瞬态电压抑制（TVS）二极管是一种双端半导体器件，专用于吸收电能的浪涌。其应用范围广泛，从静电放电（ESD）的输入电路保护到继电器的感应反冲（反激电压）"捕获"均可涵盖。TVS半导体是一种独特器件，可在预设电压下进行钳位。本文示例的钳位电压为48伏直流电。这种钳位作用可保护下游敏感电子设备。双向TVS二极管可视为两个背对背安装的齐纳二极管。相比之下，单向TVS二极管则可视为串联了常规二极管的齐纳二极管。
本期工程简报将探讨图1所示的施耐德LCD09BD三相接触器，重点解析图2中集成的LAD4TBDL TVS二极管模块。我们将分析关断瞬态电压，进而解释为何此类接触器难以直接用晶体管驱动。这些概念将在后续文章深入探讨，届时将使用3.3伏直流电的Arduino微控制器驱动大型施耐德接触器。
建议阅读关联文章，该文提出使用中间继电器来适配TVS二极管相关的高电压。请注意前文假设接触器用于源型系统，其线圈一侧接地。本文则假设为漏型配置，线圈一侧接正电源。
Arduino社区用户会立即识别这种漏型配置，他们常用接地参考（共射极配置）的NPN晶体管驱动继电器。关于漏型与源型术语的入门说明，请参阅此文。
图 1 ：施耐德电气LC1D09BD继电器实物图。集成的LAD4TBDL TVS二极管可见于接触器右下方的白色组件。
图 2 ：施耐德电气LAD4TBDL"双向二极管"特写图像。TVS二极管的原理图符号可见于插接模块中央。
为何在继电器反激电路中使用 TVS 二极管而非普通二极管？
与常规二极管相比，继电器断开速度是采用TVS二极管的主要原因。要理解这个结论，我们需要回顾电路理论课程。我们记得电感器中的动能与磁场密不可分。该储能由以下公式定义：
能量_{电感} = 0.5 LI^2
我们通过将能量耗散在线圈电阻和传统二极管上微不足道的部分来消除这种能量。使用TVS二极管时，线圈能量主要耗散在线圈电阻和TVS二极管上。这一速度取决于TVS二极管的钳位电压；额定电压越高，线圈能量消耗越快。结果是继电器或接触器迅速断开。
技术提示 ：您可能注意到许多开关具有快速动作特性。这种快速弹簧动作对电弧抑制至关重要。回想一下，感性负载会伴随瞬态反激电压。通常，快速断开开关能防止瞬态电弧形成持续电弧。继电器、接触器和断路器的情况也是如此。快速断开机构是防火防爆的关键要素。
传统二极管与 TVS 二极管的对比示例
通过图3和图4可以直观理解TVS二极管的优势。这里展示了使用集成TVS二极管时接触器的断开时间（图3）。同时也展示了使用传统二极管时同一接触器的断开时间（图4）。结果非常明显：TVS二极管仅需约30毫秒耗散电感能量，而传统二极管耗时超过250毫秒。显然，通过TVS二极管耗能有利于实现继电器/接触器的快速断开。
我们可以通过使用更高额定电压的TVS二极管来提高速度。这对某些应用可能是好主意，但会带来挑战，特别是考虑到控制继电器/接触器通断的半导体器件的 V_{DS} 或 V_{CE} 额定值时。
技术提示 ：要更好理解TVS二极管的优势，需考虑继电器线圈的电感特性。记住电感会抵抗电流变化。它会生成维持电流恒定所需的任何电压，例如在断开事件这样的瞬态过程中。因此，线圈将被钳位在反激二极管定义的任何电压值。了解这些原理后，我们可以将TVS二极管视为功率耗散元件，其功率由P=IE公式定义。
图 3 ：TVS二极管相对于24VDC母线钳位在约48VDC。总断开时间约为30毫秒。
图 4 ：传统二极管相对于24伏直流电源轨的钳位电压约为0.6伏直流。总关断时间估计为缓慢的250毫秒。
技术提示 ：图3和图4中的波形是使用Digilent Analog Discovery 3 Pro套件构建的。这包括Discovery主机、适配板和示波器探头。10倍衰减探头使Discovery能够测量高达250伏的电压。
接触器半导体控制的后续步骤
当我们尝试使用TVS二极管进行设计时，存在一个微妙且常被忽视的问题。我们忽略了对应的MOSFET或双极结型晶体管（BJT）必须具备足够的 V_{DS} 或 V_{CE} 来承受更高的钳位电压。例如，若在共射极配置中使用NPN晶体管，其 V_{CE} 额定值至少需达到100伏直流。这将适应48+24伏直流电压（72伏峰值），如图3所示，并提供一定的安全余量。
这不再是一个简单的应用，特别是当我们考虑高温降额因素时。对于NPN晶体管应用，维恩图可能包含TIP41型号。我们可以在MOSFET（如IRL510BF）上找到类似的规格参数。
敬请关注，我们将在近期探讨如何用3.3伏直流Arduino微控制器控制这款施耐德接触器。我们将发现这并非简单地选择TIP41 BJT或IRF510 MOSFET就能实现。直接用3.3伏直流逻辑信号控制，对于BJT和MOSFET来说要么处于临界状态，要么超出允许范围。我们可能需要采用一个中间继电器或多级晶体管配置。
图 5 ：未来文章中将用于3.3伏直流Arduino控制施耐德接触器的潜在元件。
结论
TVS二极管提供了一种简单方法来处理继电器或接触器关断时产生的感应反冲电压（反电动势）。TVS二极管因其能快速耗散电感储存能量而更受青睐。这种快速关断优势的代价是更高的钳位电压。它需要中间继电器或能可靠承受更高电压的半导体驱动器。
您认为我对半导体器件的选择是否过于保守？对于这款内置TVS二极管模块的施耐德接触器，您会选择哪种元件？请在下方空白处留下您的问题、意见或建议。特别欢迎涉及TVS二极管的应用。