Nuevo enfoque robusto para la protección contra la sobretensión de las entradas de señales electrónicas sensibles

Las elevadas exigencias de robustez de los sistemas electrónicos, especialmente en entornos industriales, plantean continuamente grandes retos a los desarrolladores. La protección contra las sobretensiones es una de las principales consideraciones y dificultades de diseño, ya que normalmente se necesitan componentes adicionales para proteger los sistemas contra las sobretensiones, aunque a menudo tienen un impacto y, en el peor de los casos, pueden incluso distorsionar las señales. Además, estos componentes suponen costes adicionales y contribuyen a las limitaciones de espacio. Por eso, al diseñar el circuito de protección, las soluciones tradicionales suelen exigir un compromiso entre la precisión del sistema y el nivel de protección.

Normalmente, un método de diseño común y sencillo utiliza diodos de protección externos, normalmente diodos de supresión de tensión transitoria (TVS), fijados entre la línea de señal y la fuente de alimentación o la tierra. Los diodos TVS son ventajosos porque pueden reaccionar instantáneamente a los picos de tensión temporales. Este tipo de protección externa contra sobretensiones se muestra en la parte izquierda de la figura 1.

Figura 1: Diseño tradicional de protección contra sobretensiones con componentes discretos adicionales.

Si se produce un impulso de tensión transitoria positiva, se sujeta con una corriente a través del diodo D1 a VDD. Así, la tensión se limita a VDD más la tensión de paso del diodo. Si el impulso es negativo y está por debajo de VSS, se aplica lo mismo, excepto que se sujeta a VSS a través de D2. Sin embargo, si la corriente de fuga causada por la sobretensión no está limitada, puede dañar los diodos. Por esta razón, también hay una resistencia limitadora de corriente en el recorrido. Para condiciones ambientales muy duras, se suele utilizar un diodo TVS bidireccional en el lado de entrada para una protección adicional.

Los inconvenientes derivados de este tipo de circuito de protección aparecen, por ejemplo, en forma de aumento de los tiempos de subida y bajada de los bordes y de efectos capacitivos. Además, no proporciona ninguna protección cuando el circuito está en estado desenergizado.

Los componentes reales, como los convertidores analógico-digitales (ADC), los amplificadores operacionales, etc., suelen tener protección incorporada. Puede consistir en una arquitectura de conmutación, como se muestra en la parte derecha de la Figura 1. La figura 1 también muestra que los diodos de protección del lado de entrada y de salida están presentes en ambos carriles de alimentación. El inconveniente de esta configuración es que, cuando las señales flotantes aparecen en estado desenergizado (el CI no está alimentado), el interruptor puede actuar como si estuviera activo (aunque esté en OFF) porque la corriente fluye a través de los diodos y de los carriles de alimentación. Esto permite que fluya la corriente, haciendo que la línea de señal pierda su protección.

Arquitectura de conmutación protegida contra fallos

Una solución a los retos anteriores es una arquitectura de conmutación protegida contra fallos, complementada con una célula ESD bidireccional, como se ve en la Figura 2. En lugar de diodos TVS en el lado de entrada, la célula ESD bloquea ahora los transitorios de tensión comparando constantemente la tensión de entrada con VDD o VSS. En caso de sobretensión permanente, el interruptor de bajada se abre automáticamente. La tensión de entrada ya no está limitada por los diodos de protección bloqueados en los carriles de alimentación. El factor limitante es ahora la tensión nominal máxima del interruptor. Otras ventajas son una mayor solidez y fiabilidad del sistema. Además, no hay prácticamente ningún efecto sobre las señales reales y su precisión. Además, la resistencia limitadora de corriente adicional no es necesaria porque las corrientes de fuga son muy bajas cuando el interruptor está abierto.

Figura 2. Protección contra sobretensiones con célula ESD bidireccional integrada.

Este tipo de estructura de entrada es típica del interruptor cuádruple SPST (un solo polo, un solo tiro) de Analog Devices Inc. (ADI). Este interruptor permite una sobretensión permanente de hasta ±55 V, independiente de cualquier suministro de tensión existente. La célula ESD integrada en cada uno de los cuatro canales bloquea los transitorios de tensión de hasta 5,5 kV. En caso de sobretensión, sólo se abre el canal afectado y los demás canales siguen funcionando normalmente.

Conclusión

Con este tipo de interruptor de protección contra sobretensiones, los circuitos eléctricos pueden simplificarse mucho. Las ventajas con respecto a la solución discreta convencional son múltiples, tanto en lo que se refiere a garantizar un rendimiento óptimo de la conmutación y la robustez en una cadena de señales precisa, como en lo que se refiere a la optimización espacial. Por lo tanto, la protección contra sobretensiones que ofrece el ADG5412F es especialmente adecuada para aplicaciones de medición de alta precisión en entornos difíciles.

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