📘 Diodo Supressor de Tensão Transitória (TVS / Transil)
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1. Identificação Normativa e Símbolos
| Parâmetro Normativo | Série SMD (SMBJ / SMCJ) | Série Axial (1.5KE / 5.0KE) |
|---|---|---|
| Normas Internacionais de Ensaio | IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT), IEC 61000-4-5 (Surto), MIL-STD-750 | IEC 61000-4-5, JEDEC DO-201AE, UL 497B |
| Potência de Pico de Pulso () | (SMBJ) a (SMCJ) @ | (1.5KE) a (5.0KE) @ |
| Tensão de Trabalho Reversa () | contínuos (tensão de não disparo) | contínuos |
| Tensão de Ruptura Mínima () | Medida tipicamente a () | Medida tipicamente a |
| Tensão Máxima de Grampeamento () | Tensão suportada sob corrente de pico () | Tensão suportada sob corrente de pico |
| Tempo de Resposta Térmica () | teórico (unidirecional) / (bidirecional) | / |
| Capacitância Parasita de Junção () | Alta: (exige TVS especiais de baixa capacitância para linhas de dados rápidos) | Alta: |
graph LR subgraph "Simbologia TVS Conforme IEC 60617" direction TB subgraph "Unidirecional (DC)" A1["Ânodo"] --> D1["▷| (Zener duplo chanfrado)"] --> K1["Cátodo"] end subgraph "Bidirecional (AC / Dados Diferenciais)" T1["Terminal 1"] --> D2["|◁ ▷| (Dois Zeners em Oposição Série)"] --> T2["Terminal 2"] end end
2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte
Tabela de Chamada Anatômica do Corte
| N° | Elemento Construtivo | Material de Engenharia | Função Física e Justificativa de Projeto |
|---|---|---|---|
| ① | Die de Junção P-N de Área Gigante | Silício monocristalino ultra-plano dopado para avalanche uniforme | Ao contrário de um Zener comum (projetado para miliwatts contínuos), a pastilha do TVS possui área de 5 a 10 vezes maior, distribuindo a densidade de corrente de surto () homogeneamente para evitar fusão localizada por pontos quentes (hot spots). |
| ② | Passivação em Vidro de Alta Rigidez | Camada espessa de vidro borossilicato de alta pureza (Glass Passivated Pellet) | Isola e protege a periferia da junção PN contra correntes de arco superficial durante transitórios com . Garante corrente de fuga em regime permanente. |
| ③ | Substrato / Eletrodo Ôhmico Reforçado | Solda eutética Ouro-Silício () ou Prata-Estanho sobre base de cobre | Assegura resistência série parasita de contato quase nula (), minimizando a inclinação da curva de grampeamento sob centenas de ampères. |
| ④ | Dissipador Interno de Cobre Maciço | Cobre eletrolítico OFHC (Oxygen-Free High Conductivity) | Atua como armazenador térmico de calor latente. Durante os pulsos de ou , o calor não tem tempo mecânico de sair para a placa; o cobre interno absorve adiabaticamente a energia em Joules sem que o silício atinja a temperatura de fusão intrínseca (). |
| ⑤ | Terminais de Conexão Mecânica | Liga de cobre estanhado (gull-wing para SMBJ ou pinos grossos para 1.5KE) | Minimizam a indutância parasita série (), crucial para evitar sobretensões induzidas adicionais dadas por . |
| ⑥ | Massa Termoplástica Epóxi | Resina epóxi retardante de chama autoextinguível (UL 94 V-0) | Suporta a pressão interna causada pela rápida expansão térmica durante surtos de milhares de watts sem explodir a carcaça. |
3. Física e Princípios de Funcionamento
3.1 Mecanismo de Supressão: Avalanche Térmica Maciça
O TVS permanece em estado de corte de alta impedância enquanto a tensão entre seus terminais for inferior à tensão de trabalho contínua máxima ( — Reverse Working Maximum Voltage). Quando um transitório de sobretensão (induzido por chaveamento indutivo, descarga atmosférica ou ESD) excede a tensão de ruptura :
- O campo elétrico na zona de depleção ultrapassa a rigidez crítica do silício ().
- Inicia-se a ionização por impacto: portadores minoritários acelerados colidem com a rede cristalina, liberando novos pares elétron-lacuna em progressão geométrica exponencial (efeito avalanche).
- A impedância dinâmica do TVS colapsa para uma fração de ohm (), desviando com segurança toda a corrente de surto () para o terra e mantendo a tensão nos terminais do circuito protegido estritamente grampeada em .
flowchart LR Surto["Sobretensão Transitória (ESD / Surto)"] --> V_excede["Tensão ultrapassa V_BR"] V_excede --> Avalanche["Avalanche na Junção P-N Maciça"] Avalanche --> QuedaZ["Impedância r_dyn cai para < 0.2 Ω"] QuedaZ --> Desvio["Desvia I_pp para o Terra em picosegundos"] Desvio --> Grampeamento["Tensão na carga protegida fica limitada a V_C"]
3.2 Formas de Onda Padronizadas: e
A especificação de potência do TVS depende do tempo do pulso de ensaio normalizado:
- Pulso (IEC 61000-4-5 / Telecom / Raios indiretos):
- Tempo de subida da frente de onda: (de a do pico).
- Tempo de meia-vida da cauda: (decréscimo até do pico).
- É a referência para a potência de catálogo (ex: para SMBJ).
- Pulso (Surtos induzidos de alta corrente):
- Subida de , decaimento em .
- Devido à duração muito menor, a capacidade de corrente do TVS sob pulso é de 3 a 5 vezes maior que sob .
graph TD subgraph "Classificação de Transientes" ESD["ESD (Descarga Eletrostática)<br>IEC 61000-4-2<br>Subida: ~1 ns | Duração: 60 ns<br>Energia: baixa (~mJ) | Tensão: até 15 kV"] EFT["EFT (Burst de Chaveamento)<br>IEC 61000-4-4<br>Subida: 5 ns | Duração: 50 ns (trens de pulso)<br>Origem: contatores e relés"] Surge["Surto Induzido / Raios<br>IEC 61000-4-5<br>Forma: 8/20 µs ou 10/1000 µs<br>Energia: altíssima (~dezenas de Joules)"] end
3.3 Relação Fundamental de Grampeamento e Potência
A potência instantânea dissipada durante o pico do surto é dada por:
Onde:
- : Tensão de grampeamento (Clamping Voltage) no pico da corrente de surto.
- : Corrente de pico de pulso (Peak Pulse Current).
O fator de grampeamento (Clamping Factor) é a razão entre e a tensão de ruptura :
4. Esquema Prático de Aplicação: Proteção de Barramento Industrial 24V DC
O TVS deve ser instalado o mais próximo possível da entrada dos conectores de alimentação, com trilhas largas e conexões ultra-curtas de terra.
graph LR subgraph "Entrada Não Confiável (Ambiente Industrial)" V_IN["+24V DC Externo (Com ruídos/surtos)"] GND_EXT["GND Externo"] end subgraph "Célula de Proteção e Filtragem" Fusivel["Fusível Rearmável PPTC (1.5A)"] TVS["Diodo TVS SMBJ28CA (Bidirecional)"] Indutor["L1 (Ferrite 10µH)"] CapFiltragem["C1 (100nF Cerâmico)"] end subgraph "Carga Sensível Protegida" Regulador["Regulador DC-DC Buck (V_max_in = 45V)"] MCU["Microcontrolador + Sensores"] end V_IN --> Fusivel --> TVS --> Indutor --> Regulador --> MCU GND_EXT --> TVS GND_EXT --> CapFiltragem Indutor --> CapFiltragem --> Regulador
Princípio da Coordenação TVS + PPTC
- Durante um surto rápido transitório (), o TVS entra em condução em picosegundos e grampeia a tensão em um nível seguro (), absorvendo a energia sem acionar o fusível.
- Em caso de sobretensão contínua permanente (ex: ligação incorreta acidental em ou falha catastrófica da fonte), o TVS conduz continuamente. A corrente intensa resultante aquece e desarma o PPTC (fusível rearmável), cortando a linha antes que o TVS ultrapasse seu limite térmico permanente e queime em curto-circuito definitivo.
5. Dimensionamento Passo a Passo e Projeto Numérico Resolvido
5.1 Especificações do Projeto
- Linha a ser protegida: Barramento de alimentação industrial de sensores .
- Tolerância máxima da fonte de alimentação: .
- Tensão máxima absoluta suportada pelo conversor DC-DC a jusante (): .
- Nível de ensaio de surto: Conforme IEC 61000-4-5 Classe 2: pulso com corrente de surto estimada na entrada de .
- Temperatura de operação ambiente máxima: .
5.2 Passo 1: Seleção da Tensão de Trabalho Reversa ()
O TVS nunca deve entrar em condução durante a operação normal ou na faixa máxima de tolerância contínua da fonte. Portanto:
Consultando a tabela comercial da família SMBJ:
- Modelo SMBJ26A: ❌ (muito baixo, conduzirá com os de pico da fonte).
- Modelo SMBJ28A / SMBJ28CA: (limítrofe).
- Modelo SMBJ30A / SMBJ30CA: ✅ (fornece margem de segurança de acima de ).
Seleção Uni vs. Bidirecional
Em barramentos DC sujeitos a inversão acidental de polaridade ou ruídos oscilatórios alternados induzidos, adota-se a versão bidirecional (sufixo CA): SMBJ30CA.
5.3 Passo 2: Verificação da Tensão de Ruptura ()
Para o SMBJ30CA, os parâmetros de catálogo a são:
- @ .
- @ .
Como , garantimos que em regime permanente a corrente de fuga reversa será estritamente desprezível ().
5.4 Passo 3: Verificação da Tensão Máxima de Grampeamento ()
O circuito a jusante (conversor DC-DC) queima instantaneamente se a tensão atingir . No catálogo do SMBJ30CA:
- Para o pico de corrente nominal ():
⚠️ Atenção: A tensão máxima de catálogo () sob a corrente máxima do fabricante () excede o limite absoluto do CI protegido ()!
Vamos calcular a tensão de grampeamento real para a corrente do nosso projeto (): A resistência dinâmica diferencial da junção em condução por avalanche é:
Sob : O valor excede os seguros. O componente SMBJ () é marginal para esta rigidez!
Redimensionamento de Engenharia: Migração para a Série SMCJ ()
Selecionando o SMCJ28CA ():
- Corrente nominal suportada:
- Tensão de grampeamento em catálogo @ :
- Resistência dinâmica do chip maior:
Sob o nosso surto de projeto de :
Verificação de integridade:
5.5 Passo 4: Verificação da Potência Dissipada e Derating Térmico
A potência de pico absorvida pelo diodo SMCJ no surto de será:
Para , aplicamos a curva de derating térmico da norma JEDEC: A potência nominal do SMCJ é especificada a () e decai linearmente até a :
Potência máxima permitida a :
Comparação:
6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Layout PCB
6.1 Modos Típicos de Falha
- Curto-Circuito Definitivo (Fail-Safe Short Circuit):
- É o modo de falha padrão de semicondutores de proteção por avalanche. Se o TVS for submetido a um surto com energia superior à sua capacidade térmica adiabática, a junção funde e vira uma massa metálica de baixa resistência (curto-circuito entre pinos).
- Vantagem de projeto: O circuito a jusante permanece protegido contra queima catastrófica, sacrificando o TVS e acionando o fusível a montante.
- Abertura por Explosão da Carcaça (Open Circuit Burst):
- Ocorre se um surto de altíssima corrente e longa duração circular sem fusível a montante. O curto-circuito inicial do silício conduz corrente ilimitada até explodir o encapsulamento epóxi, deixando a linha subsequente totalmente desprotegida contra os próximos surtos.
6.2 Regras Mandatórias de Layout em Placa de Circuito Impresso (PCB)
A Indutância de Trilha Mata a Proteção do TVS!
Uma trilha fina de na placa possui indutância parasita de aproximadamente . Sob um evento de descarga eletrostática (ESD) de subida ultrarrápida ( em ): Essa tensão parasita soma-se diretamente à tensão de grampeamento do TVS, destruindo o circuito integrado mesmo com o melhor diodo do mundo instalado!
- Topologia “Straight-Through” (Sem derivações em T / Stub Traces):
- A linha de alimentação ou sinal deve passar obrigatoriamente por cima dos pads do TVS antes de seguir para o resto da placa. Nunca use pistas secundárias longas até o TVS.
- Retorno de Terra de Impedância Ultra-Baixa:
- O terminal de terra do TVS deve conectar-se ao plano de terra principal através de múltiplas vias em paralelo (no mínimo 2 a 4 vias de ) posicionadas diretamente ao lado dos terminais do componente.
- Isolamento de Linhas Sujas e Linhas Limpas:
- As trilhas anteriores ao TVS (“sujas”, com surto) não devem correr em paralelo ou próximas às trilhas posteriores (“limpas”), evitando acoplamento capacitivo parasita que faria a sobretensão saltar o estágio de proteção.