Control de sobretensiones con diodos TVS

Los diodos TVS (Transient Voltage Suppressors) se emplean habitualmente para proteger los circuitos frente a picos de tensión elevados. Los diodos TVS funcionan en sentido inverso y desvían las corrientes de interferencia cuando la tensión inversa supera el denominado umbral de ruptura por avalancha. Los diodos TVS pueden considerarse diodos Zener de elevadas prestaciones que representan una variante especial de los diodos de avalancha. Los diodos TVS son capaces de absorber picos de potencia elevados (del orden de cientos o miles de vatios), mientras que los diodos Zener presentan una tolerancia de tensión más reducida. Los diodos TVS poseen generalmente una capacidad parásita superior a la de los diodos Zener. Están disponibles en versión unidireccional o bidireccional. Los diodos TVS unidireccionales se comportan como un diodo convencional en polarización directa y bloquean la corriente en el sentido contrario hasta alcanzar la tensión nominal de trabajo. Los diodos TVS bidireccionales bloquean hasta la tensión nominal en ambas direcciones (adecuados para la protección frente a corrientes alternas).

Los diodos TVS unidireccionales presentan un tiempo de activación mucho más corto que sus equivalentes bidireccionales (por ejemplo, 5 ps frente a 5 ns). Los símbolos eléctricos para los diodos TVS unidireccionales y bidireccionales están representados en la figura 1.

La representación en la parte derecha de la figura 1 ilustra el principio de funcionamiento de un diodo TVS bidireccional; se trata de un circuito formado por dos diodos TVS conectados en ‘antiserie’. En la figura 2 se muestran las características tensión-corriente típicas de los diodos.

Figura 2. Características tensión-corriente de los diodos TVS unidireccionales (arriba) y bidireccionales (debajo).

Los parámetros de las características corriente-tensión y de las propiedades (Properties) en los extractos de tablas de las hojas de datos de WE tienen el siguiente significado:

La tensión máxima de trabajo no debe exceder el valor VDC. El diodo TVS presenta una alta impedancia para el circuito protegido cuando la tensión aplicada al diodo se encuentra por debajo de este valor umbral. Por encima de este valor circula una corriente de fuga demasiado elevada que puede provocar de forma permanente el fallo del diodo TVS.

Tensión de ruptura inversa (VBR)

Este es el umbral de tensión a partir del cual el diodo TVS comienza a conducir una corriente definida de 1 mA y también se denomina tensión de ruptura. El valor de VBR indicado en la hoja de datos debe ser superior a la tensión máxima de trabajo del circuito que se desea proteger, para que el diodo TVS se encuentre en estado de bloqueo durante las condiciones normales de funcionamiento del equipo.

Tensión de limitación, tensión de sujeción (VClamp)

La sobretensión transitoria se limita al valor definido por VClamp, es decir, al valor máximo de tensión que aparece en el circuito protegido. La tensión VClamp está definida para una corriente de pico de impulso (IPeak).

Corriente de pico de impulso (IPeak)

Se trata de la corriente de sobretensión máxima que el diodo TVS puede soportar sin sufrir daños. La corriente de pico de impulso se define sobre la base de la forma de señal transitoria de la corriente de sobretensión, que en la mayoría de las aplicaciones industriales se especifica como 8/20 µs, donde 8 µs representan el tiempo de subida (t1) hasta el valor de pico y 20 µs la duración del impulso hasta que la corriente desciende al 50 % del valor de pico (t2).

Leakage Current (ILeak)

La corriente de fuga se mide a VDC y es la corriente residual que circula en sentido inverso.

Power Dissipation (PDISS)

La potencia de disipación PDISS indica cuánta potencia puede absorber el diodo. Se distingue entre la potencia de disipación de pico de impulso y la potencia de disipación en régimen permanente.

Potencia de disipación de pico de impulso

La potencia de pico máxima que el diodo TVS puede derivar durante un evento transitorio para una forma de señal de impulso definida; en este caso, para el impulso de 10/1000 µs (10 µs de tiempo de subida, 1000 µs hasta el descenso a la mitad de la amplitud).

Potencia de disipación en régimen permanente

La potencia que el diodo TVS puede absorber de forma continua en condiciones normales de funcionamiento.

Diodos TVS de baja capacidad

Existe una familia de diodos TVS denominada diodos TVS de baja capacitancia (o Super Speed Series, femtoF). Presentan una capacitancia significativamente inferior a la de los diodos TVS convencionales (normalmente entre 0,1 y 0,5 pF) y están concebidos para proteger líneas de transmisión de datos de alta velocidad, como USB, HDMI y Ethernet, además de aplicaciones de radiofrecuencia. La baja capacitancia se consigue añadiendo en serie un diodo de uso general polarizado en sentido de conducción con el diodo TVS habitual polarizado en sentido inverso (figura 3). En la tabla 1 figuran los datos característicos seleccionados del diodo TVS «femtoF» 8231706A de Würth Elektronik eiSos.

Un diodo TVS ideal bloquea completamente la corriente; es decir, la corriente es igual a cero cuando la tensión de entrada es inferior a la tensión de ruptura. Cuando la tensión de entrada es superior a la tensión de ruptura, el diodo TVS presenta idealmente una resistencia próxima a cero, de modo que la tensión transitoria puede suprimirse eficazmente. Un diodo TVS estándar limita la tensión comenzando a conducir a partir de una determinada tensión y restringiendo la tensión que cae a través del diodo. Debido a las corrientes de fuga y a una resistencia interna finita, este diodo presenta un comportamiento “no ideal” (figura 2).

Un diodo TVS puede realizarse, desde el punto de vista de la tecnología de semiconductores, mediante una unión PN que presenta una tensión de ruptura definida. Cuando una tensión de entrada transitoria supera la tensión de ruptura, se produce un flujo de corriente a través del diodo TVS para proporcionar protección frente a tensiones transitorias. Sin embargo, el tipo de TVS con unión PN no tiene portadores minoritarios y, por ello, presenta una capacidad de limitación deficiente debido a su elevada resistencia interna. En la tecnología de semiconductores existen implementaciones alternativas de diodos TVS con uniones bipolares NPN/PNP, en las que un transistor bipolar es activado por un efecto de avalancha para proporcionar la función de limitación. La base del transistor se inunda con portadores minoritarios y, de este modo, el TVS bipolar puede alcanzar una tensión de limitación más baja y constante, ya que la corriente de avalancha aumenta por sí misma a través de la base gracias a la ganancia bipolar del transistor.

Este tipo de 'diodo TVS' se basa en la estructura interna de los MOSFET y, por su naturaleza, es considerablemente más complejo de lo que sugiere el esquema del diodo TVS (figura 1).

Debido a la configuración del material dopado, cada MOSFET de canal N incorpora un transistor bipolar de unión (BJT) parásito. Durante el funcionamiento normal de un componente NMOS, el BJT parásito no entra en acción. Tal y como se muestra en la figura 4, el BJT tiene la fuente como emisor y el drenador como colector, y el sustrato de tipo p situado debajo puede actuar como base del BJT en las condiciones adecuadas.

Para entender mejor el funcionamiento, conviene explicar en este punto la denominada "ionización por impacto". Un electrón móvil o un hueco (portador de carga positiva) se desplaza bajo la influencia de un campo eléctrico. En un campo eléctrico débil, se desplaza sin modificar el sistema. Sin embargo, en presencia de un campo eléctrico intenso, como el que aparece en un componente sometido a una alta tensión en sus terminales, el portador de carga móvil colisiona energéticamente con portadores de carga ligados, que entonces pueden liberarse. Estos nuevos portadores de carga pueden, a su vez, repetir el proceso, lo que propicia una corriente de avalancha

Cuando esta corriente de avalancha se dirige hacia la base del BJT parásito, la corriente de base puede activar el BJT y permitir un elevado flujo de corriente entre el colector y el emisor. Lo más interesante es que, una vez abierto, es decir, una vez disparado el componente, el intenso campo eléctrico que puso en marcha el proceso ya no es necesario, ni siquiera está presente, para mantener la corriente. La conducción de corriente continúa a medida que aumenta la corriente, aunque con una tensión mucho menor entre el emisor y el colector. Este fenómeno, en el que el dispositivo se dispara al alcanzar una tensión relativamente elevada y después continúa conduciendo a una tensión inferior, se conoce como efecto snapback.

La Nota de Aplicación ‘Diodos TVS: Fundamentos, funcionamiento y aplicaciones’ de Würth Elektronik [1] presenta un ejemplo de circuito y explica en detalle la estructura del semiconductor.

La figura 5 muestra las características tensión-corriente de los diodos TVS unidireccionales y bidireccionales con efecto snapback. Para una protección ESD eficaz, la tensión de disparo no debe ser tan alta que pueda dañar el circuito que se desea proteger. Asimismo, la tensión de mantenimiento inferior (Vhold) debe ser superior a la tensión de trabajo normal del circuito. Esta condición se cumple cuando dicha tensión de trabajo no excede la tensión máxima de trabajo VDC o VCh. Si el diodo TVS no se selecciona correctamente, existe el riesgo de que se produzca un fenómeno denominado latch-up.

Un dispositivo limitador de tensión debe ofrecer protección frente a fenómenos transitorios sin afectar al funcionamiento previsto del circuito Esto puede resultar complicado, ya que los parámetros suelen ser contrapuestos. Un diodo TVS para interfaces de señal de alta frecuencia debe presentar una baja capacitancia para evitar que la carga capacitiva afecte a la señal. Sin embargo, la capacidad de un dispositivo para absorber energía depende del tamaño de la unión. Cuanto mayor sea la unión, más energía podrá absorber. El inconveniente es que, a medida que aumenta el tamaño de la unión, también lo hace la capacitancia del dispositivo. Como se ha visto anteriormente, un método habitual para reducir la capacitancia efectiva consiste en utilizar una configuración de diodos de baja capacitancia (figura 3).

Para proteger varios buses de señal simétricos, como por ejemplo USB 3.1, se combinan varias configuraciones de diodos en un 'array' (figura 6).

La capacitancia del diodo TVS queda prácticamente "oculta" por los diodos convencionales situados aguas arriba del circuito. Los diodos deben soportar la corriente transitoria y requieren una tensión de ruptura inversa superior a la tensión de ruptura del diodo TVS.

Figura 6. Array de diodos con diodo TVS para 4 canales, serie WE-TVS High Speed, 824015.

El comportamiento en corriente continua (DC) y corriente alterna (AC) de los arrays de diodos TVS, junto con curvas de medición detalladas y explicaciones adicionales, puede consultarse en [1].

Autor

Dr.-Ing. Heinz Zenkner cursó estudios en Ingeniería Electrónica, especializándose en tecnología de comunicaciones y de alta frecuencia, y obtuvo su doctorado en ese ámbito. Cuenta con muchos años de experiencia como perito público y jurado especializado en EMC. Además de numerosas publicaciones científicas, colabora frecuentemente como autor en diversas obras sobre EMC. Asimismo, Zenkner ha ejercido como docente en varias universidades, en la IHK y en múltiples seminarios. Lleva muchos años trabajando en electrónica industrial, abarcando todas las fases desde la idea inicial del producto hasta su fabricación en serie. Su interés se centra especialmente en la transmisión inalámbrica de energía, para la que ha desarrollado tanto sus propios conceptos teóricos como prácticos.

Literatura

[1] Zenkner, H.: Diodos DVS Fundamentos, funcionamiento y aplicaciones. Nota de Aplicación ANP143 de Würth Elektronik: www.we-online.com/anp143

[2] Diodos TVS y otros componentes de Würth Elektronik para la protección frente a descargas electrostáticas (ESD): https://www.we-online.com/en/components/products/pbs/emc_components/esd_protection