Kaitsediood

Kaitsediood on pooljuhtdiood, mis ühendatakse elektriahelasse lubamatute pingetõusude ärahoidmiseks. Kaitsedioode on mitut liiki. Vabavooludioodiks ehk vastudioodiks ehk summutusdioodiks (inglise keeles freewheeling diode, flyback diode, snubber diode) nimetatakse pooljuhtdioodi, mida kasutatakse elektriahela elementide kaitsmiseks liigpinge eest, mis tekib siis, kui induktiivselt koormuselt (nt relee või elektromagneti mähiselt) alalispinge välja lülitada. Diood ühendatakse paralleelselt induktiivse alalisvoolutarvitiga (skeemil induktiivpool nii, et toitepinge rakendub dioodile tõkkesuunas (dioodile rakendub vastupinge: pluss katoodil). Skeemil on induktiivpooliga L ühendatud paralleelselt diood D. Pooliga jadamisi olev takisti R(L) väljendab pooli mähise traadi aktiivtakistust. Lüliti S kontaktide sulgemisel rakendub poolile toiteallikast pinge ja mähist hakkab läbima vool. Tugevnev vool induktiivsel koormusel kutsub esile eneseinduktsiooni elektromotoorjõu (pinge), mis Lenzi reegli kohaselt mõjub voolu muutumisele vastu, aeglustades voolu muutumist algväärtuselt d I d t = U L {\displaystyle {dI \over dt}={U \over L}} kuni toiteallika pinge U {\displaystyle U} ja pooli aktiivtakistusega määratud väärtuseni I = U / R ( L ) {\displaystyle I=U/R_{(L)}} ja eneseinduktsiooni pinge muutub nulliks. Kui toitepinge välja lülitada ja seega vool induktiivses ahelas katkestada, mõjub eneseinduktsioon jällegi voolu muutusele vastu, aga nüüd kõrge indutseeritud pingega, mis on polaarsuselt toitepingele vastassuunaline (positiivne pooli alumises otsas ja negatiivne ülemises). See pingeimpulss on vooluahela katkestamise hetkel nii suur, et elektronid ületavad lüliti kontaktide vahemiku sädelahendusena, kuni kogu induktiivse elemendi magnetvälja salvestunud energia on elektrikaares ja pooli aktiivtakistuses eraldunud soojuseks muutunud. Tugevast vooluimpulsist põhjustatud sädelemine kahjustab lüliti kontakte ja kõrge pingeimpulss võib rikkuda keerukama elektriahela muid pooljuhtelemente (elektroonikaahelates on mehaaniliste kontaktide asemel tavaliselt elektronlüliti). Induktiivse ahela katkestamisega kaasnevaid kahjustavaid toimeid saab ära hoida, kui ühendada induktiivse elemendiga rööbiti diood (skeemil D). Normaalses tööolukorras see diood voolu ei juhi, sest on ühendatud toitepinge suhtes tõkkesuunas (pluss katoodil). Toiteahela katkestamisel indutseerub poolil pinge, mis on toitepinge suhtes vastupidise polaarsusega ja rakendub seetõttu induktiivpooliga rööbiti ühendatud dioodile avasuunas. Pool ja diood moodustavad ajutiselt vooluringi, mida toidab induktiivpooli magnetvälja salvestunud energia. See energia saab nüüd läbi avanenud dioodi vabalt ära voolata, nii et ei toimu voolu järsku langust ega teki kõrget pinget. See "vabavool" läbi dioodi ja induktiivpooli väheneb nullini sedamööda, kuidas poolis indutseeritud magnetvälja energia hajub pooli mähise aktiivtakistuses ja dioodi päritakistuses. Väikese induktiivsuse korral võib selleks kuluda mõni millisekund. Vabavooludiood piirab pingetipu dioodi päripingeni, mis võib olla dioodi tüübist olenevalt 0,7–1,5 V. Kaitsediood peab taluma vähemalt toitepingega võrdset vastupinget, ja lubatav pärivool vooluimpulsi suurusele induktiivse ahela katkestamise hetkel (voolutipu suuruse määrab pooli induktiivsus ja lahendusahela takistus). Vabavooludiood pikendab toite katkestamise järel voolu kulgemist, mistõttu relee rakendub viivitusega. Selle vähendamiseks võib ühendada dioodiga jadamisi .Zeneri dioodi vabavooludioodile vastassuunas. Elektrooniliste vooluahelate kaitsmiseks on välja töötatud spetsiaalsed laviindioodid – supressordioodid ehk TVS-dioodid (tootjanimetused ka TransZorb, Transil. TAZ).. Need erinevad Zeneri dioodidest selle poolest, et suudavad kiiresti summutada väga suure energiaga vooluimpulsse. Need kaitsedioodid on saadaval ka bipolaarses versioonis, mis koosneb kahest vastassuunaliselt järjestikku ühendatud TVS-dioodist. Nendega saab seega kaitsta ka vahelduvvooluahelaid. Bipolaarsed supressordioodid reageerivad nanosekundite jooksul ja kaitsevad seega elektroonikakomponente samuti elektrostaatiliste lahenduste eest. Teistsuguseid kaitsedioode kasutatakse telekommunikatsioonivõrkudes. Need tekitavad liigpinge korral lühise, avanedes impulssvoolule nagu türistor. Nad käituvad sarnaselt gaaslahenduspiirikutega, kuid neid valmistatakse väiksemate reageerimispingete jaoks. Varistorid sobivad samuti liigpinge kiireks kaitseelemendiks, kuid need on pooljuhttakistid, mitte dioodid. Supressordiood