Diodo supressor

Como o diodo supressor grampeia o transiente

O TVS é montado em paralelo com o circuito a proteger. Abaixo da tensão de ruptura ele se comporta como um circuito aberto de altíssima impedância, com fuga na casa de microampères. Quando um transiente eleva a tensão, a junção entra em avalanche e a impedância cai bruscamente, criando um caminho de baixa resistência que absorve a corrente de surto e mantém a tensão nos terminais em um patamar previsível, a tensão de grampeamento. Terminado o pulso, o diodo volta ao estado de bloqueio sem intervenção. A energia dissipada é o produto da tensão de grampeamento pela corrente de surto ao longo da duração do pulso, o que explica por que a potência de pico só faz sentido quando associada a uma forma de onda: um mesmo diodo declarado como 1.500 W em 10/1000 µs suporta corrente muito maior em um pulso curto de 8/20 µs.

• Estado de repouso: alta impedância e corrente de fuga de microampères em VRWM.
• Disparo: entrada em avalanche em menos de 1 ns, antes que o pico atinja o semicondutor protegido.
• Condução: desvio da corrente de surto com tensão limitada ao valor VC do datasheet.
• Recuperação: retorno automático ao bloqueio, sem substituição, desde que a energia não exceda o limite.

TVS, varistor, centelhador ou tiristor supressor: o que escolher em cada estágio

A escolha não é excludente — em equipamentos expostos a linha externa a prática consagrada é a proteção híbrida em cascata: um elemento de alta energia na frente, uma impedância de desacoplamento em série e o TVS como estágio fino junto ao componente sensível. O varistor absorve muita energia mas tem tempo de resposta na casa de dezenas de nanossegundos, degrada a cada surto e apresenta tensão residual alta; o centelhador a gás tem fuga desprezível e capacitância mínima, porém demora a disparar e tem tensão de arco elevada; o TVS é rápido e preciso, mas com capacidade de energia limitada. Na instalação, essa energia grossa já deveria ter sido cortada pelos DPS classe I e II do quadro de distribuição, especificados conforme a ABNT NBR IEC 61643-1:2007 — o TVS na placa lida apenas com o que passa.

Dimensionamento: VRWM, tensão de grampeamento, IPP e derating

A sequência prática de cálculo tem quatro passos. Primeiro, defina VRWM com folga de pelo menos 10% sobre a máxima tensão contínua do barramento, incluindo tolerância da fonte e ripple — em uma linha de 24 Vcc típica de campo, isso leva a um TVS de 26 V a 30 V, e não de 24 V. Segundo, confira a tensão de grampeamento na corrente de surto esperada: em séries padrão a relação VC/VRWM fica entre 1,3 e 1,6, de modo que um TVS de 30 V pode grampear em torno de 48 V, valor que precisa ser menor que o limite absoluto do CI protegido. Terceiro, escolha IPP pela energia da ameaça e pela impedância do caminho, sempre comparando datasheets na mesma forma de onda. Quarto, aplique o derating térmico: a potência de pico é declarada a 25 °C e cai de forma aproximadamente linear até zero na temperatura máxima de junção, o que dentro de um painel fechado a 60-70 °C pode significar metade da capacidade de catálogo — cuidado válido tanto em fontes de 24 Vcc que alimentam um quadro de automação quanto em eletrônica embarcada sujeita ao load dump descrito na ISO 7637-2:2011.

• VRWM ≥ 1,1 × tensão contínua máxima de operação, considerando ripple e tolerância.
• VC na corrente de surto real deve ficar abaixo do valor absoluto máximo do dispositivo protegido.
• Nunca compare 10/1000 µs com 8/20 µs: a mesma peça exibe números muito diferentes.
• Considere a corrente de fuga em VRWM quando o circuito for alimentado por bateria ou tiver alta impedância.
• Reserve área de cobre e trilhas curtas: indutância de trilha adiciona tensão que o TVS não consegue grampear.

Unidirecional, bidirecional e capacitância em linhas de dados

Em barramentos de corrente contínua, o TVS unidirecional é a escolha natural: ele grampeia na polaridade de trabalho e conduz como diodo comum na polaridade inversa, o que também protege contra inversão acidental de alimentação. Em sinais de corrente alternada ou em linhas que excursionam nos dois sentidos, como RS-485 e áudio, é obrigatório o bidirecional, sob pena de o supressor curto-circuitar o semiciclo negativo. A segunda decisão é a capacitância: um TVS de potência instalado em uma porta de dados atua como filtro passa-baixas e degrada a integridade do sinal. Para portas de comunicação usa-se array de baixa capacitância, com valores abaixo de 3 pF em linhas de dezenas de megabits e abaixo de 1 pF em interfaces de vários gigabits. Nesse contexto vale separar o nível de sistema, avaliado pela IEC 61000-4-2 com descargas de 8 kV por contato e 15 kV pelo ar, do nível de componente descrito pelo modelo de corpo humano da JEDEC JESD22-A114, e, em linhas externas de telecomunicação, aplicar os requisitos da IEC 61643-21.

• Alimentação CC de 12 V, 24 V ou 48 V: unidirecional, com proteção adicional contra polaridade invertida.
• RS-485, CAN, áudio e sinais CA: bidirecional obrigatório.
• USB 2.0 e Ethernet 10/100: array com capacitância abaixo de 3 pF por linha.
• Interfaces de vários gigabits: array com capacitância abaixo de 1 pF e roteamento com stub mínimo.
• Linha externa de telecom: combinação de GDT ou TSS na frente com TVS no estágio final.

Ensaios normativos que definem o nível de proteção

A especificação de um diodo supressor raramente nasce de um cálculo isolado; ela nasce do nível de imunidade que o equipamento precisa demonstrar. A IEC 61000-4-5 define o ensaio de surto com onda combinada e níveis crescentes de tensão em modo comum e diferencial, e é ela que estabelece a energia com que o conjunto de proteção terá de lidar. A IEC 61000-4-4 trata dos transitórios rápidos em rajada, típicos de manobra de contatores e relés, exigindo resposta rápida e baixa indutância de montagem. A IEC 61000-4-2 cobre a descarga eletrostática em portas acessíveis ao usuário. Cada uma dessas normas implica uma escolha diferente de componente: surto pede energia, rajada pede velocidade, ESD pede baixa capacitância e proximidade física do conector.

• IEC 61000-4-5: onda combinada 1,2/50 µs e 8/20 µs — define a energia do estágio de alta capacidade.
• IEC 61000-4-4: rajadas rápidas de manobra — exige laço de montagem curto e resposta em nanossegundos.
• IEC 61000-4-2: ESD em contato e ao ar — exige array próximo ao conector, não ao circuito.
• ISO 7637-2:2011: transitórios em veículos, incluindo load dump, que exige séries de alta energia.
• JEDEC JESD22-A114: robustez do próprio semicondutor, complementar e não substituta do ensaio de sistema.

Séries, encapsulamentos e o que move o preço na cotação

O preço unitário de um diodo supressor varia principalmente por potência de pico, encapsulamento, tolerância de VBR, capacitância e nível de qualificação. Peças SMD de 400 W a 600 W em séries de altíssimo volume ficam na faixa de centavos em fita e carretel, enquanto arrays de capacitância abaixo de 1 pF e supressores de dezenas de quilowatts podem custar dezenas de vezes mais por peça. Qualificação automotiva conforme AEC-Q101 encarece a mesma pastilha e alonga prazo por causa da rastreabilidade de lote. Volume é o fator mais elástico: compra em fita e carretel completo costuma sair muito abaixo de corte parcial, e para reposição de manutenção o custo do frete e do lote mínimo pesa mais que o componente. Prefira cotar por parâmetro elétrico e não apenas pelo código de série, porque o mesmo VRWM existe em vários encapsulamentos com preços distintos.

Modos de falha e coordenação com o dispositivo de proteção

Sobrecarregado, o TVS tende a falhar em curto-circuito — comportamento desejável do ponto de vista de proteção, porque mantém a tensão baixa, mas que transfere o problema para a fonte: o curto permanente drena corrente, aquece o encapsulamento e pode carbonizar a placa se não houver limitação a montante. Por isso é boa prática coordenar o TVS com um fusível elétrico em série no ramo protegido, dimensionado para não abrir com o pulso de surto e para abrir com a falha franca. Se a energia for muito alta, o componente pode abrir e desconectar-se, deixando o circuito desprotegido sem nenhum sinal visível — a falha silenciosa mais perigosa do nicho. Sobretensão contínua (não transitória) também mata o TVS rapidamente, porque a peça é dimensionada para ciclo de trabalho ínfimo, tipicamente pulsos isolados e não regime permanente.

• Falha em curto: sintoma é fonte em proteção, aquecimento localizado e queda de tensão no barramento.
• Falha em aberto: sem sintoma; só é detectada em inspeção ou depois do dano ao circuito.
• Sobretensão sustentada e TVS com VRWM baixo demais provocam aquecimento e degradação por fuga crescente.
• Escolha o fusível para suportar a energia do surto e interromper o curto permanente do supressor.
• Em manutenção, meça a fuga em VRWM: aumento significativo indica peça degradada mesmo sem curto.

Supressor em bobinas, saídas de CLP e painéis industriais: outra família com o mesmo nome

No chão de fábrica, o pedido de diodo supressor frequentemente não se refere ao TVS de placa, e sim ao supressor de transiente instalado diretamente nos terminais de bobinas de contator industrial, relés e válvulas solenoides, para eliminar o pico de tensão gerado pelo colapso do campo magnético no desligamento. Em bobina de corrente contínua a solução clássica é o diodo de roda livre em antiparalelo, que zera o pico mas aumenta o tempo de desenergização e o desgaste do contato; em corrente alternada usa-se circuito RC ou varistor. Essa supressão é o que preserva a vida dos contatos e evita rajadas conduzidas que perturbam eletrônica próxima, um requisito coberto pelos módulos supressores oferecidos conforme a ABNT NBR IEC 60947-5-1 para dispositivos de comando e manobra. Ao cotar, deixe claro se você precisa do componente discreto para placa ou do módulo plugável para bobina, porque são mercados e fornecedores diferentes.

• Bobina CC: diodo de roda livre, opcionalmente com zener em série para acelerar o desligamento.
• Bobina CA: circuito RC ou varistor dimensionado pela tensão de comando.
• Saídas a transistor de CLP: supressor junto à carga, não junto ao cartão, para conter o laço de corrente.
• Painéis com muitas manobras por hora: supressão em todas as bobinas reduz falha intermitente de comunicação.
• Informe tensão de comando, tipo de bobina e formato de montagem (plugável, terminal ou solda) na cotação.

O que só a Soluções Industriais entrega neste nicho

• Comparativo direto entre TVS, varistor, centelhador a gás e tiristor supressor com tempo de resposta, capacitância e faixa de corrente.
• Regra prática de VRWM ≥ 1,1 vez a tensão contínua de trabalho e verificação da tensão de grampeamento contra o limite absoluto do componente protegido.
• Alerta sobre comparação de datasheets em formas de onda diferentes (10/1000 µs versus 8/20 µs), que altera o número de potência em até uma ordem de grandeza.
• Faixa de capacitância aceitável por protocolo de dados, do USB 2.0 às linhas seriais de alta velocidade.
• Derating térmico da potência de pico dentro de painel fechado, ignorado em cotações feitas só pelo valor de catálogo.
• Checklist de cotação com tensão de trabalho, forma de onda de surto, encapsulamento, corrente de fuga e exigência de AEC-Q101 ou RoHS.
• Distinção entre o TVS de placa e o supressor de bobina de contator, que o comprador industrial frequentemente pede com o mesmo nome.

Perguntas frequentes

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