Diodo TVS

¿Que es un diodo TVS?

El diodo TVS o supresores de voltaje transitorio es un dispositivo semiconductor de unión PN usado para proteger circuitos de picos de elevados voltajes¹. Estos picos elevados de voltajes se denominan descarga electrostática o ESD, ocurre durante la manipulación del circuito sin protección adecuada o mediante eventos medioambientales.

Los diodos TVS cuentan con una respuesta extremadamente rápida con lo que puede suprimir voltaje en cuestión de microsegundos, ademas se pueden encontrar 2 tipos diodos TVS unidireccional y diodos TVS bidireccional.

Contenido

• ¿Que es un diodo TVS?
• Símbolo del Diodo TVS
• Parámetros de un diodo TVS
• ¿Cómo funcionan los diodos TVS?
• ¿Cómo medir un diodo TVS?
• ¿Cómo seleccionar un diodo TVS?
• Diodo tvs bidireccional
• Circuito de aplicación de un diodo TVS
  • Apliando una señal senoidal de 120Vpp
  • Aplicando una señal senoidal de 120Vpp y un pulso de 1000V

Símbolo del Diodo TVS

Como se mencionó anteriormente, existen 2 tipos de diodos TVS estos se pueden ver en la Figura 1

Parámetros de un diodo TVS

Antes de seleccionar un Diodo TVS adecuado para el circuito, es necesario conocer los parámetros mas importantes que lo componen, estos se pueden observar en la gráfica de la Figura 2

Donde:

• $V_{RWM}$: Este es el punto máximo de protección, en este punto el dispositivo se mantiene en alta impedancia y se considera "apagado"
• $V_{BR}$: En este punto el diodo comienza a conducir, la corriente IT, esta corriente se encuentra entre 1 mA y 10 mA, $V_{BR}$ tiene un valor mayor de entre 10% y 15% el valor de $V_{RWM}$.

  El diseñador debe asegurarse que el voltaje del circuito que va a proteger sea menor que el valor del voltaje $V_{BR}$

• $V_{F}$: Es el voltaje en directo típico de cualquier diodo rectificador
• $V_{C}$: Es el Voltaje de mantenimiento, igual al Vz en los diodos Zener, este valor se alcanza una corriente $I_{PP}$ y suele ocurrir el un periodo muy corto de tiempo, de igual forma, si se supera este valor el diodo se destruirá.
• $P_{PP}$: Potencia pico pulsante, este parámetro es el punto máximo de potencia que el diodo puede manejar, es el producto de VC por IPP, si se supera este valor el diodo puede destruirse, asimismo este valor debe seleccionarse en base a la potencia de trabajo que se espera manejar.

¿Cómo funcionan los diodos TVS?

Estos diodos se conectan en paralelo al circuito que se quiere proteger de este modo, al ingresar un pico de voltaje elevado, el diodo lo regulará a un valor seguro para el circuito a proteger ². En la Figura 3 se puede ver un ejemplo.

En cuanto al diseño de una PCB, este componente debe colocarse siempre cerca a los conectores, debido a que son las principales fuentes de descargas electrostáticas al momento de la manipulación.

¿Cómo medir un diodo TVS?

La forma mas simple de medir un diodo TVS es unando un instrumento especializado como el Atlas Zen50 con el cual se pueden probar diodos TVS de hasta 50 Voltios, aunque existe una version con la que se puede llegar hasta 75 Voltios.

Atlas Zen50

PEAK analizador electrónico de componentes ZEN50, diodos Zener y Avalanche

Si no se cuenta con un instrumento como el ZEN50 una alternativa es aplicar un voltaje lo suficientemente alto hasta alcanzar el valor de $V_C$, esto debe hacerse limitando la corriente a un máximo de 10 mA, como se ve en la Figura 5.

Una vez se tiene la fuente configurada se comienza a aumentar el voltaje poco a poco, hasta superar $V_{RWM}$, a partir de este punto comenzara a fluir corriente aunque el voltaje tiende a mantenerse igual al de la fuente, cada vez que el voltaje se acerca mas al valor de $V_C$ la corriente comienza a aumentar y el valor de $V_C$ trata de mantenerse constante a pesar de tener un voltaje mayor en la fuente.

¿Cómo seleccionar un diodo TVS?

Se debe tener en cuenta es el voltaje máximo que soportará el sistema, este debe ser igual o menor al valor de VRWM, de esta forma, una vez el sistema detecta un valor de voltaje mayor a VRWM el diodo entra en conducción y rápidamente tratará de mantener el voltaje cerca al valor VC³

Diodo tvs bidireccional

El diodo TVS bidirecconal como su nombre lo indica tiene la capacidad de proteger el sistema en 2 direcciones, así como se ve en la Figura 1.B

Circuito de aplicación de un diodo TVS

En este ejemplo se usara un diodo TVS SMAJ5.0CA el cual tiene los siguientes parámetros, este es un diodo bidireccional, así que la supresión del voltaje lo podría hacer en ambos sentidos.

Apliando una señal senoidal de 120Vpp

La curva de color rojo es el voltaje de entrada, mientras que la azul es el voltaje suprimido. En la siguiente figura se puede ver con mas detalle que el voltaje máximo que alcanza la señal es de 7.33V

Una pregunta interesante seria: ¿donde se esta disipando toda la potencia?, la respuesta es simple, en el diodo, por el diodo TVS está fluyendo una corriente de 2.25 A ya que practicante solo esta viendo la resistencia de 50 Ohm.

Aplicando una señal senoidal de 120Vpp y un pulso de 1000V

En este circuito se agrega un pulso de 1000 V R5 y R6 son usadas para sumar estas 2 señales.

Como se puede observar junto a la señal se entrada corresponde a un pico bastante elevado, pero aun así el diodo TVS lo limita a un máximo de 8.78 V, esto demuestra la efectividad de este tipo de diodos.⁴

Para pruebas reales de la efectividad de la protección con TVS se usa un instrumento llamado ESD Gun

Encapsulado de diodos TVS

Los diodos TVS vienen en una gran variedad de encapsulados, SMD y THD. MCC los clasica en 4 grupos.

Referencias

Footnotes

1. onsemi, Interpretation of Datasheet Parameters for ESD Devices, AND8308/D, https://www.onsemi.com/pub/collateral/and8308-d.pdf ↩
2. Understanding TVS Diodes, https://solutions.mccsemi.com/understanding-tvs-diodes-a-comprehensive-guide ↩
3. How to select a Surge Diode (2019), https://www.ti.com/lit/an/slvae37/slvae37.pdf ↩
4. Simulación de TVS en spice,https://www.onsemi.com/download/application-notes/pdf/and8254-d.pdf ↩