Debido a la impredecibilidad relativa de la tecnología actual, la protección de circuitos es absolutamente indispensable en diseños que tienen que ser fiables. Este artículo considerará la protección de circuitos como un todo y analizará de qué manera se pueden mitigar los diferentes tipos de daño.
Protección de circuitos: crucial para dispositivos y componentes
A la hora de diseñar circuitos, a menudo, nos gusta pensar que el mundo nos provee un entorno ideal, donde las fuentes de energía no producen ruido, los capacitores no tienen resistencia y los niveles lógicos suben y bajan de forma instantánea. Sin embargo, el mundo real dista mucho de ser ideal. Las fuentes de energía pueden ser muy ruidosas (en particular, los convertidores de CC/CC), los capacitores, a menudo, tienen resistencia en serie equivalente y los niveles lógicos, por lo general, vienen con todo tipo de problemas de sincronización.
Incluso si consideramos estas influencias del mundo real en los componentes y los dispositivos, hay un área que muchos diseñadores, por lo general, olvidan abordar: la protección de circuitos. Un circuito construido en una placa de pruebas o en una placa de circuito impreso (PCB) de prototipo puede funcionar bien en condiciones de laboratorio, pero el mundo real no siempre ofrece las condiciones ideales; cualquier persona que haya lidiado con componentes sensibles a la estática sabe a dónde va esto. Los picos de tensión provenientes de sobretensiones pueden dañar reguladores, mientras que los choques estáticos pueden matar un microcontrolador sin ningún aviso. Dado que los diseñadores nunca pueden estar demasiado seguros de lo qué les puede ocurrir a sus circuitos, proteger los circuitos de tantas fuentes distintas de daño como sea posible es una práctica recomendada.
Fuentes comunes de daño a circuitos
Aunque existen muchas fuentes de daño potencial, las principales incluyen la descarga electrostática, el retorno de inductor y las sobretensiones de la red eléctrica.
La descarga electrostática es una descarga estática. Por mucho, es uno de los motivos principales por los cuales los dispositivos con semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) dejan de funcionar. Las descargas estáticas provienen de diferentes fuentes, pero una de las más comunes es el ser humano. Los seres humanos tienen el hábito de cubrir sus cuerpos con materiales y colocar goma en las suelas de los pies. El resultado es que, a medida que se mueven, el material y la goma se pueden frotar contra la piel y otras superficies; esto crea carga estática. Cuando una persona con carga estática toca un circuito electrónico, existe un riesgo considerable de que la carga se transfiera de la persona al circuito, lo que hace que el circuito quede sujeto a muchos miles de voltios. Aunque la cantidad de energía que se transfiere al circuito es muy pequeña, la alta tensión puede fácilmente provocar una ruptura dieléctrica de tecnología basada en semiconductores de óxido metálico (MOS), como transistores, reguladores, microcontroladores, etc. Otras tecnologías basadas en barreras y uniones, como transistores de unión bipolar (BJT) y transistores de efecto de campo (FET), se ven menos afectadas por el choque estático, pero aún existe riesgo de que resulten dañadas.
El retorno del inductor es un fenómeno que ocurre cuando una corriente que atraviesa un elemento inductivo (como una bobina o bobina de choque) cambia de repente. Cuando esto sucede, la energía almacenada en el campo magnético debe liberarse. El colapso del campo magnético causa la inducción de tensión (pero en la polaridad opuesta, es decir, de la fuente de tensión al inductor). Esta tensión inducida se denomina “fuerza electromotriz (EMF) de retorno” y es muy peligrosa para circuitos sensibles, como aquellos hechos de silicona. La EMF de retorno de inductores pequeños puede ser, incluso, de cientos de voltios. Las fuentes comunes de EMF de retorno incluyen bobinas de choque, motores y transformadores.
Las sobretensiones de la red eléctrica, o del suministro de energía, se originan de varias fuentes, incluidos la falla de estación de energía, la falla de subestación y los rayos. Una sobretensión de la red eléctrica es cuando un pico grande de tensión se inyecta en la red eléctrica. Este pico repentino puede afectar a casi cualquier dispositivo conectado a la red. Un ejemplo clásico de picos de tensión que afectan a la red son los cortes de energía durante una tormenta eléctrica. Es posible que un rayo caiga sobre una torre de alta tensión, lo que provocará una sobretensión en toda la red. Las subestaciones pueden resultar dañadas por la sobretensión, tras lo cual la energía que suministra se corta, o pueden detectar la sobretensión y, luego, de forma intencional, cortar la energía para evitar daños a los consumidores en la línea. Las sobretensiones también pueden presentarse después de la reconexión de energía, donde un área que está sin energía, de repente, se vuelve a conectar a la red.
Métodos de protección de circuitos
Podemos observar que hay diversas fuentes potenciales de daño, pero ¿cómo podemos proteger nuestros circuitos de dichos daños?
Diodos Zener/resistores limitadores de serie
Los diodos Zener son uno de los dispositivos de protección de circuitos más usados gracias a su capacidad de sujeción de tensión. Si se usan en modo de polarización directa, los diodos sujetarán las tensiones a alrededor de 0.6 V como cualquier otro diodo de silicona; no obstante, a diferencia de los diodos de silicona, cuando se usan en modo de polarización inversa, sujetarán una tensión a un valor específico.
Por ejemplo, un diodo Zener 5V1 sujetará tensiones en modo de polarización reversa a 5.1 V, de forma que si la tensión del diodo supera los 5.1 V, la tensión no puede aumentar. Estos diodos, a menudo, se usan en conjunto con un resistor limitador de serie, de forma que la corriente que pasa a través del Zener no puede superar su límite. El resistor limitador de serie también puede proteger el circuito de picos de corriente. Sin embargo, se debe observar que los resistores limitadores de serie pueden afectar el rendimiento de velocidad de un circuito y tienen mayor aplicación en entradas de impedancia altas.
Bobina de choque: inductor
Una bobina de choque es un par especial de inductores que puede resistir cambios repentinos de corriente. Por ejemplo, un pico de tensión de la red eléctrica puede alcanzar la entrada de energía de un circuito sensible. Si se coloca una bobina de choque en serie con la entrada de energía, el pico de tensión (que también provocará un pico de corriente, I, es proporcional a la tensión, V), se reducirá y el resto del circuito estará menos expuesto a la sobretensión.
Capacitores de desacoplamiento
Los picos de tensión y corriente no son los únicos peligros que enfrentan los circuitos. Otra fuente de daño potencial es la caída de tensión, que se refiere a una falla repentina del suministro eléctrico que puede durar varios cientos de milisegundos. Aunque no es un problema para dispositivos simples, como ventiladores y luces, puede ser muy perjudicial para dispositivos que dependen de la lógica digital, como computadoras, equipos portátiles y sistemas de seguridad.
Aunque las grandes caídas de tensión que duran más de medio segundo son difíciles de combatir (a menudo, requieren un suministro de energía de respaldo secundario), las caídas de tensión cortas provocadas por el encendido de los dispositivos (como un módulo de radio) se pueden resolver con el uso de capacitores de desacoplamiento. Un capacitor de desacoplamiento no es más que un capacitor de valor grande que permanece cargado bajo funcionamiento normal, pero puede bombear energía de vuelta al circuito durante caídas de tensión para mantener la tensión de suministro. Dichos capacitores, con frecuencia, se colocan antes de los circuitos de manejo de potencia como reguladores lineales para microcontroladores. Esto garantiza que la tensión al microcontrolador se pueda mantener de forma adecuada (recuerde que muchos reguladores pueden aceptar un amplio rango de tensión de entrada, pero muchos microcontroladores no pueden manejar grandes desviaciones de tensión). Otros usos para los capacitores de desacoplamiento incluyen la protección de circuitos de ruido inyectado en el suministro de energía por otros dispositivos de conmutación, incluidos los convertidores CC/CC, los procesadores, los sensores, los módulos de radio y los circuitos digitales de alta velocidad. La regla de oro en estos casos es dar a cada pin de potencia de un microcontrolador su propio capacitor de desacoplamiento dedicado que se ubique en el suministro de energía de los microcontroladores.
Fusible
Muchas técnicas de protección de circuitos, a menudo, se encargan de los efectos externos, pero, a veces, los circuitos necesitan protección de sí mismos. Un ejemplo clásico de autoprotección es la protección de cortocircuitos con el uso de un fusible. Aunque no todos los circuitos sufren este problema, algunos diseños pueden incorporar circuitos con el potencial de consumir grandes cantidades de corriente durante condiciones de falla.
Por ejemplo, un amplificador en contrafase puede tener la capacidad de conectarse a dispositivos externos, pero también puede depender de ese dispositivo con una mínima cantidad de impedancia. En esta situación, la contrafase es vulnerable a reducirse. Y, aunque el amplificador pueda manejar la corriente, es posible que otros componentes no puedan hacerlo. En esta situación, los fusibles se pueden usar en serie con suministros de energía, entradas y salidas a fin de garantizar que el circuito no pueda consumir cantidades peligrosas de corriente. Existen muchos tipos de fusibles: los fusibles de alambre son útiles para dispositivos con alimentación por red eléctrica, mientras que los fusibles reprogramables pequeños son más adecuados para circuitos digitales, como Arduinos.
Diodos de protección
Los diodos de protección son críticos en aquellos diseños donde puede ocurrir retorno del inductor en componentes como bobinas y motores. Aunque los motores y bobinas no corren riesgo de daño, el problema surge cuando estos componentes inyectan su EMF de retorno en un circuito sensible, como microcontroladores, transistores y sensores. La extracción de la EMF de retorno es una tarea muy sencilla y solo requiere la colocación de un diodo único en paralelo con el dispositivo que se espera que produzca la EMF de retorno. Es importante destacar que esto solo funciona para configuraciones de CC, dado que el diodo se coloca en paralelo con el elemento inductivo, pero en polarización inversa con el suministro de tensión de los elementos inductivos. Cuando se corta el suministro hacia el elemento inductivo, la EMF de retorno atraviesa el diodo y se mantiene alejada de otros componentes del circuito.
Productos para la protección de circuitos
Aunque se pueden usar componentes discretos para la protección de circuitos, también hay componentes específicos en el mercado que incorporan circuitos dedicados a esa tarea. Revisemos algunos ejemplos de componentes que se pueden usar para la protección de circuitos.
Paquetes de matriz de diodos
Los paquetes de matriz de diodos incorporan múltiples diodos en un paquete único que se puede usar para una amplia variedad de propósitos. Uno de los usos más populares es la protección de los pines de conectores USB (D+ y D‑, por ejemplo) de la descarga electrostática externa. Ejemplos de paquetes de matriz de diodos incluyen NZQA5V6AXV5 de onsemi, que incorpora cuatro diodos Zener con una conexión común, y TPD3E001 de Texas Instruments, que incorpora siete diodos y se usa específicamente para proteger puertos USB y proporcionar canales de capacitancia baja.
Diodos supresores de tensión transitoria
Estos tipos de diodos están pensados, en particular, para cambios grandes de tensión y son útiles para proteger conexiones de circuitos individuales, así como para usarse como protección de EMF de retorno. Un ejemplo de diodo supresor sería el SMAJ33A‑13‑F de Diodes Incorporated, que es capaz de disipar 400 W de potencia pico, tiene un tiempo de respuesta rápido y puede conducir hasta 40 A de corriente pico. Otro ejemplo de diodo supresor sería el 5KP100A‑E3/54 de Vishay, que es capaz de una disipación de potencia por impulsos pico de 5000 W, por lo que protege un circuito el tiempo suficiente para que el fusible o disyuntor principal pueda desconectar la energía.
Fusibles reprogramables
Los fusibles reprogramables son componentes que pueden evitar el daño a circuitos en condiciones de cortocircuito. Sin embargo, a diferencia de los fusibles típicos que, una vez fundidos, requieren reemplazo, los fusibles reprogramables no. Por lo general, estos dispositivos son del tipo coeficiente de temperatura positiva (PTC). Los fusibles reprogramables dependen de sus aumentos de temperatura dado que la corriente en ellos aumenta. El aumento de temperatura incrementa la resistencia en un efecto de fuga que, a su vez, reduce la corriente que puede fluir.
Un ejemplo de fusible PTC comercial es el Littelfuse, RF4573‑000. Este fusible SMD de grado automotriz está disponible en un amplio rango de valores nominales de la tensión y la corriente. Otro ejemplo de fusible PTC es el 0ZRE0075FF1A de Bel. Con frecuencia, este es un dispositivo de agujeros pasantes pensado para dispositivos más potentes, como suministros de energía.
Conclusión
A pesar de que existen varios mecanismos de daño eléctrico que podrían afectar un circuito, incorporar los componentes de protección de circuitos y soluciones correctos ayudará a mejorar la fiabilidad. Por tanto, mejorará el rendimiento general de los dispositivos electrónicos que diseña.
