Use os diodos de supressão da tensão transiente para tornar os circuitos mais robustos e manter a integridade elétrica

As tensões elétricas de transiente rápido (EFT) são uma realidade que os projetistas devem levar em conta para proteger seus circuitos, sistemas e usuários do sistema. As EFTs têm muitas fontes, incluindo a descarga eletrostática (ESD) comum devido a ações simples, como caminhar sobre um tapete, dar partida em um motor ou a ocorrência de um raio, causando um efeito de ondulação. Esses transientes podem afetar negativamente todas as classes de produtos, desde os vestíveis alimentados por baterias de baixa tensão até os sistemas de motores de alta potência.

Os efeitos das EFTs variam desde a interrupção temporária e a incapacidade de funcionar até a degradação de longo prazo do desempenho, além de danos e falhas permanentes. Embora os projetistas possam tomar medidas para reduzir os transientes de tensão, como o uso de gabinetes antiestáticos, filtragem, limitação na fonte ou implementação de aterramento adicional, essas medidas geralmente precisam ser revisadas ou atualizadas, dependendo do cenário específico da aplicação.

Para minimizar ou eliminar de forma confiável as consequências prejudiciais das tensões transitórias, os projetistas podem usar componentes passivos de dois terminais chamados diodos de supressão de transiente de tensão (TVS). Embora geralmente sejam vistos como um circuito aberto, esses diodos reagem quase instantaneamente e se assemelham a um curto-circuito quando ocorre o evento transitório, desviando assim a sobretensão transitória para o terra. Os diodos TVS oferecem resposta rápida, capacidade de suportar alta tensão, longa vida útil e baixa capacitância.

Este artigo examinará a necessidade, a função, os tipos e a aplicação dos diodos TVS, usando várias famílias de dispositivos e dispositivos da Eaton Corporation plc (Eaton) como exemplos.

Comece com as normas IEC

Para reduzir os riscos das EFTs, a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) definiu três normas reconhecidas internacionalmente para a proteção contra sobretensão dentro da IEC 61000-4 ("Compatibilidade eletromagnética (EMC): Técnicas de teste e medição"):

1) A IEC 61000-4-2 abrange a imunidade ESD ao nível de sistema, que se aplica à ESD causada pelo contato humano (Figura 1). Para essa forma de onda, o tempo de subida (tr) é curto, de 0,7 a 1 nanossegundo (ns), com a maior parte da energia se dissipando nos primeiros 30 ns, após os quais ela decai rapidamente. Portanto, a proteção contra sobretensão de ação muito rápida é necessária para uma resposta oportuna a eventos de ESD.

Figura 1: Uma forma de onda típica do pulso ESD devido ao contato humano, conforme caracterizado pela norma IEC 61000-4-2, mostra um tempo de subida muito curto de menos de um nanossegundo, com a maior parte da energia sendo dissipada nos primeiros 30 ns. (Fonte da imagem: Eaton)

A forma de onda, por si só, não indica os níveis de tensão associados. A norma IEC 61000-4-2 especifica as tensões de teste para imunidade ESD ao nível de sistema em vários equipamentos para descarga de contato e de ar (Figura 2).

Figura 2: Os níveis da IEC 61000-4-2 para descarga de ar e contato definem melhor as especificidades do contato humano. (Fonte da imagem: Eaton)

A escolha apropriada de um diodo TVS dependerá do nível de proteção ESD exigido em uma aplicação. Observe que todos os diodos TVS da Eaton oferecem desempenho mínimo de nível 4 quando testados de acordo com a norma IEC 61000-4-2. Outras opções estão disponíveis com proteção contra ESD ainda maior, fornecendo até 30 quilovolts (kV) para descargas por ar e por contato.

2) A IEC 61000-4-5 abrange a imunidade contra surtos elétricos, como os causados por raios ou por sistemas de chaveamento de energia. Diferentemente da eletricidade estática de potência relativamente baixa, os raios podem conter até 1 gigajoule (GJ) de energia e fornecer até 120 kV de tensão de surto. Os transientes induzidos por raios podem ocorrer devido a raios diretos em circuitos elétricos externos que produzem sobretensões e raios indiretos que induzem tensões de surto em condutores ou fluxos de corrente no aterramento de raios. Observe que os supressores TVS ESD não se destinam à proteção contra descargas atmosféricas diretas, mas os supressores ainda são necessários, pois essas descargas podem enviar transientes pelos sistemas de distribuição elétrica a distâncias de 1,6 km ou mais.

A IEC 61000-4-5 define uma forma de onda típica da tensão do raio (Figura 3).

Figura 3: Esta é a forma de onda do pulso de raio definida pela IEC 61000-4-5 (I_PP é a corrente de pico a pico). (Fonte da imagem: Eaton)

A norma IEC 61000-4-5 também especifica os níveis de tensão de teste para imunidade a surtos em classes de equipamentos elétricos/eletrônicos (Figura 4).

Os níveis são definidos pela aplicação final:

• Classe 1: Ambiente parcialmente protegido
• Classe 2: Ambiente elétrico onde os cabos são bem separados, mesmo em trechos curtos
• Classe 3: Ambiente elétrico onde os cabos de energia e de sinal correm em paralelo
• Classe 4: Ambiente elétrico com interconexões executadas como cabos externos junto com cabos de energia, e os cabos são usados para circuitos eletrônicos e elétricos

Figura 4: A IEC 61000-4-5 define quatro classes de níveis de teste para imunidade a surtos elétricos. (Fonte da imagem: Eaton)

3) A IEC 61000-4-4 abrange a proteção para EFTs (Figura 5). As EFTs são causadas pela operação de cargas indutivas, como motores de grande porte, relés, contatores de comutação em sistemas de distribuição de energia e a comutação na entrada ou saída dos equipamentos de correção do fator de potência.

Figura 5: É mostrada a forma de onda do pulso EFT conforme caracterizada pela IEC 61000-4-4. (Fonte da imagem: Eaton)

Observe que as EFTs geralmente são caracterizadas simplesmente pela combinação de dois números: seu tempo de subida até o valor de pico (t₁) e a duração do pulso até que o transiente caia para 50% do valor de pico (t₂). O transiente de 8/20 microssegundos (µs) é um pulso comum em aplicações industriais.

A amplitude da tensão transiente ESD que um circuito ou sistema deve suportar depende da aplicação. Três classes são definidas pela norma MIL-STD-883, que é amplamente usada pelo setor, bem como por sistemas militares e aeroespaciais (Figura 6).

Figura 6: Há três níveis de classificações de sensibilidade ESD de acordo com o método MIL-STD-883 número 3015. (Fonte da imagem: Eaton)

Os dispositivos TVS resolvem o problema

Para atender a vários requisitos e proteger seus sistemas, os projetistas podem usar diodos TVS. Os diodos TVS são dispositivos de silício com proteção contra sobretensão que funcionam com base no princípio de ruptura por avalanche do diodo. Eles são instalados em paralelo com o circuito normal para proteger os componentes internos contra tensões de curta duração (transitórias) e médias/altas (Figura 7).

Figura 7: O diodo TVS é colocado na entrada, entre a linha que está sendo protegida e o terra do sistema. (Fonte da imagem: Eaton)

Em operação normal e não transitória, os diodos TVS mantêm uma alta impedância e não interferem na transmissão de energia ou de sinal pelo equipamento. No entanto, quando um diodo TVS sofre um choque instantâneo de alta energia em seus terminais, ele protege os elementos do circuito a jusante entrando rapidamente em um estado de baixa impedância (chamado de ruptura por avalanche) para absorver a grande corrente e limitar a tensão a um nível seguro.

Os diodos TVS estão disponíveis como dispositivos de junção P-N unidirecionais ou bidirecionais. Apesar dos nomes, a maioria dos diodos TVS unidirecionais suprime tensões em ambas as polaridades. A diferença é que os tipos unidirecionais têm propriedades de tensão-corrente (V-I) assimétricas, enquanto os diodos TVS bidirecionais têm propriedades V-I simétricas (Figura 8). Os diodos TVS bidirecionais são adequados para proteger nós elétricos com sinais bidirecionais ou acima e abaixo da tensão do terra.

Figura 8: Os nomes dos diodos TVS não refletem nenhuma direcionalidade inerente. Em vez disso, os diodos TVS unidirecionais têm propriedades assimétricas de tensão-corrente (V-I), enquanto que os diodos bidirecionais têm propriedades V-I simétricas. (Fonte da imagem: Eaton)

Parâmetros de primeira linha, o encapsulamento e posicionamento definem o desempenho do TVS

Os diodos TVS são definidos por muitas especificações de alto nível. Entre elas estão:

• Tensão nominal reversa máxima de trabalho (V_RWM): ou também tensão de isolação reversa, essa é a tensão operacional máxima de um diodo TVS quando ele está "desligado"
• Tensão de ruptura (V_BR): A tensão na qual ocorre a ruptura por avalanche em um diodo TVS, resultando em baixa impedância
• Corrente de fuga reversa (I_R): A corrente que flui por um diodo TVS quando ele está em polarização reversa
• Tensão de grampeamento (Vc): A tensão em um diodo TVS em seu dimensionamento da corrente de pulso do pico (I_pp)
• Capacitância: Uma medida de carga armazenada, geralmente em picofarads (pF), entre o pino de entrada e outro ponto de referência (geralmente terra/aterramento), normalmente medida com um sinal de 1 megahertz (MHz)
• Corrente de pico a pico (I_pp): A diferença entre as amplitudes máxima positiva e máxima negativa de uma forma de onda de corrente

A seleção de um diodo TVS é normalmente um processo de quatro etapas:

1. Selecione um diodo com uma tensão de isolação maior do que a tensão operacional normal
2. Verifique se a corrente de pico a pico especificada excede a corrente de pico a pico esperada e garanta que o diodo seja especificado para lidar com a potência necessária durante um evento transitório
3. Calcule a tensão máxima de grampeamento (V_CL) do diodo selecionado
4. Confirme se o valor de V_CL calculado é menor que o dimensionamento máximo absoluto especificado para o pino protegido

O posicionamento do dispositivo TVS na placa de circuito é fundamental para a obtenção de todos os recursos de desempenho desses dispositivos. Para obter a melhor proteção contra surtos, os diodos devem ser colocados o mais próximo possível do ponto de entrada da tensão, como as portas de E/S, para minimizar o impacto parasita na supressão efetiva dos surtos de transientes rápidos.

Exemplos de TVSs que ilustram a variedade de ofertas

Os diodos TVS da Eaton são adequados para proteção contra sobretensão em interfaces de E/S e linhas de sinal digital e analógico de alta velocidade. Eles oferecem tensões de grampeamento muito baixas, alta potência de pico, dissipação de alta corrente e tempos de resposta de nanossegundos.

O encapsulamento do diodo TVS está intimamente relacionado às especificações. Estão disponíveis invólucros de montagem em superfície e de furo passante, sendo que o último oferece desempenho de tensão/corrente mais alto.

Os diodos TVS devem proteger contra uma ampla gama de tensões e correntes. Portanto, um valor de dimensionamento de tensão e outros parâmetros não podem satisfazer todas as situações de EFT. A seguir, exemplos de quatro famílias distintas que ilustram esses pontos.

1) A série SMFE tem uma capacidade de potência de pulso do pico de 200 watts com uma forma de onda de 10/1000 µs. Os dispositivos estão alojados em um invólucro de montagem em superfície SOD-123FL de baixo perfil, padrão do setor, medindo 2 × 3 × 1,35 milímetros (mm), que otimiza o espaço da placa para dispositivos móveis e vestíveis.

Um membro da série é o SMFE5-0A (Figura 9). Ele tem uma tensão de grampeamento de 9,2 V, uma I_pp de 21,7 amperes (A) e suporta casos de uso unidirecional ou bidirecional. A corrente de fuga reversa é inferior a 1 μA acima da operação de 10 V, e o tempo de resposta é rápido, normalmente inferior a 1,0 picossegundo (ps) de 0 volts a V_BR.

Figura 9: O diodo TVS SMFE5-0A de 9,2 V é fornecido em um invólucro de montagem em superfície SOD-123FL de baixo perfil e destina-se a aplicações móveis e vestíveis. (Fonte da imagem: Eaton)

2) A série ST protege uma linha de E/S bidirecional e tem como alvo portas USB e outras portas de dados, touchpads, botões, alimentação CC, conectores RJ-45 e antenas de RF. Os membros dessa família, como o STS321120B301 de 33 volts e I_pp de 12 A, estão alojados em um minúsculo invólucro SMT SOD-323 medindo 1,8 × 1,4 × 1,0 mm e são dimensionados para 400 watts de potência de pulso do pico por linha (t_P = 8/20 μs). Os diodos dessa série suportam tensões de trabalho que variam de 2,8 volts CC (V_CC) a 70 V_CC com capacitância ultrabaixa de até 0,15 pF. Esses diodos fornecem proteção ESD de até 30 kV (segundo a IEC 61000-4-2).

3) A série AK inclui diodos TVS de alta potência com proteção de até 10.000 A e foi projetada para atender a ambientes severos de teste de surto para aplicações CA e CC. Esses diodos apresentam baixa resistência tangencial, bem como um fator de grampeamento, isto é, limitação superior devido à tecnologia de ionização por impacto. Eles atendem aos padrões de dispositivos de proteção contra surtos da UL1449 para aplicações como eletrônicos de consumo, eletrodomésticos, automação industrial ou proteção de linha CA. (Observação: a resistência dinâmica ou tangencial é a resistência oferecida pelo diodo quando uma tensão CA é aplicada; a ionização por impacto é um processo do dispositivo pelo qual a condução de grandes correntes permanece mesmo em tensões mais baixas).

Para atender aos requisitos de amperagem e UL, os dispositivos dessa série usam encapsulamento de terminais axiais de furo passante, conforme usado com o AK6E-066C, uma limitação de 120 V e um diodo com I_pp de 6000 A (Figura 10). Esse diodo mede 25 mm ao longo de seus terminais, com um corpo "central" quase quadrado que mede aproximadamente 13 × 15 mm.

Figura 10: O diodo TVS de 120 V de alta potência AK6E-066C oferece proteção de até 10.000 A e está alojado em um invólucro com terminais axiais de furo passante. (Fonte da imagem: Eaton)

4) A série SMAJExxH de diodos TVS de tamanho SMA é única, pois é qualificada de acordo com os padrões AEC-Q101 exigidos para aplicações automotivas. Fornecem capacidade de potência de pulso do pico de 400 watts (com uma forma de onda de 10/1000 μs) e têm um tempo de resposta rápido que normalmente é inferior a 1,0 ps de 0 V a V_BR, juntamente com I_R inferior a 1 μA acima de 10 volts.

Os dispositivos dessa família variam de 5 a 440 volts com versões unidirecionais e bidirecionais para cada dispositivo e incluem o SMAJE22AH, que apresenta uma tensão de grampeamento de 35,5 V com I_pp de 11,3 A (Figura 11). Todos os dispositivos da série são alojados em invólucros plásticos de montagem em superfície, medindo 3,0 × 4,65 × 2,44 mm (máximo) e atendendo à classificação de inflamabilidade UL 94 V-0 (Figura 11).

Figura 11: O diodo TVS SMAJE22AH de 35,5 V é qualificado de acordo com os padrões automotivos, conforme exigido pela AEC-Q101; ele também usa um encapsulamento plástico que atende ao padrão de classificação de inflamabilidade UL 94 V-0. (Fonte da imagem: Eaton)

Conclusão

Os transientes elétricos causados por eletricidade estática, partida de motores ou raios próximos podem danificar os sistemas eletrônicos e seus componentes. Os diodos TVS respondem a essas sobretensões quase instantaneamente e desviam a tensão transiente e a energia para o terra, protegendo assim o sistema. Como mostrado, a Eaton oferece várias séries de diodos TVS, cada série composta por vários dispositivos com dimensionamentos em diferentes tensões para corresponder à amplitude da tensão transiente prevista, às restrições do produto final e às exigências regulatórias, necessitando apenas alguns milímetros quadrados de espaço na placa de circuito.