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¿Semiconductores híbridos, diodos TVS o MOVs?

¿Tienen los semiconductores híbridos la capacidad de reemplazar a los varistores en tareas de protección contra transitorios de alto voltaje?

ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas

Los transitorios de alto voltaje, comúnmente conformados por descargas electrostáticas (ESD), corto circuitos a nivel de placa, configuración inadecuada del cableado, y picos de corriente, entre otros, son enemigos de todo sistema electrónico moderno y durante el diseño de un proyecto el equipo de ingeniería debe prevenirse implementando los mejores componentes para su topología eléctrica.

 

En este artículo analizaremos dos elementos que resultan ampliamente utilizados para tareas de protección contra transitorios de alto voltaje los Varistores de Metal Óxido (MOVs) y los diodos TVS, que entran dentro del campo de los semiconductores híbridos, y mismos que han estado ganando terreno.

Comenzaremos con los MOVs (Varistores de Metal Óxido) componentes de protección que absorben energía cuando alcanzan voltajes determinados y su principal función es disipar la energía recolectada en forma de calor.

Los diodos TVS utilizan tecnología de semiconductores y muestran un mejor rendimiento eléctrico en comparación con los MOVs en términos de velocidad de conmutación, menor sujeción y fiabilidad, además de buen margen de degradación. La principal limitación es la absorción de energía, ya que la capacidad de los TVS es en función del tamaño del nodo y las características del encapsulado no son tan buenas para extraer el calor de forma eficiente, en comparación con la construcción en capas de los MOVs, que pueden absorber mayor energía.

Comparación entre diodos TVS y MOVs.

 

En la actualidad, cualquier aplicación industrial con componentes electrónicos es un objetivo vulnerable ante cualquier amenaza eterna de carácter eléctrico, pues en este campo físico siempre prevalece la inestabilidad, algo que sin lugar a dudas puede repercutir enormemente en el funcionamiento de los sistemas.

Emplear componentes de protección es un imperativo observable en cualquier esquemático de proyecto, pero a medida que avanzan los estudios en este segmento, las opciones de integración se vuelven más amplias, y en algunos casos básicos como es el uso de componentes pasivos como capacitores e inductores como solución contra eventos de ESD.

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En casos como los transitorios rápidos (EFT) suelen utilizarse los núcleos de ferrita o también conocidos como cuentas de ferrita, que también son efectivos en el filtrado o la reducción de ruido electromagnéticos.

Comparación entre TVS y MOVs sobre una línea de 250 V debajo de pulsos de 1 kV.

 

Para analizar la mejor solución entre diodos TVS y MOVs, se han hecho diversos estudios por ingenieros de desarrollo de compañías dedicadas a la fabricación de componentes de protección y circuitos pasivos, como la firma ProTek Devices, donde colaboran Ian Doyle y Alfredo Ochoa, dos expertos que compartieron los resultados de un trabajo para definir que tecnología resulta más efectiva para tareas de protección de transitorios de alto voltaje en sistemas electrónicos.

De acuerdo al informe de los expertos, las diferencias eléctricas dinámicas entre un varistor MOV y un diodo TVS se aprecian en la siguiente imagen donde se registra una curva de sobretensión V-I. En este punto el varistor exhibe una mayor excursión de voltaje a la misma corriente en comparación con el diodo TVS, sin embargo, el uso de diodos TVS reduce cualquier tensión o umbral de tensión que se aplique a los circuitos posteriores debido al menor rendimiento de tensión por sujeción.

Varistor MOV dañado. (Fuente: ProTek Devices).

 

Los especialistas también ejecutaron una prueba con tensiones mayores para observar el rendimiento de ambas tecnologías sobre niveles de 250 V y 1 kV, encontrando que aunque el MOV suprime el transitorio, el voltaje máximo de sujeción que pasa es muy alto, 790 V, en comparación con el de sujeción del diodo TVS que llega a unos 517 V.

“Dado que la corriente alterna es el principal punto de conectividad de energía para la mayoría de las aplicaciones de circuitos electrónicos, se requiere un dispositivo de protección que pueda limitar el daño a los componentes sensibles”, mencionan los especialistas en documento, ya agregaron: “La adición de un dispositivo de protección contra sobretensiones como un MOV a través de los terminales de AC se utiliza comúnmente como una solución económica y eficaz para eliminar este tipo de transitorios de sobretensión. Aunque los MOV tienen una gran capacidad de absorción de energía, están sujetos a un mecanismo de desgaste y a fallos ocasionales que generan daños”.

Otra alternativa a los MOVs de acuerdo al estudio de los ingenieros, es el uso de semiconductores híbridos que combinan un dispositivo semiconductor TVS y un tiristor, de modo que se puede lograr un rendimiento completo reajustable y repetible de larga duración.

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