TVS-Diode

An einem 24-V-Industrieeingang hängt eine lange Leitung, auf der ein Schütz ein- und ausschaltet. Bei jedem Schaltvorgang laufen Spannungsspitzen von 100 V und mehr in deine Elektronik. Am USB-Stecker eines Geräts entlädt sich ein Finger mit 8 kV gegen die Datenleitung. Beides überleben Mikrocontroller und Spannungsregler nur, wenn etwas den Impuls abfängt, bevor er sie erreicht. Dieses Etwas ist meist eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor), auch Suppressordiode oder nach einem Markennamen Transildiode genannt.

Aufbau und Funktionsweise

Eine TVS-Diode ist eine Silizium-Diode, die – wie die Z-Diode – in Sperrrichtung betrieben wird und ab einer bestimmten Spannung im Lawinendurchbruch leitet. Der Unterschied liegt in der Bauweise: Der Chip hat eine große Fläche, und der pn-Übergang ist so ausgelegt, dass er kurzzeitig enorme Ströme verkraftet. Eine TVS-Diode im SMB-Gehäuse leitet für eine Millisekunde 600 W Impulsleistung ab; eine Z-Diode derselben Größe verträgt dauerhaft vielleicht 1 W.

Im Normalbetrieb liegt die Betriebsspannung unterhalb der Durchbruchspannung an, die TVS-Diode sperrt und zieht nur einen kleinen Leckstrom. Steigt die Spannung durch einen Impuls an, bricht sie innerhalb von Pikosekunden durch und leitet den Strom an der Schaltung vorbei nach Masse. Die Spannung an ihr bleibt dabei auf die Klemmspannung begrenzt. Ist der Impuls vorbei, sperrt sie wieder – sie nutzt sich bei Impulsen innerhalb ihrer Grenzwerte nicht ab.

Es gibt zwei Varianten:

• Unidirektional: ein pn-Übergang. In Sperrrichtung klemmt er bei der Durchbruchspannung, in Durchlassrichtung bei etwa 1 V wie eine normale Diode. Richtig für Gleichspannungen mit fester Polarität.
• Bidirektional: zwei gegeneinander geschaltete Übergänge. Sie klemmen in beiden Richtungen symmetrisch – für Wechselspannungen, Audio- oder Datenleitungen, die positiv und negativ werden, etwa RS-485 oder CAN.

Schaltzeichen

Für die TVS-Diode gibt es kein eigenes genormtes Symbol. Üblich ist das Zeichen der Z-Diode mit an beiden Enden abgewinkeltem Kathodenstrich; die bidirektionale Variante zeichnet man als zwei Dreiecke, die sich an einem gemeinsamen Strich treffen. Bei unidirektionalen Bauteilen markiert der Ring wie gewohnt die Kathode, bidirektionale tragen keinen Ring (siehe Kennzeichnung von Dioden).

Kennlinie und Kennwerte

Die wichtigsten Datenblattwerte liegen auf der Sperrkennlinie in dieser Reihenfolge:

Zwischen U_RWM und U_C liegt ungefähr ein Faktor 1,6 bis 1,8 – das ist der wichtigste Punkt beim Auslegen. Als Beispiel einige Typen der Reihe SMBJ (600 W, SMB-Gehäuse, unidirektional):

Du kannst die Leistung nachrechnen: P_PP = U_C · I_PP, beim SMBJ30A also 48,4 V · 12,4 A ≈ 600 W. Für kürzere Impulse, etwa den Surge-Impuls 8/20 µs, verträgt die Diode einen viel größeren Strom; für längere oder bei hoher Temperatur weniger. Das Datenblatt zeigt dazu Derating-Kurven.

Bauformen

• SOD-323, SOD-523, SOT-23 und Arrays im SOT-363 oder DFN: ESD-Schutzdioden für Datenleitungen und Taster, oft mit unter 1 pF Kapazität, für Impulse nach IEC 61000-4-2 (bis 8 kV Kontaktentladung). Mehr zu ESD unter ESD.
• SMA, SMB, SMC: 400 W (SMAJ), 600 W (SMBJ) und 1500 W (SMCJ) für Versorgungseingänge.
• DO-15 und DO-201: bedrahtet als P6KE (600 W) und 1.5KE (1500 W).
• Für Automobil-Load-Dump und Blitzschutz gibt es Typen mit mehreren Kilowatt.

Ein „C“ oder „CA“ im Typnamen (etwa SMBJ24CA) steht bei vielen Herstellern für bidirektional, das „A“ für die engere Toleranz der Durchbruchspannung.

Typische Schaltungen

Versorgungseingang. Die TVS-Diode sitzt direkt hinter dem Stecker parallel zur Versorgung, Kathode an Plus. Davor gehört eine Sicherung: Bei einem langen Überspannungsereignis – etwa wenn jemand 48 V statt 24 V anschließt – leitet die Diode dauerhaft und würde ohne Sicherung zerstört.

Verpolungsschutz mit Sicherung. Wird die Versorgung verpolt, leitet die unidirektionale TVS-Diode in Durchlassrichtung und schließt die Spannung kurz, bis die Sicherung auslöst. Das kostet im Normalbetrieb keinen Spannungsabfall, anders als eine Diode in Reihe.

Datenleitungen. USB, HDMI und Ethernet bekommen ESD-Arrays direkt am Stecker. Entscheidend ist die geringe Kapazität: Mehr als 1 bis 2 pF verschleifen schnelle Signale. Für langsamere Leitungen wie I²C oder Taster genügen einfache ESD-Dioden im SOD-323.

Schutz von Schaltern. Eine TVS-Diode über einem MOSFET begrenzt die Abschaltspannung einer Spule, wo eine einfache Freilaufdiode zu langsam abschaltet.

Auswahl und Praxistipps

1. U_RWM ≥ höchste Betriebsspannung, einschließlich Toleranzen und Ladespannung von Akkus.
2. U_C ≤ Spannungsfestigkeit der geschützten Bauteile beim erwarteten Impulsstrom.
3. Impulsleistung für die erwartete Impulsform: Für Industrieeingänge nach IEC 61000-4-5 oder Kfz-Bordnetze nach ISO 7637 bzw. ISO 16750 gibt es eigene Auslegungen.
4. Kapazität bei Datenleitungen: so klein wie nötig.
5. Uni oder bidirektional: nach der Polarität des Signals.

Häufige Fehler:

• Stand-off-Spannung zu knapp: Leckstrom und Erwärmung im Normalbetrieb, im schlimmsten Fall thermische Zerstörung.
• Klemmspannung ignoriert: Die Diode „schützt“, doch der Regler dahinter stirbt, weil U_C über seiner Grenzspannung liegt.
• Lange Leiterbahnen zur Diode und nach Masse: Ihre Induktivität erzeugt bei Nanosekunden-Impulsen zusätzliche Spannung (U = L · di/dt). Die Diode gehört direkt an den Stecker, mit kurzer, breiter Verbindung zur Masse.
• Keine Sicherung: Bei Dauerüberspannung legiert die Diode durch – meist niederohmig, was die Versorgung kurzschließt.
• Z-Diode statt TVS-Diode: Für Energieimpulse ist eine Z-Diode viel zu schwach.

Selbsttest