Utilice diodos de supresión de voltaje transiente para reforzar los circuitos y mantener la integridad eléctrica.

Los voltajes transitorios eléctricos rápidos (EFT) son una realidad que los diseñadores deben tener en cuenta para proteger sus circuitos, sistemas y usuarios de sistemas. Las EFT tienen muchas fuentes, entre ellas las descargas electrostáticas (Descarga electrostática) comunes debidas a acciones simples como caminar sobre una alfombra, arrancar un motor o la caída de un rayo, que provocan un efecto de ondulación. Estos transitorios pueden afectar negativamente a todas las clases de productos, desde los dispositivos vestibles alimentados por batería/pila de bajo voltaje hasta los sistemas de motor de alta potencia.

Los efectos de los EFT van desde la interrupción temporal y la incapacidad para funcionar hasta la degradación a largo plazo del rendimiento y el daño y el fallo totalmente permanentes. Aunque los diseñadores pueden tomar medidas para reducir los transitorios de tensión, como el uso de armarios antiestáticos, el filtrado, la sujeción en la fuente o la puesta a tierra adicional, estas medidas a menudo deben revisarse o mejorarse en función del escenario de aplicación específico.

Para minimizar o eliminar de forma fiable las consecuencias perjudiciales de los voltajes transitorios, los diseñadores pueden utilizar componentes pasivos de dos terminales denominados diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS). Aunque generalmente se ven como un circuito abierto, estos diodos reaccionan casi instantáneamente y se asemejan a un cortocircuito cuando se produce el evento transitorio, desviando así la sobretensión transitoria a tierra. Los diodos TVS ofrecen una respuesta rápida, alta capacidad de soportar voltaje, larga duración y baja capacitancia.

Este artículo examinará la necesidad, el papel, los tipos y la aplicación de los diodos TVS, utilizando como ejemplos varias familias de dispositivos y dispositivos de Eaton Corporation plc (Eaton).

Empezar por las normas CEI

Para mitigar los riesgos de las EFT, la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) ha definido tres normas reconocidas internacionalmente para la protección contra sobretensiones dentro de la norma CEI 61000-4 ("Compatibilidad electromagnética (CEM): Técnicas de ensayo y medición"):

1) La norma IEC 61000-4-2 cubre la inmunidad ESD a nivel de sistema, que se aplica a la ESD por el contacto humano (Figura 1). Para esta forma de onda, el tiempo de subida (tr) es corto, de 0.7 a 1 nanosegundo (ns), y la mayor parte de la energía se disipa en los primeros 30 ns, tras lo cual decae rápidamente. Por lo tanto, se requiere una protección contra sobretensiones de acción muy rápida para responder a tiempo a los eventos de Descarga electrostática.

Figura 1: Una forma de onda típica de impulso electrostático debido al contacto humano, según la norma IEC 61000-4-2, muestra un tiempo de subida muy corto, inferior a un nanosegundo, y la mayor parte de la energía se disipa en los primeros 30 ns. (Fuente de la imagen: Eaton)

La forma de onda por sí sola no indica los niveles de voltaje asociados. La norma IEC 61000-4-2 especifica los voltajes de prueba para la inmunidad Descarga electrostática a nivel de sistema en diversos equipos para descargas por contacto y por aire (Figura 2).

Figura 2: Los niveles de la norma IEC 61000-4-2 para la descarga de contacto y en el aire definen con mayor precisión las características específicas del contacto humano. (Fuente de la imagen: Eaton)

La elección adecuada de un diodo TVS dependerá del nivel de protección ESD requerido en una aplicación. Tenga en cuenta que todos los diodos TVS de Eaton ofrecen un rendimiento mínimo de nivel 4 cuando se prueban según IEC 61000-4-2. Existen otras opciones con una protección ESD aún mayor, de hasta 30 Kilovoltios (kV), tanto para descargas en el aire como por contacto.

2) La norma IEC 61000-4-5 cubre la inmunidad frente a sobretensiones eléctricas, como las producidas por rayos o por la conmutación de sistemas de alimentación. A diferencia de la electricidad estática de potencia relativamente baja, los rayos pueden contener hasta 1 gigajulio (GJ) de energía y generar hasta 120 kV de sobretensión. Los transitorios inducidos por rayos pueden ocurrir debido a rayos directos en circuitos eléctricos exteriores que producen sobretensiones, rayos indirectos que inducen sobretensiones en los conductores o corrientes de tierra de rayos. Tenga en cuenta que los supresores de descargas electrostáticas TVS no están diseñados para proteger contra los rayos directos, pero siguen siendo necesarios, ya que estos rayos pueden enviar transitorios a través de los sistemas de distribución eléctrica a distancias de 1 milla o más.

La norma IEC 61000-4-5 define una forma de onda de tensión de rayo típica (figura 3).

Figura 3: Esta es la forma de onda del impulso del rayo definida por la norma IEC 61000-4-5 (I_PP es la corriente de pico). (Fuente de la imagen: Eaton)

La norma IEC 61000-4-5 también especifica los niveles de tensión de ensayo para la inmunidad contra sobretensiones en clases de equipos eléctricos/electrónicos (figura 4).

Los niveles los define la aplicación final:

• Clase 1: Medio ambiente parcialmente protegido
• Clase 2: Entorno eléctrico en el que los cables están bien separados, incluso en tramos cortos.
• Clase 3: Entorno eléctrico en el que los cables de alimentación y señal discurren en paralelo
• Clase 4: Entorno eléctrico con interconexiones tendidas como cables exteriores junto con cables de alimentación, y los cables se utilizan tanto para circuitos electrónicos como eléctricos.

Figura 4: La norma IEC 61000-4-5 define cuatro clases de niveles de ensayo para la inmunidad contra sobretensiones eléctricas. (Fuente de la imagen: Eaton)

3) La norma IEC 61000-4-4 cubre la protección de los EFT (figura 5). Los EFT están provocados por el funcionamiento de cargas inductivas, como motores de gran potencia, relés, contactores de conmutación en sistemas de distribución de energía y la conexión o desconexión de equipos de corrección del factor de potencia.

Figura 5: Se muestra la forma de onda del pulso EFT según la norma IEC 61000-4-4. (Fuente de la imagen: Eaton)

Tenga en cuenta que los EFT suelen caracterizarse simplemente por dos números pareados: su tiempo de subida hasta el valor de pico (t₁) y la duración del impulso hasta que el transitorio cae al 50% del valor de pico (_t2). El transitorio de 8/20 microsegundos (µs) es un pulso común en aplicaciones industriales.

La magnitud de la descarga electrostática de tensión transitoria que debe soportar un circuito o sistema depende de la aplicación. La norma MIL-STD-883, ampliamente utilizada por la industria y los sistemas militares y aeroespaciales, define tres clases (Figura 6).

Figura 6: Existen tres niveles de clasificación de sensibilidad Descarga electrostática según el método MIL-STD-883 número 3015. (Fuente de la imagen: Eaton)

Los dispositivos TVS resuelven el problema

Para cumplir diversos requisitos y proteger sus sistemas, los diseñadores pueden utilizar diodos TVS. Los diodos TVS son dispositivos de protección contra sobretensiones de silicio que funcionan según el principio de ruptura por avalancha de diodos. Se instalan en paralelo con el circuito normal para proteger los componentes internos de los cortocircuitos (transitorios) y las tensiones medias/altas (figura 7).

Figura 7: El diodo TVS se coloca a través de la entrada, entre la línea que se protege y la masa del sistema. (Fuente de la imagen: Eaton)

En funcionamiento normal, sin transitorios, los diodos TVS mantienen una impedancia elevada y no interfieren en la transmisión de potencia o señales a través de los equipos. Sin embargo, cuando un diodo TVS experimenta una descarga instantánea de alta energía a través de sus terminales, protege los elementos del circuito aguas abajo entrando rápidamente en un estado de baja impedancia (llamado ruptura de avalancha) para absorber la gran corriente y fijar la tensión a un nivel seguro.

Los diodos TVS están disponibles como dispositivos de unión P-N unidireccionales o bidireccionales. A pesar de sus nombres, la mayoría de los diodos TVS unidireccionales suprimen los voltajes en ambas polaridades. La diferencia es que los tipos unidireccionales tienen propiedades de tensión-corriente (V-I) asimétricas, mientras que los diodos TVS bidireccionales tienen propiedades V-I simétricas (figura 8). Los diodos TVS bidireccionales son muy adecuados para proteger nodos eléctricos con señales bidireccionales o tanto por encima como por debajo del voltaje de tierra.

Figura 8: Los nombres de los diodos TVS no reflejan ninguna direccionalidad inherente. En cambio, los diodos TVS unidireccionales tienen propiedades tensión-corriente (V-I) asimétricas, mientras que los diodos bidireccionales tienen propiedades V-I simétricas. (Fuente de la imagen: Eaton)

Los parámetros, el embalaje y la ubicación de primera categoría definen el rendimiento de los TVS

Los diodos TVS se definen mediante numerosas especificaciones de alto nivel. Entre ellos están:

• Voltaje nominal máximo de funcionamiento inverso (V_RWM): También llamada tensión de separación inversa, es la tensión máxima de funcionamiento de un diodo TVS cuando está en "OFF".
• Voltaje disruptivo (V_BR): El voltaje al que se produce la ruptura por avalancha en un diodo TVS, lo que da lugar a una baja impedancia.
• Corriente de fuga inversa (I_R): La corriente que fluye a través de un diodo TVS cuando se polariza en sentido inverso.
• Voltaje de sujeción (Vc): La tensión a través de un diodo TVS en su valor nominal de corriente de impulso de pico (I_pp).
• Capacitancia: Medida de la carga almacenada, generalmente en picofaradios (pF), entre el pin de entrada y otro punto de referencia (a menudo tierra), medida normalmente con una señal de 1 megahercio (MHz).
• Corriente de pico (I_pp): Diferencia entre las amplitudes máxima positiva y máxima negativa de una forma de onda de corriente.

La selección de un diodo TVS suele constar de cuatro pasos:

1. Seleccione un diodo con un voltaje de separador superior al voltaje de funcionamiento normal.
2. Compruebe que la corriente de pico especificada supera la corriente de pico prevista y asegúrese de que el diodo está especificado para manejar la potencia necesaria durante un evento transitorio.
3. Calcular el voltaje de sujeción máximo (V_CL) del diodo seleccionado.
4. Confirme que la V_CL calculada es inferior al valor máximo absoluto especificado para la clavija protegida.

La colocación del dispositivo TVS en la placa de circuito es fundamental para aprovechar al máximo las prestaciones de estos dispositivos. Para obtener la mejor protección contra sobretensiones, los diodos deben colocarse lo más cerca posible del punto de entrada de tensión, como los puertos del E/S, para minimizar el impacto de las parásitas en la supresión efectiva de las sobretensiones transitorias rápidas.

Ejemplos de TVS para ilustrar la gama de ofertas

Los diodos TVS de Eaton son adecuados para la protección contra sobretensiones en interfaces de E/S y líneas de señal analógica y digital de alta velocidad. Ofrecen voltajes de sujeción muy bajos, alta potencia de pico, alta disipación de corriente y tiempos de respuesta de nanosegundos.

El embalaje de los diodos TVS está estrechamente relacionado con las especificaciones. Hay disponibles encapsulados tanto de montaje en superficie como con orificios pasantes, ofreciendo estos últimos un mayor rendimiento de voltaje/corriente.

Los diodos TVS deben proteger frente a un amplio rango de voltajes y corrientes. Por lo tanto, un valor de voltaje nominal y otros parámetros no pueden satisfacer todas las situaciones de EFT. Los ejemplos de cuatro familias distintas ilustran estos puntos.

1) La serie SMFE tiene una capacidad de potencia pulsatoria máxima de 200 Vatios con una forma de onda de 10/1000 µs. Los dispositivos se alojan en un receptáculo de montaje en superficie SOD-123FL de bajo perfil estándar del sector que mide 2 × 3 × 1,35 milímetros (mm) y optimiza el espacio de la placa para dispositivos móviles y portátiles.

Uno de los miembros de la Serie es el SMFE5-0A (Figura 9). Tiene un voltaje de sujeción de 9.2 V, una I_pp de 21.7 amperios (A) y admite casos de uso unidireccional o bidireccional. La Corriente de fuga inversa es inferior a 1 μA por encima de 10 V y el tiempo de respuesta es rápido, normalmente inferior a 1.0 picosegundo (ps) de 0 voltios a V_BR.

Figura 9: El diodo TVS SMFE5-0A de 9.2 V se presenta en un encapsulado de montaje en superficie SOD-123FL de bajo perfil y está destinado a aplicaciones móviles y portátiles. (Fuente de la imagen: Eaton)

2) La Serie ST protege una línea de E/S bidireccional y se dirige a puertos USB y otros puertos de datos, paneles táctiles, botones, alimentación CC, conectores RJ-45 y antenas de RF. Los miembros de esta familia, como el I_pp STS321120B301 de 33 voltios y 12 A, están alojados en un minúsculo receptáculo SMT SOD-323 de 1.8 × 1.4 × 1.0 mm y tienen una potencia nominal de 400 Vatios de pico de potencia pulsatoria por línea (t_P = 8/20 μs). Los diodos de esta serie admiten voltajes de trabajo que van desde 2.8 voltios CC (V_CC) hasta 70 V_CC con una capacitancia ultrabaja de hasta 0.15 pF. Estos diodos proporcionan una protección ESD de hasta 30 kV (según IEC 61000-4-2).

3) La Serie AK incluye diodos TVS de alta potencia con una protección de hasta 10,000 A y está diseñada para soportar entornos de pruebas de sobretensiones severas para aplicaciones de CA y CC. Estos diodos presentan una baja resistencia a la pendiente, así como un factor de apriete superior gracias a la tecnología snapback. Cumplen las normas UL1449 sobre dispositivos de protección contra sobretensiones para aplicaciones como electrónica de consumo, electrodomésticos, automatización industrial o protección de líneas de CA. (Nota: la resistencia de pendiente o dinámica es la resistencia que ofrece el diodo cuando se aplica un voltaje de CA; el snapback es un proceso del dispositivo por el que la conducción de grandes corrientes continúa incluso a voltajes más bajos).

Para cumplir los requisitos de amperaje y UL, los dispositivos de esta Serie utilizan un encapsulado de terminales axiales con orificio pasante como el utilizado con el AK6E-066C, una pinza de 120 V y un diodo I_pp de 6000 A (Figura 10). Este diodo mide 25 mm a lo largo de sus terminales, con un cuerpo "central" casi cuadrado que mide aproximadamente 13 × 15 mm.

Figura 10: El diodo TVS AK6E-066C de alta potencia de 120 V ofrece una protección de hasta 10,000 A y está alojado en un receptáculo axial con orificios pasantes. (Fuente de la imagen: Eaton)

4) Los diodos TVS de tamaño SMA de la serie SMAJExxH son únicos porque cumplen la normativa AEC-Q101 necesaria para aplicaciones de automoción. Proporcionan una capacidad de potencia pulsatoria máxima de 400 Vatios (con una forma de onda de 10/1000 μs) y tienen un tiempo de respuesta rápido que suele ser inferior a 1,0 ps de 0 V a V_BR, junto con una I_R inferior a menos de 1 μA por encima de 10 voltios.

Los dispositivos de esta familia abarcan desde 5 hasta 440 voltios con versiones unidireccionales y bidireccionales para cada dispositivo e incluyen el SMAJE22AH, que presenta un voltaje de sujeción de 35.5 V con 11.3 A I_pp (Figura 11). Todos los dispositivos de la Serie están alojados en receptáculos de plástico de montaje en superficie que miden 3.0 × 4.65 × 2.44 mm (máximo) y cumplen la clasificación de inflamabilidad UL 94 V-0 (Figura 11).

Figura 11: El diodo TVS SMAJE22AH de 35.5 V cumple las normas de automoción según AEC-Q101; también utiliza un embalaje de plástico que cumple la norma de inflamabilidad UL 94 V-0. (Fuente de la imagen: Eaton)

Conclusión:

Los transitorios eléctricos provocados por la electricidad estática, el arranque del motor o la proximidad de un rayo pueden dañar los sistemas electrónicos y sus componentes. Los diodos TVS responden a estas sobretensiones casi instantáneamente y desvían la tensión y la energía transitorias a tierra, protegiendo así el sistema. Como se muestra, Eaton ofrece varias series de diodos TVS, cada una de ellas compuesta por numerosos dispositivos con diferentes voltajes nominales para adaptarse a la magnitud de voltaje transitorio prevista, a las limitaciones del producto final y a los mandatos normativos, a la vez que requieren sólo unos pocos milímetros cuadrados de espacio en la placa de circuitos.