện trở vùng này giảm Dòng hạt dẫn đa số do hiện tượng phun hạt dẫn gây nên tăng nhanh theo điện áp V, còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì giảm theo

V Trị số của dòng điện thuận lớn hơn dòng điện ngược rất nhiều

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

a Phân cực thuận b Phân cực nghịch

Hình 4.4 Chuyển tiếp P-N khi có điện áp ngoài

a Vỏ bọc nhựa b Vỏ bọc thủy tinh

Hình 4.5 Hình dáng của Zenner

4.2 ĐẶC TÍNH V-I CỦA DIODE ZENER

Đặc tính V-I thuận và nghịch của một diode zener tiêu biểu (hình 4.6).

Trong đó có ba vùng: vùng thuận, vùng rò và vùng đánh thủng

4.2.1 ĐẶC TÍNH THUẬN MỘT CHIỀU

Đặc tính V-I theo phương trình cơ bản của diode:

KT qV R

Hình 4.6 Đặc tính V-I của diode zener

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

Trong đó: KT/q  0,026 V ở nhiệt độ phòng

IR : dòng điện rò ngược, phụ thuộc vào mức độ tạp chất và diện tích tiếp giáp P-N

IF: là dòng điện thuận Dòng điện thuận có giá trị nhỏ khi điện áp thuận khoảng 0,65V Khi điện áp thuận lớn hơn 0,65V thì dòng điện thuận tăng nhanh và giá trị của nó được giới hạn bởi điện trở mạch ngoài

Thông thường thì IR là hằng số, thực tế IR phụ thuộc vào nhiệt độ rất mạnh và ảnh hưởng đến đặc tính hàm mũ của phương trình diode Kết quả là khi nhiệt độ gia tăng thì dòng điện thuận gia tăng Hình 4.7 chỉ ra sự phụ thuộc của đặc tính thuận vào nhiệt độ cho một diode zener tiêu biểu Khi dòng điện bằng hằng số, sự gia tăng nhiệt độ làm giảm điện áp thuận Giá trị hệ số nhiệt độ điện áp từ 1,4 đến (-2)mV/0C

4.2.2 ĐẶC TÍNH ĐÁNH THỦNG

Khi VR > VZ dòng điện ngược là IZ ( hình 4.6) VZ của diode zener thương mại có giá trị khoảng 1,8 đến 400V Diode vận hành tốt trong vùng đánh thủng với giá trị dòng điện từ IZT đến IZM Dòng điện tối thiểu IZT và dòng điện tối đa IZM được cho trong sổ tay của các nhà sản xuất Đặc tính V-I trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục dòng điện, nghĩa là điện áp giữa catốt và anốt hầu như không đổi

Giữa giá trị dòng điện nhỏ nhất (hình 4.8) và dòng rò có vùng uốn gãy (knee region), cơ chế thác sẽ không xảy ra cùng lúc ngang qua tiếp giáp P-N Phóng đại vùng uốn gãy (hình 4.9), có thể thấy dòng điện thác không tăng vọt đột ngột, nhưng bao gồm các đoạn thẳng gia tăng nối tiếp với điện áp ngược tại điểm gãy đột ngột

Hình 4.7 Đặc tính thuận của diode zener

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

Trở kháng zener luôn giảm khi dòng điện gia tăng, ở dòng điện rất cao

(>IZMAX) trở kháng sẽ đạt đến giá trị không đổi Trở kháng giảm rất nhanh khi

dòng điện gia tăng ở vùng uốn gãy Trở kháng của diode zener được xác định

giữa hai điểm: IZT và IZK Trở kháng hai điểm này tỉ lệ nghịch với dòng điện và

với tỉ lệ log-log quan hệ gần như là đường thẳng (hình 4.10)

Trở kháng zener biến đổi theo điện áp thì phức tạp hơn Bởi vì khi điện áp

thấp trở kháng cao thì zener bị đánh thủng theo cơ chế zener với hệ số nhiệt âm,

khi chuyển sang áp cao dòng lớn trở kháng thấp thì zener bị đánh thủng theo cơ

chế thác lũ

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

Trở kháng động của diode zener quan hệ với điện áp ngược (hình 4.12) tại một vài giá trị dòng điện IZ không đổi Trên đặc tính tại điểm đánh thủng trở kháng động là thấp nhất với điện áp ngược khoảng 7V

Giá trị tính toán diode zener khi ổn định là tỉ số ZZ/VZ Tất nhiên, giá trị

ZZ/VZ thấp là điều mong muốn Thường thì dòng điện zener phải giảm khi điện áp gia tăng để ngăn cản sự tiêu tán năng lượng vượt mức, theo đó thì trở kháng zener sẽ tăng và giá trị ZZ/VZ sẽ trở nên cao hơn khi điện áp gia tăng Đây là trường hợp thử nghiệm với giá trị dòng IZT Trường hợp giữ IZK bằng hằng số với sự thay đổi điện áp, thì quan hệ ZZ/VZ với điện áp ( hình 4.13), ZZ/VZ đầu tiên giảm sau đó gia tăng khi điện áp gia tăng

4.4 HỆ SỐ NHIỆT ĐỘ

Dưới 3V hoặc trên 8V thì điện áp zener thay đổi theo nhiệt độ gần như

đường thẳng và hầu như độc lập với dòng điện (ngoại trừ ảnh hưởng tự phát nhiệt) Tuy nhiên từ 3V đến 8V thì vấn đề không đơn giản Quan hệ giữa hệ số nhiệt độ và điện áp ngược VZ (hình 4.14)

Trên thực tế các diode zener có VZ dưới 5V được chế tạo bằng vật liệu Si có điện trở suất nhỏ thường xảy ra kiểu đánh thủng zener có hệ số nhiệt độ âm Các diode zener có VZ trên 8V được chế tạo bằng vật liệu Si có điện trở suất lớn

Hình 4.12 Quan hệ giữa trở kháng Hình 4.13 Quan hệ giữa Z ZMAX /V Z với V Z

động Z Z với điện áp V Z (cho zener 400mW và 10W)

Hình 4.14 Quan hệ giữa hệ số nhiệt độ với điện áp zener ở 25 0 C

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

thường xảy ra kiểu đánh thủng thác lũ có hệ số nhiệt độ dương Còn khi VZ từ 5 đến 8V thì xảy ra cả hai dạng đánh thủng

Diode zener cũng giống như tất cả các chất bán dẫn khác có nhiệt độ ở

tiếp giáp cho phép tối đa và hư hỏng xảy ra khi nhiệt độ gia tăng Nhiệt độ tiếp giáp từ 1750C đến 2000C thì thiết bị vẫn còn an toàn Công suất tiêu tán trong thiết bị không gây cho nhiệt độ tiếp giáp tăng cao hơn 1750C hoặc 2000C (tuỳ loại thiết bị), thì liên hệ giữa nhiệt độ gia tăng và công suất phải được biết Tất nhiên điện trở nhiệt là hệ số liên quan, mối liên hệ này thể hiện qua phương trình:

Trong đó:

TJ: nhiệt độ tiếp giáp (0C)

TA: nhiệt độ phòng (0C)

TL : nhiệt độ đầu dây nối (0C)

RJA: điện trở nhiệt của tiếp giáp ở nhiệt độ phòng (0C/W)

RJL: điện trở nhiệt của tiếp giáp đến đầu dây nối (0C/W)

PZ = IZVZ : công suất tiêu tán của diode zener

Quan hệ này thể hiện qua hình 4.15 và hình 4.16

Diode zener hoạt động cơ bản là điện áp ngược đặt lên tiếp giáp P-N

Điện dung giảm khi điện áp ngược gia tăng Điều này là do ảnh hưởng của độ rộng tiếp giáp P-N gia tăng khi các điện tích di chuyển với điện áp ngược đặt vào, giá trị điện dung tiếp tục giảm cho đến khi xảy ra đánh thủng và sau đó điện dung thay đổi rất ít Giá trị điện dung được tính theo công thức:

Hình 4.15 Đường cong suy giảm Hình4.16 Đường cong suy giảm công suất theo nhiệt độ phòng (400mW) công suất theo nhiệt độ đầu dây nối

Chương4 Diode Zener và Zener TVS



4

Trong đó:  : điện trở suất của vật liệu

Quan hệ của điện dung với điện áp ngược như hình 4.17 Điện dung tiếp

giáp giảm cho đến khi điện áp ngược gia tăng đến vùng zener Sự thay đổi này

có thể diễn tả theo qui luật: C1/C2 = (V1/V2)1/3 và quan hệ này chỉ từ điện áp

zener xuống đến 1V

Hình 4.17 Quan hệ giữa điện dung và điện áp ngược

TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)

4.7.1 GIỚI THIỆU

Zener TVS là các thiết bị kẹp điện áp (clamping device), chúng giới hạn

một xung điện áp bằng cách phá vỡ mối nối P-N tạo ra tổng trở thấp Các zener

TVS có các vùng mối nối silicon P-N được thiết kế lớn, cho phép hoạt động ở

hiệu ứng thác và dòng điện lớn hơn rất nhiều so với các diode zener điều chỉnh

điện áp thông thường Chúng hiện được sản xuất với mức điện áp từ 5 đến 250V

Các TVS diodes được sử dụng để bảo vệ các thiết bị nhạy cảm như các

đường dây dữ liệu trong viễn thông hay các hệ thống giám sát dùng vi xử lý

tránh khỏi các quá độ gây ra do chuyển mạch, phóng điện tĩnh điện (ESD) hay

các xung sét Chúng cũng còn được dùng trong các máy tính, các cổng I/O cũng

như các đường bus DC Nhờ khả năng tác động nhanh trong vòng nano giây và

điện áp kẹp thấp nên các Zener TVS thường dùng để bảo vệ quá độ thứ cấp,

mắc phía sau các GDT Trong đường cong đặc tính V-I dưới đây cho thấy giống

như đặc tuyến của diode zener Zener TVS được thiết kế và có đặc tính dùng

a Quan hệ giữa điện dung và b Quan hệ giữa điện dung và

điện áp ngược (zener công suất cao) điện áp ngược (zener công suất thấp)

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

triệt các điện áp quá độ, trái lại các diode zenner được thiết kế dùng cho điều chỉnh điện áp

Hình 4.18 mặt cắt của Zener TVS

Ký hiệu của zener TVS :

4.7.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN :

-VBR (minimum breakdoWn voltage) là điểm ở đó TVS trở thành đường dẫn trở kháng thấp đối bởi xung đột biến ( thiết bị đi đến điểm đánh thủng thác) -IT là dòng tại VBR

-VRWM (reverse stand-off voltage) là điện áp vận hành một chiều cực đại ở đó zener TVS ở chế độ không dẫn điện ( thông số là điện áp làm việc)

-IR (maximum reverse leakage current) là dòng điện tối đa đo tại điện áp làm việc

-Ipp (maximum peak pulse current) là dòng xung đột biến cho phép cực đại

-VC (maximum clamping voltage) là điện áp ngang qua đầu cực thiết bị cực đại

Loại một chiều ( Uni-directional) Loại hai chiều (Bi-directional)

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

4.7.3 ĐẶC TÍNH KẸP ĐIỆN ÁP

Zener TVS lý tưởng được coi như hở mạch mặc dù có 1 dòng điện rò rất

nhỏ chạy qua Khi xảy ra quá độ trên đường dây, các diode TVS được kích hoạt và kẹp xung ở mức mà không làm hư hỏng thiết bị mà nó bảo vệ Quá độ điện áp được không chế và dẫn dòng điện nguy hiểm khỏi thiết bị bảo vệ

Hình4.20 sơ đồ mạch và quá độ điện áp bị kẹp để bảo vệ thiết bị

Các đặc tính điện như điện áp cắt VBR (là mức điện áp mà tại đó diode bắt đầu dẫn), dòng điện rò ID và dung kháng phải không được ảnh hưởng tới tính năng cuả mạch Điện áp ở trạng thái chưa tác động VWM thường nhỏ hơn khoảng 10% của điện áp cắt VBR Điều này đảm bảo dòng rò ở mức tối thiểu và bù cho sự thay đổi nhiệt độ Công suất và dòng điện thì tỷ lệ với kích thước của mối nối PN Hầu hết các thiết bị bảo vệ công suất thấp được xác định bằng một dạng sóng xung 8/20 s, như hình 4.21

Hình 4.19 Đặc tính V-I của zener TVS hai chiều

Chương4 Diode Zener và Zener TVS

Các diode TVS công suất lớn được đo ở xung 10/1000 µs, như ở hình 4.22 :

Các TVS thường được xác định theo công suất xung đỉnh PPP Từ 30 kW giảm xuống 200W Công suất định mức xuất phát từ dòng xung đỉnh IPP và điện áp kẹp VC

TVS didoe dạng bảo vệ 1 chiều và 2 chiều

Hình dưới đây cho thấy một xung quá độ dương và âm đưa vào ngõ vào của một thiết bị đuợc bảo vệ bằng Zener TVS một chiều :

Hình 4.23 TVS một chiều

Trong chu kỳ dương của quá độ, mối nối PN của diode TVS phân cực ngược , diode hoạt động ở chế độ dẫn thác (avalanche mode), dòng điện quá độ I1 chạy xuống mass Và bây giờ điện áp quá độ bị kẹp ở mức thấp hơn mức kẹp tối đa

Hình 4.21 dạng sóng xung 8/20 s

Hình 4.22 dạng sóng xung 10/1000 s