TVS para prevenir ESD

El título del artículo parece el nombre de una vacuna para prevenir algún tipo de enfermedad, sin embargo, se trata de un tipo especial de diodo que se utiliza en el desarrollo electrónico. Son supresores para transitorios de voltaje (picos de tensiones elevadas y destructivas) (TVS, Transient-Voltage-Suppression) que se emplean, además, para neutralizar, minimizar o anular (en el caso ideal) las descargas electrostáticas (ESD, Electrostatic Discharge) a las que pueden estar expuestas algunos circuitos electrónicos. Este escenario es muy común dentro del sistema eléctrico de un vehículo. Por estos días, cuando la electrónica se hace presente en el automóvil con mayor cantidad de accesorios útiles para el viajero, la protección integral de estos dispositivos, depende de estos elementos y no debemos dejar de conocerlos.

Por lo general, cuando abrimos un equipo electrónico utilizado dentro de un automóvil (Sonido, GPS, Inyección, Ordenador de a Bordo, etc.) nos encontramos con todos los circuitos que permiten su funcionamiento adecuado, correcto y útil a nuestras necesidades. Además de ellos, como complemento casi imperceptible y muchas veces (mal) eliminado para abaratar costos, se encuentran los sistemas de protección contra transitorios de tensión o supresores de voltaje. Los nombres con los que se suelen encontrar a estos dispositivos, pueden variar desde el fabricante hasta el tipo de aplicación y uso que tenga el dispositivo. Por ejemplo, uno de los más populares para la gente es el utilizado en corriente alterna, en las entradas de las fuentes conmutadas (Convertidores AC-DC), que se llaman Varistores y en su forma esquemática, son representados por dos Diodos Zeners enfrentados. Los Varistores NO son TVS, pero su funcionamiento similar, ayuda a comprender el funcionamiento de estos. Los utilizados en Corriente Continua (DC), suelen tener un aspecto gráfico muy similar a un Diodo Zener tradicional, sin embargo, pueden soportar picos de corriente y potencia mucho mayores a los que estamos acostumbrados a encontrar, como propiedad, en un diodo zener tradicional. Por ejemplo, un TVS de montaje superficial (DO-214AA) es capaz de “cortar” picos de tensión de hasta 500Volts (o Voltios) y de “absorber” potencias instantáneas de hasta 600Watts (o Vatios)

Este tipo de dispositivos funciona por derivación (hacia GND o Tierra) de un exceso de corriente cuando el voltaje inducido en la línea donde se halla conectado, supera el potencial de ruptura por avalancha. Es decir, es un dispositivo de contención, que se encargará de suprimir sobretensiones por encima de su voltaje de ruptura. Como todos los dispositivos de contención o de conducción temporal y controlada (como es el zener tradicional), se restablece automáticamente cuando la sobretensión desaparece, pero como mencionamos antes, es capaz de absorber mucha más de energía transitoria interna que un dispositivo con calificaciones similares. Un diodo supresor de transitorios de voltaje puede ser unidireccional o bidireccional, tal como podemos ver en la imagen superior. Un dispositivo unidireccional opera como un rectificador en polarización directa y/o como cualquier diodo del tipo “avalancha”, con la diferencia de que está diseñado específicamente para manejar corrientes de pico muy grandes.  Un diodo supresor de transitorios de voltaje “bidireccional” puede ser representado por dos diodos de avalancha opuestas en serie entre sí y conectados en paralelo con el circuito a proteger. En el siguiente gráfico, puedes encontrar ejemplos de una marca popular y reconocida por su calidad y presencia en muchos equipos (¡observa que en montaje superficial, se pueden absorber hasta 5KWatts de potencia!).

Un diodo TVS o diodo supresor de transitorios de voltaje (o tensión) puede responder a sobretensiones (picos inducidos) de manera más rápida que otros componentes comunes de protección, tales como los varistores tradicionales o los tubos de descarga de gas (Spark Gap). El tiempo real de activación (entrar en conducción ante un pico abrupto de tensión) se produce en aproximadamente un picosegundo, pero en un circuito práctico los componentes físicos adyacentes, como la inductancia de los cables, llevan al dispositivo a comenzar su trabajo dentro de un lapso de tiempo levemente superior. Esta velocidad natural del componente hace que la supresión (casi inmediata) de la tensión, resulte extremadamente útil para la protección y seguridad contra transitorios de tensión, nocivos, dañinos y destructores de cualquier circuito electrónico. Estos “fantasmas asesinos”, que son los transitorios de tensión, están presentes en casi todas las redes de distribución de energía dentro de un automóvil y pueden ser generados por eventos internos o externos, por ejemplo en arcos eléctricos en sistemas de ignición defectuosos o por rayos eléctricos de una gran tormenta atmosférica, es decir, la mencionada ESD o descarga electrostática. Por lo general este tipo de fenómeno suele ser inducido por la fricción de la carrocería de un vehículo contra el viento, al transitar a alta velocidad por una autovía.

La mayoría de estos dispositivos poseen certificaciones y cumplen con normativas internacionales de protección contra transitorios directos de tensión como para las descargas de alta tensión provocadas por la ESD. El tipo de protección que estos dispositivos ofrecen es la conducción y absorción instantánea de estas descargas sorpresivas de tensión y alta energía, sin embargo, cuando sus especificaciones son superadas, por lógica, pasarán a un modo de ruptura o falla. En ese caso, la inmensa mayoría de estos dispositivos está preparado para proteger al circuito que los involucra, por lo tanto, el resultado de su falla se traduce en un corto-circuito que hará romper el fusible destinado a ese sector en particular. Al igual que el varistor, que el diodo zener, que el diodo de avalancha; el TVS, es un dispositivo que tiene como prioridad fundamental proteger al circuito que lo incorpora. Es muy raro encontrar algún elemento de los mencionados “abierto”, siempre se pondrán en corto-circuito. Por último podemos agregar que en un buen diseño de un PCB, un TVS debe colocarse “físicamente” tan cerca como sea posible de los conectores que llevarán los cables hacia longitudes extensas y que la conexión a GND, sea tan próxima como el montaje del PCB lo permita (que no deba recorrer vías extensas y mucho menos delgadas).

Las descargas electro-estáticas y los picos transitorios de tensión hoy están presentes en múltiples lugares y en los más inesperados. Estar protegidos puede sonar a algo inútil cuando nada nos ocurre y creemos que: “esos componentes pueden obviarse en el próximo re-diseño”, sin embargo, la jerarquía de un desarrollo electrónico se expresa, entre otras formas, en la calidad de sus protecciones contra agentes nocivos, internos o externos que posea; máxime aún cuando estos son invisibles y tan rápidos que la electrónica tradicional no puede controlar. No dejes de visitar los enlaces que te dejamos en la parte inferior de este artículo para seleccionar el TVS adecuado para tu próximo desarrollo.