Rekordgyorsaságú dióda védi az áramköröket

Az elektromágneses impulzusok (EMP) természetes jelenségek, például napkitörések, vagy emberi tevékenység, például nukleáris robbanások eredménye. Az EMP-k egy-egy pillanatra hatalmas feszültségeket generálhatnak a másodperc százmilliomod része alatt, amik tönkretehetnek számos, hálózatba kapcsolt elektromos eszközt. Erre a problémára nyújt most megoldást az amerikai Sandia National Labs kutatóintézet mérnökei által kifejlesztett elektronikus eszköz.

Bob Kaplar, a Sandia egyik, félvezetőeszközök kutatásáért felelős csoportjának vezetője elmondta, az EMP-k ritka jelenségek, de ha mégis előfordulnak, és tönkreteszik az Egyesült Államok villamos hálózatának alapját képező óriási transzformátorok egyikét, az érintett területek hónapokra is áram nélkül maradhatnak.

Ismerős elv továbbgondolva

Az új fejlesztés egy dióda, amelyhez hasonló szinte minden elektronikus eszközben megtalálható. Ezek leegyszerűsítve egyirányú „szelepként” működnek, az áramot az egyik irányba engedik folyni, visszafelé azonban nem. Gyakran használatosak váltóáram átalakítására egyenárammá. Kaplar jelezte, hogy diódájuk nem tud végtelen feszültséget elvezetni, de a 6400 voltos érték így is rekordnak számít. A védelmi eszköz azon a ponton tartja a feszültséget, ahol a dióda már éppen nem tud ellenállni neki, a túlfeszültéget pedig átengedi magán, majd biztonságosan, kontrolláltan leföldeli azt, megelőzve a károkat. Az eszköz sokkal nagyobb, 20 ezer voltra tervezett változata is fejlesztés alatt van.

Jack Flicker, a Sandia elektromos hálózatok stabilitásában jártas szakértője hozzátette, hogy az EMP-k okozta feszültségugrások százszor gyorsabban jelentkeznek, mint azok, amelyeket villámcsapás vált ki, ezért a szakértők nem biztosak benne, hogy a jelenlegi eszközök megvédenék-e a hálózatot egy EMP megjelenése esetén. A hálózat számos védőeszközzel van ellátva, amik a feszültség megugrásának lehetséges időtartamát tekintve széles skálát fednek le, valamint a még nagyobb biztonság érdekében tartományaik átfedésben is vannak egymással. A leggyorsabban reagáló biztonsági komponens a másodperc egymilliomod része alatt becsapó villám ellen véd, de egy EMP ennek százada, egy százmilliomod másodperc alatt képes kárt okozni. A Sandia új eszköze képes ilyen gyorsan reagálni.

Egy anyagon osztozik a zseblámpákkal

A dióda gallium-nitridből, a LED világítótestek anyagából készül, ami egy félvezető, csakúgy, mint a szilícium, azonban kémiai tulajdonságainak köszönhetően sokkal nagyobb feszültéget is elvisel károsodás nélkül, mint a szilícium, a belőle készülő eszköz pedig sokkal gyorsabban is reagál a túlfeszültségre. A Sandia csapata kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) növesztenek gallium-nitrid félvezetőrétegeket. Ehhez kereskedelmi forgalomban kapható gallium-nitrid félvezetőhártyákat hevítenek 1000 Celsius-fok körüli hőmérsékletre, majd gallium- és nitrogénatomokat tartalmazó gőzt irányítanak rá, így kémiai úton gallium-nitrid kristályréteg keletkezik a félvezetőn. Ilyen módon eltérő áramvezető képességgel rendelkező hártyákat tudnak kialakítani, amelyeket megfelelő sorrendbe állítva, egyéb megmunkálási folyamatok után kiadódik a várt tulajdonságokkal bíró eszköz.

Rendkívül kis tartományok, rendkívül nagy kihívások

A Mary Crawford, a Sandia egyik tudósa elmondta, hogy az egyik fő kihívás a gallium-nitrid rétegek megfelelő vastagságának elérése volt. A CVD eljárással növesztett rétegeknek 50 mikrométert, azaz egy átlagos papírlap vastagságának egyhatodát kellett elérnie, ami nem hangzik soknak, de mivel egyszerre mindössze egy-két mikrométer vastag kristályréteget tudnak létrehozni, a folyamat időigényes és nehéz. Különösen nagy kihívást jelent a rétegek közötti hibák, például a kristályrácsból hiányzó atomok vagy a szennyeződések elkerülése. Az említett, 20 ezer voltos feszültséggel is elbánó diódák létrehozásához még ennél is vastagabb, mégis a mostaninál is kevesebb hibát tartalmazó kristályrétegek szükségesek.

A diódák tesztelésére egy speciális berendezést hoztak létre, amely képes nagyfeszültségű impulzusokat leadni, melyek visszaverődését a diódáról megmérik, hogy pontosan látható legyen, bekapcsol-e a dióda az elvárt egymilliárdod másodperces nagyságrendben.

Az EMP-ktől való védelmen túl ezek a diódák használhatók például a tetőkre szerelt napelemek áramát a háztartásokban használható árammá alakító berendezések, vagy éppen az elektromos autók töltésében szerepet játszó komponensek elektronikáinak védelmére is — áll a Machine Design cikkében.