回路保護に関係するコンポーネントは、特に回路の規模自体がどの程度変化するかを考慮すると、業界によって大きく異なります。ここでは、 ダイオード、 サイリスタ、 ヒューズ、インダクタなど、現代の回路でよく見られる回路保護の最も一般的なタイプについて説明します。
ダイオード: 基本的な回路保護
ダイオードは回路保護の最も基本的な形式です。最も純粋な形態では、ダイオードは一方向の電流に対しては低い抵抗を持ち、反対方向の電流に対しては非常に高い抵抗を持つ単方向デバイスです。この構造により、コンポーネントの向きに基づいて電流の方向を制限できます。保護回路はダイオードを使用して、敏感なコンポーネントに損傷を与える可能性のある電流が不適切な方向に流れるのを防ぎます。
保護回路以外にも、次のようなさまざまなダイオード技術が使用されています。
- 過渡電圧抑制装置 (TVS)
- ESDサプレッサー
- ショットキー
- 真空管
特定の技術に応じて、一部のダイオードは、さまざまな電流容量で0.1V ～ 100kVの電圧範囲で動作できます。また、さまざまなタイプのダイオードと、それらをいつ使用するかについても詳しく知ることができます。
過電圧保護: 3種類の回路保護デバイス
名前が示すように、 過電圧回路保護 は、電源電圧が意図した量を超えた場合に回路を保護します。一時的な電圧スパイクには、いくつかのデバイスで対処できます。
- TVSダイオード: 過渡電圧サプレッサ (TVS) は、トランシルまたはサイレクタとも呼ばれ、 サージが発生しやすいデバイスを突然の過電圧状態または過渡現象から保護するために回路内で使用されるデバイスです。このような電圧スパイクは、通常、雷、ESD、モーターのアーク放電などの外部の影響によって発生します。これらの危険が存在する場合、敏感な回路への損傷を防ぐためにTVSダイオードが必要になることがあります。TVSダイオード (ツェナー ダイオードとも呼ばれる) は、1ピコ秒の応答時間で1V ～ 15kVの保護が可能です。
- ESDサプレッサ: ESDダイオード は、敏感なIC機器に悪影響を与える可能性がある静電放電からデバイスを保護します。ESD攻撃が発生すると、ESDダイオードが低インピーダンス パスを作成し、電流をICからグランドに流します。「ESDサプレッサー」という用語は、ESDイベント中に使用される過電圧保護デバイス (おそらくTVSダイオード) を表します。
- バリスタ: バリスタ も回路を過渡電圧スパイクから保護します。ただし、バリスタは電圧に応じて非線形に変化する抵抗を持ちます。バリスタの最も一般的な形式は、金属酸化物バリスタ (MOV) と呼ばれます。シリコンカーバイド (SiC) 製のバリスタもありますが、スタンバイ電流消費量が大きいためMOVほど望ましくありません。バリスタはTVSダイオードよりもコスト効率に優れていますが、時間の経過とともに劣化しやすく、より高いクランプ電圧が必要になります。
- サイリスタ: サイリスタ、 またはTPSD (サイリスタ サージ保護デバイス) は、デバイスのゲートに電圧がかかった場合に電流が流れるソリッド ステート コンポーネントです。サイリスタは堅牢性が高いため、高電圧回路によく使用されます。これらは、保護を必要とする負荷と並列に電源ラインに接続され、通常の動作電圧では、端子間で非常に高い抵抗を維持します。ライン電圧がTSPDのトリガーしきい値を超えると、TSPDはオン状態に切り替わり、短絡に近い状態として動作し、ライン電流を保護対象の負荷から逸らします。一度作動すると、電流が「保持」電流値を下回るまでTPSDはオフになりません。この機能により、TPSDは長い過渡スパイクに適しています。
さまざまな種類の回路ブレーカーとヒューズ
- 回路ブレーカー: 一般的には高電圧システムで使用されると考えられている 回路ブレーカー は、回路を過負荷やショートから保護するために自動的に作動するように設計されています。ただし、これらのデバイスは低電圧、低電流のアプリケーションでも適切に機能します。これらの自動スイッチはシステムの電流の流れを中断するようにトリガーされ、ユーザーは自動または手動でリセットできます。
- ヒューズ: ヒューズ は、非常に複雑な製造システムから単純な自動車照明まで、さまざまなアプリケーションでよく使用されます。ヒューズは比較的単純な概念で動作し、高電流の状況で効果を発揮します。ヒューズを作成するには、抵抗が非常に低い金属線が必要です。高電流信号を受けると、そのワイヤが溶けて回路の動作が切断され、ラインのコンポーネントが保護されます。ヒューズが溶けた場合、回路の動作を継続するには、モジュラーヒューズを新しいものに交換する必要があります。
- リセット可能ヒューズ: ただし、1回の高電流シナリオの後で交換する必要のない リセット可能ヒューズ もあります。これらのヒューズは、より複雑な設計原理に基づいて動作します。ポリマーPTC (正温度係数) ヒューズはバリスタと同様に動作しますが、電圧過渡ではなく電流過渡に反応します。PTCヒューズに通常より高い電流が流れると、温度が上昇し、導電性が低下します。この急激な抵抗の増加は、高電流源が除去され、ヒューズが冷却されて通常の低抵抗動作に戻るまで持続します。
サーマルカットオフスイッチとヒューズ
- サーマル カットオフ: 他のほとんどの回路保護デバイスとは対照的に、 サーマル カットオフ は、主に外部 (回路以外) 入力に依存して回路保護をトリガーします。熱遮断ヒューズは、多くの場合、1回限りの可溶リンクに依存しており、リンクの融点を超える周囲温度にさらされると、回路を保護できなくなります。リセット可能なヒューズやリードスイッチと同様に動作する、サーマルスイッチと呼ばれるサーマルカットオフもあります。これらのサーマル カットオフは、指定された周囲温度の場合に電流の流れを制限します。導体が希望の温度に達すると、通常の動作を継続します。