Conheça o TVS (Transient Voltage Suppressor) (ART253)

Escrito por Newton C Braga

A utilização de dispositivos sensíveis em equipamentos eletrônicos exige cuidados especiais na proteção contra transientes e surtos que podem chegar pela linha de alimentação. Um dispositivo de importância vital para a proteção de circuitos contra transientes é o TVS ou Transient Voltage Suppressor (Supressor de Tensões Transientes). Neste artigo explicamos o que vem à ser este componente, sua utilização e como analisar suas especificações técnicas.

 

  Uma maneira simples de evitar que transientes (pulsos de alta tensão e curta duração) vindos pela rede de energia cheguem aos circuitos alimentados, é cortá-los com a ajuda de algum dispositivo que entre em condução sob certa tensão.

  Embora os diodos zener comuns possam ser usados em alguns casos, eles não são os dispositivos apropriados para esta finalidade, tanto pela sua velocidade de reposta como pela quantidade de energia que podem manusear.

  Para cumprir esta função, entretanto, podem ser utilizados diodos zener com características especiais, com a capacidade de trabalhar energias muito mais elevadas e com velocidade de resposta muito maior.

  Estes componentes, destinados especificamente à proteção de equipamentos alimentados pela rede de energia de corrente alternada, são denominados TVS ou Transient Voltage Suppressors e possuem curva característica e símbolos mostrados na figura 1.

 

O TVS – Curva característica e símbolos.
O TVS – Curva característica e símbolos.

 

  Os TVS comuns devem ser capazes de dissipar a energia que aparece num pulso de alta tensão ou num trem desses pulsos (surto), o que exige que eles sejam montados em invólucros especiais. Como os pulsos são de curta duração, as energias devem ser convertidas em calor em um espaço de tempo muito pequeno, e dissipadas rapidamente para que a temperatura não se eleve a um nível que possa causar a destruição do componente.

  Um TVS comum deve ser capaz de dissipar potências na faixa de 400 a 5000 W, que correspondem a níveis de energia de 0,55 a 2,1 joules, num intervalo de tempo típico de 1 milissegundos mais que a duração maior prevista para os pulsos de transientes que normalmente aparecem nas aplicações práticas.

  As tensões de trabalho ou "de avalanche" estão na faixa de alguns volts até algumas centenas de volts.

 

  Especificações:

  Na utilização de um TVS as especificações devem ser levadas em conta e, neste caso, são bastante semelhantes às dos diodos zener.

 

  Temos então as seguintes especificações principais:

  Breakdown Voltage ou Tensão de Ruptura (Vbr) - É a tensão em que o dispositivo entra na condição de avalanche, ou seja, torna-se condutor. Para o TVS comum esta tensão é especificada para uma corrente de 1 mA. Eventualmente pode aparecer com valores mínimos e máximos.

 

   Working stand-off reverse voltage - (Vbr) - Trata-se da tensão inversa de trabalho. Se bem que também seja especificada por Vbr, ela tem uma pequena diferença em relação à anterior. Trata-se da tensão em que o dispositivo começa a conduzir e uma corrente de fuga pode ser medida. Esta tensão é normalmente 10% menor que a tensão de ruptura inversa, indicada no item anterior. Esta corrente de fuga pode variar chegando a valores de até 1 mA, caso em que esta especificação se iguala à anterior. As correntes de fuga típicas destes dispositivos são da ordem de 5 microampères.

 

   Maximum peak pulse surge current (Ippm) -  É a corrente máxima de surto que o dispositivo pode suportar sem que ocorram danos. Este parâmetro é indicado normalmente para um pulso de determinada forma de onda e de duração da ordem de 1 milissegundo.

 

  Maximum Clamping Voltage (Vc) - É a tensão máxima que aparece sobre o dispositivo quando ele está conduzindo a corrente máxima de surto.

 

  Maximum Breakdown-voltage Temperature Coefficient - Esta especificação é dada em porcentagem de Vbr por grau Celsius de temperatura. Com ela mede-se a variação das especificações da tensão de ruptura em função das variações de temperatura.

 

APLICAÇÕES

   Damos a seguir alguns circuitos de aplicação dos TVS na proteção de diversos tipos de dispositivos.

 

1 - Proteção de computadores

  Na figura 2 damos uma aplicação típica dos TVS em um circuito sensível que contém CPUs, memórias e dispositivos de entrada e saída de sinais (portas) por onde podem entrar transientes perigosos.

Proteção de computadores.
Proteção de computadores.

 

 

  Este circuito, em especial, protege os computadores e outros aplicativos em que dispositivos da mesma família sejam usados contra descargas eletrostáticas que possam lhe causar danos. A proteção também funciona nas operação de ligar e desligar o aparelho, quando transientes e surtos podem ser gerados.

  Usando TVS típicos é possível proteger o circuito contra descargas de até 10.000 volts, que desenvolvam correntes de até 60 ampères em 10 microssegundos.

  Os supressores nas linhas de alimentação permitem manter o funcionamento do circuito mesmo quando os transientes vem pela linha de alimentação.

 

2 - Proteção de UARTs

  Na figura 3 temos o modo de empregar supressores na proteção de modems onde os transientes que podem aparecer nas linhas de comunicações são uma ameaça para a integridade do circuito.

 

 

Proteção de µARTs
Proteção de µARTs

 

  O que acontece nestes casos é que a alta imunidade dos circuitos usados na comunicação serial limita também sua capacidade de dissipação de energia. Isso significa que a sua proteção é parcial e que transientes elevados causam a destruição dos componentes, já que os diodos usados na função de proteção não conseguem fazer sua dissipação. Com a utilização de TVS, conforme mostra este circuito, temos um aumento considerável na capacidade de absorção de energia. Tipos de baixa capacitância, que não afetem a transmissão/recepção dos dados devem ser preferidos nesta aplicação.

 

3 - Proteção de memórias

   Na figura 4 temos o modo de usar os TVS na proteção de linhas de dados de memória, evitando que dispositivos MOS sejam afetados por oriundos da fonte de alimentação.

 

Proteção de memórias.
Proteção de memórias.

 

 

Isso permite que tais circuitos sejam alimentados por uma mesma fonte que sirva também para alimentar os circuitos TTL.

 

4 - Proteção para circuitos Totem-Pole

Os circuitos lógicos com saída totem-pole, de acordo com a figura 5, tendem a gerar picos de transientes que podem ser prejudiciais ao funcionamento de um equipamento.

 

Proteção de circuitos Totem-pole.
Proteção de circuitos Totem-pole.

 

 

  Conforme mostra a mesma figura, o uso de supressores de transientes TVS pode absorver os picos de transientes evitando que eles se propaguem pelo circuito. Os diodos existentes nos circuitos integrados para suprimir estes pulsos têm normalmente correntes limitadas, não fornecendo portanto o mesmo nível de proteção que os TVS.

 

5 - Fontes de alimentação

   Na figura 6 mostramos a utilização de TVS em proteção de fontes de alimentação, evitando a entrada de transientes antes mesmo da retificação.

 

Proteção de fonte.
Proteção de fonte.

 

 

  Na figura 7 ilustramos como o TVS pode ser usado para proteger os diodos de uma fonte de alimentação contra a tensão de ruptura inversa, evitando a queima do componente em caso de transientes elevados. O TVS se torna condutor antes que a ruptura inversa seja alcançada com um transiente, absorvendo sua energia.

 

 

 

Proteção contra ruptura inversa.
Proteção contra ruptura inversa.

 

 

   Uma outra forma de empregar o TVS numa ponte de diodos, onde apenas um é necessário para proteger os 4 diodos é mostrada na figura 8.

 

Proteção de fonte com um TVS.
Proteção de fonte com um TVS.

 

 

   E, a proteção na entrada do circuito, na própria linha de alimentação, também pode ser feita com a ligação do TVS em paralelo com o cabo de energia, veja a figura 9.

 

 

Proteção direta na linha de alimentação.
Proteção direta na linha de alimentação.

 

 

6 - Cargas Indutivas

   O TVS pode ser usado ainda para absorver os pulsos de transientes gerados na comutação de cargas indutivas, tais como solenóides, motores e relés.

   Na figura 10 temos o modo de fazer a conexão do TVS em paralelo com a carga indutiva, com função semelhante à executada por diodos comuns, mas com as vantagens que já foram analisadas.

 

Proteção em circuitos com cargas indutivas.
Proteção em circuitos com cargas indutivas.

 

                                       

   Observe que podemos usar tanto os tipos "bipolares" como os tipos simples, dependendo do transiente que é gerado e que deve ser absorvido.

 

 

QUEM FÁBRICA TVS

 Um grande fabricante de TVS é a General Semiconductor ( http://www.gensemi.com ).

  A linha de TVS da General Semiconductor inclui tipos que podem ser encontrado em encapsulamentos DO-204AC, P600 e SMD, em uma enorme faixa de energias e tensões.

   As tensões podem variar entre 5 V e mais de 400 V.

   Como exemplos de aplicação podemos citar os tipos SMAJ5.0 até SMAJ170CA para tensões de 5 a 170 V, que podem absorver pulsos de até 300 W e que são indicados para aplicações na proteção de redes LAN, linhas de dados, etc.