El impacto de los picos y sobretensiones transitorias en los circuitos electrónicos varía, desde molestas fallas menores hasta consecuencias catastróficas que pueden causar daños a los componentes del circuito. Las causas de estos fenómenos transitorios son diversas e incluyen rayos, electricidad estática y descargas inducidas (Figura 1).
Figura 1: Los transitorios pueden ser causados por rayos, electricidad estática o descargas inducidas, que pueden causar daños graves a dispositivos electrónicos desprotegidos. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)
Estos transitorios pueden generar pulsos con voltajes máximos que van desde cientos de voltios hasta decenas de miles de voltios y corrientes que alcanzan niveles de kiloamperios, con duraciones que van desde cientos de nanosegundos a milisegundos.
La miniaturización de los circuitos integrados y procesadores, así como la disminución del voltaje de la fuente de alimentación, los hacen más sensibles a los transitorios eléctricos. Esto es particularmente cierto para los vehículos controlados por múltiples sistemas electrónicos, incluidos el motor, la dirección, el frenado, el aire acondicionado y el entretenimiento.
Para proteger circuitos sensibles, se han desarrollado varias estrategias de diseño, incluido cableado blindado, filtros, supresión de arco y dispositivos de sujeción. El blindaje y el filtrado adoptan un diseño pasivo, mientras que la supresión de arco y la protección de abrazadera adoptan mecanismos activos. Los explosores, los tubos de descarga de gas, los tiristores y otros dispositivos de extinción de arco desvían las corrientes transitorias a tierra para proteger el circuito. Cuando el dispositivo de extinción de arco está en estado activo, el equipo protegido no funciona, pero una vez que desaparece el transitorio, el equipo puede funcionar normalmente.
Los dispositivos de sujeción incluyen varistores de óxido metálico (MOV), diodos Zener y diodos de avalancha de supresión de voltaje transitorio (TVS), que mantienen un voltaje constante en todo el dispositivo protegido cambiando la impedancia. Estas tecnologías se pueden utilizar de forma individual o simultánea. Los diodos TVS se utilizan ampliamente como dispositivos de sujeción debido a su rápida velocidad de respuesta y alta disipación de potencia.
Diodo de supresión de voltaje transitorio
El diodo TVS es un diodo de avalancha que se utiliza como dispositivo de sujeción. Cuando el voltaje aplicado excede su voltaje de ruptura de avalancha, desviará la corriente excesiva y mantendrá o fijará el voltaje a un potencial constante. Cuando el voltaje aplicado es inferior al valor de ruptura, se restablecerá automáticamente.
Los diodos TVS se pueden utilizar como dispositivos unidireccionales para evitar transitorios unipolares, así como dispositivos bidireccionales para evitar transitorios de cualquier polaridad (Figura 2). Los dispositivos bidireccionales pueden ser simétricos, capaces de fijar cualquier voltaje de polaridad con la misma amplitud, o asimétricos, capaces de fijar diferentes niveles de voltaje según la polaridad de los transitorios.
Figura 2: Características de ruptura de voltaje actual y símbolos esquemáticos de tres dispositivos TVS. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)
El principio de funcionamiento de un diodo TVS unidireccional es similar al de un diodo simple. Conduce cuando está polarizado en directa y no conduce cuando está en polarización inversa, hasta que excede el voltaje de ruptura (VBR) del diodo. Cuando el voltaje aplicado excede VBR, el diodo conduce, manteniendo el voltaje a través de sus terminales en el voltaje de abrazadera (VC). La potencia máxima que este diodo puede disipar es la corriente de pulso máxima (IPP) x VC.
Un diodo TVS bidireccional equivale a dos diodos consecutivos. Cuando no se excede el voltaje de ruptura (VBR) en ninguna dirección, solo fluye una pequeña corriente de fuga inversa (IR). Esta operación es simétrica porque las amplitudes del voltaje de ruptura bajo las dos condiciones de polarización son las mismas.
La función de los diodos TVS asimétricos es similar a la de los dispositivos bidireccionales, pero sus voltajes de ruptura (VBR1 y VBR2) son diferentes.
Diodo TVS asimétrico
Quizás se pregunte por qué se necesitan diodos TVS asimétricos. Estos componentes están diseñados para proteger los controladores de compuerta en MOSFET de carburo de silicio (SiC). Debido a la rápida velocidad de conmutación del SiC, estos controladores son propensos a sufrir daños causados por sobretensiones transitorias. Echemos un vistazo al MOSFET de SiC o inversor de tracción utilizado para cargar automóviles (Figura 3).
Figura 3: Televisores TPSMB1505CA asimétricos utilizados para proteger los controladores de puerta del interruptor MOSFET de SiC. (Fuente de la imagen: Littelfuse Inc.)
Los televisores asimétricos Littelfuse TPSMB1505CA se utilizan para proteger el controlador de puerta de los MOSFET. El conductor de la puerta tiene dos estados; El voltaje de la compuerta en el estado encendido está entre -5 y 10 V, mientras que en el estado apagado está por debajo de -10 V. El voltaje de ruptura nominal del cátodo (K) al ánodo (A) del TPSMB1505CA es de 16,7 a 18,5 V y el voltaje de sujeción máximo es de 24,4 V. El Ipp en esta dirección es de 24,6 A y la duración del pulso transitorio es de 10 a 1000 ms.
El voltaje de ruptura de TVS de A a K es de 6,8 a 7,4 V y el voltaje de sujeción máximo es de 11,5 V. La corriente de pulso máxima en esta dirección es de 60 A y la duración del pulso transitorio también es de 10 a 1000 ms. Vale la pena señalar que esto sólo se puede lograr mediante un único componente. Si se utilizan componentes independientes para lograr este modo de trabajo asimétrico, es necesario que varios componentes funcionen juntos.
El diodo TVS de la serie asimétrica Littelfuse TPSMB (Figura 4) incluye dos componentes adicionales con diferentes voltajes de ruptura de K a A. TPSMB1805CA proporciona un rango de voltaje de ruptura de K a A de 20,0 a 21,1 V, con un voltaje de abrazadera máximo de 29,2 V. La Ipp nominal es de 20,6 A y la duración del pulso es de 10 a 1000 ms. El rango de voltaje de ruptura de A a K es el mismo que el del TPSMB1505CA (6,8 a 7,4 V).