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過電圧から守る!TVSダイオードとは?

TVSダイオードをご存じでしょうか?

パソコンやデジカメ、スマートフォン、産業機器等、現代の生活で欠かせない電子機器に使われています。

この記事では、ツェナーダイオードの一種であるTVSダイオードについて詳しく解説していきます。

TVSダイオードとは

1. TVSダイオードとは

TVS(Transient Voltage Suppressor)ダイオードは、電気回路における過渡的な電圧変動やサージ電圧からデバイスを保護したり、ICの誤動作を防止したりするための特殊なダイオードです。

これは、ツェナーダイオード(Zener diode)の一種であり、通常のツェナーダイオードよりも高いパワー取扱い能力を持ちます。

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2. TVSダイオードの動作原理

TVSダイオードの動作原理はツェナー効果とJFET効果を利用しています。

ツェナー効果とは、PN接合に逆バイアス電圧をかけたときに、一定の電圧を超えると電流が急激に増加する性質のことを言います。

そしてJFET効果とは、接合型電界効果トランジスタ (JFET) における電界によってドレイン電流が制御される現象をさします。

過電圧が発生すると、ツェナー効果によりダイオードが特定の電圧をクランプし、過電圧を吸収します。

同時に、JFET効果によりダイオードが高い電流を取り扱う能力が向上し、迅速に過電圧に反応します。

この組み合わせにより、TVSダイオードは高速かつ効果的に過電圧やサージから回路を保護します。

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ダイオードの電圧一電流特性

3. ツェナーダイオードとTVSダイオードの違い

TVSダイオードもツェナーダイオードの一種であるため、定格電圧を超えた際に逆方向電流が急増する特性を持つ半導体デバイスです。

TVSダイオードとツェナーダイオードの違いは、そのパワー取り扱い能力になります。

高い保護能力と高速な反応速度を持ち、主に過電圧保護を目的に使用されます。

一方、ツェナーダイオードは一般的な安定した電圧源や特定のアプリケーションに使用され、比較的低い電圧範囲で動作します。

4. TVSダイオードの役割

TVSダイオードは、過電圧やサージから回路を保護するために使用され、高いパワー取扱い能力と信頼性を持ち、応答速度が高いことから、具体的には以下のような役割があります。

♦過電圧保護(Overvoltage Protection)

正常な動作範囲内の電圧では通常のダイオードとして振る舞いますが、電圧が一定の閾値(クランプ電圧)を超えると、急速に導通し、その電圧を短絡して安定したレベルに抑制し、他の部品や回路を保護します。

これにより、過電圧による損傷や故障を防ぎます。

♦ESD保護(Electrostatic Discharge Protection)

静電気放電(ESD)は、非常に高い電圧を持つことがあるため、その高い電圧が電子部品の絶縁体や絶縁層を突き破り、ショートや漏電を引き起こしたり、データ記憶デバイスや通信回路などに影響を与え、データの消失や破損を引き起こしたりする可能性があります。

TVSダイオードはそのような静電気の放電を吸収し、回路を安全に保護します。

♦サージ保護(Surge Protection)

電源ラインや通信ラインなどで発生する瞬間的な電圧の上昇(サージ)から回路を守ります。

特に雷や大電流のスイッチングなどよるサージから電子機器を保護するのに有効です。

この装置がなければ、突然の電圧上昇によって機器が損傷し、信頼性や耐久性が低下する可能性があります。

5. TVSダイオードの用途

様々な分野の電子機器に利用されているTVSダイオードですが、ここでは分野別に紹介していきます。

♦電源回路

電源ラインや電源ユニットで、電源からの突発的なサージやノイズから回路を保護します。

特に、スイッチング電源やDC-DCコンバーターなどの高電力アプリケーションでよく使用されます。

♦通信回路

Ethernet、USB、HDMIなどの通信インターフェースや回路では、外部からの電磁ノイズや静電気放電(ESD)、雷の被害からの保護として使われています。

さらに、信号の整流やクランプ、データラインや通信ポートに配置されて、外部からの電圧変動やノイズからデータを保護するのにもTVSダイオードが使われています。

♦自動車用電子機器

自動車の電子制御ユニット(ECU)、エンジン管理システム、ABS(アンチロック・ブレーキ・システム)などの電子機器で、車両の電源からのサージやスパイクから回路を保護します。

♦産業用制御機器

工場のPLC(プログラマブル・ロジック・コントローラー)、鉄道の信号装置、発電所の制御システムなど、産業用制御機器で過電圧やサージから回路を保護します。

♦医療機器

医療用デバイスや医療機器では繊細な結果が求められます。これら医療用センサーや計測機器に安定した電源を提供し、回路を外部からのノイズや電圧の変動から保護します。

6. まとめ

TVSダイオードについて解説をしましたがいかがでしたでしょうか。

TVSダイオードはツェナーダイオードの一種であり、より高いパワー取り扱い能力と高速な反応速度を持っている事から、過電圧や静電気放電、サージ等といったトラブルから電子機器を保護しているという事をお伝えできたでしょうか。

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