El uso de dispositivos sensibles en equipos electrónicos requiere cuidados especiales en la protección contra transitorios y brotes que pueden llegar por la línea de alimentación. Un dispositivo de importancia vital para la protección de circuitos contra transitorios es el TVS o Transient Voltage Suppresor (Supresor de Tensión Transitoria). En este artículo explicamos lo que viene a ser este componente, su utilización y cómo analizar sus especificaciones técnicas.
Una manera simple de evitar que los transitorios (pulsos de alta tensión y corta duración) venidos por la red de energía lleguen a los circuitos alimentados, es cortarlos con la ayuda de algún dispositivo que entre en conducción bajo cierta tensión.
Aunque los diodos zener comunes se pueden utilizar en algunos casos, no son los dispositivos apropiados para este propósito, tanto por su velocidad de respuesta como por la cantidad de energía que pueden manejar.
Para cumplir esta función, sin embargo, se pueden utilizar diodos zener con características especiales, con la capacidad de trabajar energías mucho más elevadas y con una velocidad de respuesta mucho mayor.
Estos componentes, destinados específicamente a la protección de equipos alimentados por la red de energía de corriente alterna, se denominan TVS o Transient Voltage Suppressors y tienen una curva característica y símbolos mostrados en la figura 1.
Los televisores comunes deben ser capaces de disipar la energía que aparece en un pulso de alta tensión o en un tren de estos pulsos (brote), lo que exige que sean montados en envolturas especiales. Como las muñecas son de corta duración, las energías deben ser convertidas en calor en un espacio de tiempo muy pequeño, y disipadas rápidamente para que la temperatura no se eleve a un nivel que pueda causar la destrucción del componente.
Un TVS común debe ser capaz de disipar potencias en el rango de 400 a 5000 W, que corresponden a niveles de energía de 0,55 a 2,1 joules, en un intervalo de tiempo típico de 1 milisegundos más que la duración mayor prevista para las muñecas de transitorios que normalmente aparecen en las aplicaciones prácticas.
Las tensiones de trabajo o "de avalancha" están en el rango de algunos volts hasta algunos cientos de volts.
Especificaciones:
En la utilización de un TVS las especificaciones deben ser tenidas en cuenta y, en este caso, son bastante similares a las de los diodos zener.
Tenemos entonces las siguientes especificaciones principales:
(Vbr) - Es la tensión en que el dispositivo entra en la condición de avalancha, o sea, se convierte en conductor. Para el TVS común esta tensión se especifica para una corriente de 1 mA. Eventualmente puede aparecer con valores mínimos y máximos.
(Vbr) - Se trata de la tensión inversa de trabajo. Si bien también es especificada por Vbr, tiene una pequeña diferencia con respecto a la anterior. Se trata de la tensión en que el dispositivo comienza a conducir y una corriente de fuga puede ser medida. Esta tensión es normalmente un 10% menor que la tensión de ruptura inversa, indicada en el ítem anterior. Esta corriente de fuga puede variar llegando a valores de hasta 1 mA, en cuyo caso esta especificación se iguala a la anterior. Las corrientes de fuga típicas de estos dispositivos son del orden de 5 microampères.
El pico máximo de pulso aparece en la actualidad (Ippm) - Es la corriente máxima de brote que el dispositivo puede soportar sin que se produzcan daños. Este parámetro se indica normalmente para un pulso de determinada forma de onda y de duración del orden de 1 milisegundo.
Maximum Clamping Voltage (Vc) - Es la tensión máxima que aparece sobre el dispositivo cuando está conduciendo la corriente máxima de brote.
Maximum Breakdown-voltage Temperatura Coeficiente - Esta especificación se da en porcentaje de Vbr por grado Celsius de temperatura. Con ella se mide la variación de las especificaciones de la tensión de ruptura en función de las variaciones de temperatura.
APLICACIONES
Damos a continuación algunos circuitos de aplicación de los TVS en la protección de diversos tipos de dispositivos.
a) Protección de ordenadores
En la figura 2 damos una aplicación típica de los TVS en un circuito sensible que contiene CPUs, memorias y dispositivos de entrada y salida de señales (puertas) por donde pueden entrar transitorios peligrosos.
Este circuito, en particular, protege las computadoras y otras aplicaciones en las que los dispositivos de la misma familia se utilizan contra descargas electrostáticas que puedan causar daños. La protección también funciona en las operaciones de encendido y apagado del aparato, cuando transitorios y brotes pueden ser generados.
Usando TVS típicos es posible proteger el circuito contra descargas de hasta 10.000 volts, que desarrollen corrientes de hasta 60 ampères en 10 microsegundos.
Los supresores en las líneas de alimentación permiten mantener el funcionamiento del circuito incluso cuando los transitorios vienen por la línea de alimentación.
b) Protección de UARTs
En la figura 3 tenemos el modo de emplear supresores en la protección de módems donde los transitorios que pueden aparecer en las líneas de comunicaciones son una amenaza para la integridad del circuito.
Lo que sucede en estos casos es que la alta inmunidad de los circuitos usados en la comunicación serial limita también su capacidad de disipación de energía. Esto significa que su protección es parcial y que transitorios elevados causan la destrucción de los componentes, ya que los diodos usados en la función de protección no pueden hacer su disipación. Con el uso de TVS, como muestra este circuito, tenemos un aumento considerable en la capacidad de absorción de energía. Los tipos de baja capacitancia, que no afecten a la transmisión / recepción de los datos deben ser preferidos en esta aplicación.
c) Protección de las memorias
En la figura 4 tenemos el modo de usar los TVS en la protección de líneas de datos de memoria, evitando que los dispositivos MOS sean afectados por oriundos de la fuente de alimentación.
Esto permite que estos circuitos sean alimentados por una misma fuente que sirva también para alimentar los circuitos TTL.
d) Protección para los circuitos tótem-pole
Los circuitos lógicos con salida tótem-pole, de acuerdo con la figura 5, tienden a generar picos de transitorios que pueden ser perjudiciales para el funcionamiento de un equipo.
Como muestra la misma figura, el uso de supresores de transitorios TVS puede absorber los picos de transitorios evitando que ellos se propaguen por el circuito. Los diodos existentes en los circuitos integrados para suprimir estas muñecas normalmente tienen corrientes limitadas, por lo que no proporcionan el mismo nivel de protección que los televisores.
e) Fuentes de alimentación
En la figura 6 mostramos el uso de TVS en protección de fuentes de alimentación, evitando la entrada de transitorios antes incluso de la rectificación.
En la figura 7 se muestra cómo se puede utilizar el TVS para proteger los diodos de una fuente de alimentación contra la tensión de ruptura inversa, evitando la quema del componente en caso de transitorios elevados. El TVS se convierte en conductor antes de que la ruptura inversa sea alcanzada con un transitorio, absorbiendo su energía.
Otra forma de emplear el TVS en un puente de diodos, donde sólo uno es necesario para proteger los 4 diodos se muestra en la figura 8.
Y, la protección en la entrada del circuito, en la propia línea de alimentación, también puede ser hecha con la conexión del TVS en paralelo con el cable de energía, vea la figura 9.
f) Cargas Inductivas
El TVS se puede utilizar para absorber los pulsos de transitorios generados en la conmutación de cargas inductivas, tales como solenoides, motores y relés.
En la figura 10 tenemos el modo de hacer la conexión del TVS en paralelo con la carga inductiva, con función similar a la ejecutada por diodos comunes, pero con las ventajas que ya se analizaron.
Observe que podemos usar tanto los tipos "bipolares" como los tipos simples, dependiendo del transitorio que es generado y que debe ser absorbido.
QUIEN FÁBRICA TVS
Un gran fabricante de TVS es Littelfuse (www.littelfuse.com)