Curso de Electrónica Básica #2.17 – Componentes de Protección
Introducción
En cualquier circuito electrónico, además de diseñar correctamente la función que queremos realizar, es fundamental tener en cuenta la protección de los componentes y del propio sistema.
Un circuito puede funcionar perfectamente en condiciones normales y aun así sufrir daños debido a situaciones como una sobrecorriente, una sobretensión, un cortocircuito, una inversión de polaridad, una descarga electrostática o un transitorio producido por una carga inductiva.
Por esta razón existen diferentes componentes electrónicos de protección, diseñados para limitar, desviar, absorber o interrumpir condiciones eléctricas que podrían poner en riesgo un circuito.
Estos componentes están presentes tanto en circuitos sencillos como en equipos industriales, fuentes de alimentación, sistemas de control, computadores, automóviles, equipos de telecomunicaciones y prácticamente cualquier dispositivo electrónico.
En este capítulo del Curso de Electrónica Básica, conoceremos algunos de los componentes de protección más importantes, entre ellos los fusibles, varistores, diodos TVS, termistores, diodos para protección contra polaridad inversa y otros dispositivos utilizados para proteger los circuitos electrónicos.
¿Por qué son necesarios los componentes de protección?
Los componentes electrónicos tienen límites eléctricos que no deben superarse.
Por ejemplo, un circuito integrado puede estar diseñado para trabajar con una determinada tensión de alimentación. Si aparece una sobretensión, sus estructuras internas pueden resultar dañadas.
De la misma manera, un transistor puede soportar una determinada corriente máxima. Si una falla provoca que circule una corriente excesiva, el componente puede calentarse y terminar deteriorándose.
Entre las situaciones que pueden provocar daños encontramos:
- Sobrecorriente.
- Cortocircuitos.
- Sobretensiones.
- Picos de tensión.
- Inversión de polaridad.
- Descargas electrostáticas.
- Transitorios eléctricos.
- Sobretemperatura.
- Corrientes producidas por cargas inductivas.
La función de los componentes de protección es evitar que estas condiciones alcancen niveles peligrosos o, cuando esto no es posible, interrumpir el circuito para evitar daños mayores.
Clasificación de los componentes de protección
No todos los componentes de protección funcionan de la misma manera.
Podemos clasificarlos según el fenómeno contra el cual protegen.
Protección contra sobrecorriente
Se utilizan principalmente:
- Fusibles.
- Fusibles rearmables PTC.
- Interruptores y dispositivos de protección.
Protección contra sobretensión
Podemos utilizar:
- Diodos Zener.
- Diodos TVS.
- Varistores MOV.
- Tubos de descarga de gas en aplicaciones específicas.
Protección contra inversión de polaridad
Se utilizan:
- Diodos rectificadores.
- Diodos Schottky.
- MOSFET configurados para protección de polaridad.
Protección contra temperatura
Se pueden utilizar:
- Termistores.
- Sensores de temperatura.
- Interruptores térmicos.
Cada componente tiene una función diferente y, en muchos circuitos, es necesario utilizar varios de ellos al mismo tiempo.
El fusible
Uno de los componentes de protección más conocidos es el fusible.
Su función principal es proteger un circuito contra una corriente excesiva.
El principio de funcionamiento es bastante sencillo. El fusible contiene un elemento conductor diseñado para calentarse cuando circula una corriente superior a la permitida.
Si la corriente supera determinado valor durante el tiempo suficiente, el elemento se funde y abre el circuito.
De esta manera se interrumpe el flujo de corriente antes de que otros componentes sufran daños mayores.
¿Cómo funciona un fusible?
Supongamos que tenemos una fuente de alimentación que normalmente consume 1 A.
Podríamos utilizar un fusible adecuado para la corriente normal de funcionamiento y las características del circuito.
Si ocurre un cortocircuito y la corriente aumenta considerablemente, el fusible actúa y desconecta la alimentación.
Esto permite proteger:
- Conductores.
- Fuentes de alimentación.
- Circuitos electrónicos.
- Transformadores.
- Equipos eléctricos.
Característica importante del fusible
Un fusible no responde únicamente a la magnitud de la corriente, sino también al tiempo durante el cual circula dicha corriente.
Por esta razón existen diferentes tipos de fusibles.
Fusibles rápidos
Actúan rápidamente ante una sobrecorriente.
Son apropiados para circuitos donde una corriente excesiva puede dañar rápidamente componentes sensibles.
Fusibles retardados
Permiten determinados picos de corriente durante un tiempo corto.
Son útiles, por ejemplo, en circuitos donde existen corrientes de arranque.
Fusible rearmable PTC
Otro dispositivo utilizado para protección contra sobrecorriente es el PTC rearmable, también conocido como fusible rearmable.
PTC significa Positive Temperature Coefficient, es decir, coeficiente de temperatura positivo.
Su resistencia aumenta considerablemente cuando aumenta su temperatura.
En condiciones normales, presenta una resistencia relativamente baja y permite que la corriente circule.
Si aparece una sobrecorriente, el dispositivo se calienta y su resistencia aumenta considerablemente.
Como consecuencia, la corriente queda limitada.
Una de sus principales ventajas es que, después de desaparecer la condición de falla y disminuir su temperatura, puede volver a un estado de baja resistencia.
Por esta razón se denomina fusible rearmable.
El diodo Zener como componente de protección
El diodo Zener, estudiado anteriormente en este curso, también puede utilizarse como componente de protección.
Cuando se conecta adecuadamente, puede limitar la tensión de un circuito.
Por ejemplo, si queremos proteger una entrada electrónica frente a una tensión que supere determinado nivel, un Zener puede conducir cuando la tensión alcanza su zona de ruptura.
Sin embargo, debemos tener en cuenta que el Zener debe trabajar dentro de sus límites de corriente y potencia.
Por esta razón, normalmente se utiliza acompañado de otros componentes que limiten la corriente.
El diodo TVS
Uno de los componentes específicamente diseñados para protección contra transitorios es el diodo TVS.
TVS significa Transient Voltage Suppressor, o supresor de tensión transitoria.
Su función es responder rápidamente ante un aumento repentino de tensión y limitar el pico a un nivel más seguro.
Los diodos TVS son especialmente útiles cuando se necesita proteger circuitos electrónicos sensibles frente a:
- Picos de tensión.
- Transitorios.
- Descargas eléctricas.
- Perturbaciones en líneas de alimentación.
- Transitorios en líneas de comunicación.
Funcionamiento del TVS
En condiciones normales, el TVS permanece prácticamente sin conducir.
Cuando aparece un transitorio y la tensión supera determinado nivel, el dispositivo comienza a conducir una corriente elevada y desvía la energía del transitorio.
De esta manera, la tensión que llega al circuito protegido puede mantenerse dentro de un nivel más seguro.
Una característica muy importante del TVS es su rápida respuesta.
Esto permite utilizarlo para proteger componentes electrónicos que pueden resultar dañados por pulsos de tensión muy breves.
TVS unidireccional y bidireccional
Los diodos TVS pueden encontrarse en diferentes configuraciones.
TVS unidireccional
Está diseñado principalmente para proteger líneas donde la tensión tiene una polaridad definida.
Es común encontrarlo en circuitos de alimentación DC.
TVS bidireccional
Puede limitar transitorios de ambas polaridades.
Es especialmente útil en determinadas líneas de señal o sistemas donde la tensión puede variar en ambos sentidos.
La selección depende de las características de la señal que queremos proteger.
El varistor MOV
Otro componente muy importante para protección contra sobretensiones es el varistor de óxido metálico, conocido como MOV (Metal Oxide Varistor).
El MOV presenta una resistencia que depende de la tensión aplicada.
Cuando la tensión se encuentra dentro del rango normal de funcionamiento, presenta una resistencia elevada.
Cuando aparece una sobretensión, su resistencia disminuye considerablemente y permite conducir una corriente mayor.
De esta manera puede desviar parte de la energía asociada a una sobretensión.
Aplicaciones del varistor
Los MOV se encuentran frecuentemente en:
- Fuentes de alimentación.
- Equipos conectados a la red eléctrica.
- Regletas de protección.
- Sistemas industriales.
- Equipos electrónicos sensibles.
Por ejemplo, en una fuente de alimentación conectada a la red eléctrica, un MOV puede utilizarse para ayudar a proteger el circuito frente a determinados transitorios de tensión.
Diferencia entre MOV y TVS
Aunque ambos dispositivos pueden utilizarse para protección contra sobretensiones, existen diferencias importantes.
El TVS suele utilizarse cuando se necesita una protección muy rápida y controlada sobre líneas electrónicas.
El MOV es muy utilizado para absorber transitorios asociados a sistemas de alimentación y red eléctrica.
La elección depende de:
- Tensión de trabajo.
- Energía del transitorio.
- Corriente máxima.
- Tiempo de respuesta.
- Número de eventos que debe soportar.
- Aplicación.
Protección contra inversión de polaridad
Otro problema frecuente en circuitos electrónicos es conectar la fuente de alimentación con la polaridad incorrecta.
Por ejemplo, un circuito diseñado para trabajar con:
+12 V y GND
podría dañarse si se conecta accidentalmente:
-12 V y GND
Para evitar este problema existen diferentes métodos.
Protección mediante diodo
Una de las soluciones más sencillas consiste en colocar un diodo en serie con la alimentación.
Cuando la polaridad es correcta, el diodo conduce.
Cuando la alimentación se conecta al revés, el diodo queda polarizado inversamente y bloquea la corriente.
La principal desventaja es que el diodo produce una caída de tensión durante la conducción.
Por esta razón, en circuitos donde se necesita reducir las pérdidas puede utilizarse un diodo Schottky.
Protección con MOSFET
Una solución más eficiente consiste en utilizar un MOSFET para implementar la protección contra inversión de polaridad.
Esta técnica permite reducir considerablemente la caída de tensión respecto a un diodo convencional.
El MOSFET puede configurarse de manera que, con la polaridad correcta, presente una resistencia muy baja.
Cuando la polaridad se invierte, el dispositivo bloquea la corriente.
Esta solución es especialmente interesante en:
- Equipos alimentados por baterías.
Sistemas portátiles.
- Electrónica automotriz.
- Circuitos donde la eficiencia energética es importante.
Protección contra cargas inductivas
Las cargas inductivas representan otro problema importante.
Entre ellas encontramos:
- Relés.
- Solenoides.
- Bobinas.
- Motores.
- Contactores.
Cuando la corriente que circula por una inductancia se interrumpe rápidamente, la bobina intenta mantener la corriente que circulaba por ella.
Esto puede generar un pico de tensión que puede afectar al transistor o dispositivo encargado de controlar la carga.
El diodo flyback
Una solución muy utilizada cuando controlamos una carga inductiva DC es el diodo flyback, también llamado diodo de rueda libre.
Se conecta en paralelo con la bobina de manera que, durante el funcionamiento normal, permanece sin conducir.
Cuando se desconecta la corriente de la bobina, el diodo proporciona un camino para que la corriente inductiva disminuya de forma controlada.
De esta manera se reduce la sobretensión que podría aparecer sobre el transistor de conmutación.
Protección de entradas y salidas electrónicas
Los circuitos integrados y microcontroladores pueden ser sensibles a determinadas condiciones eléctricas.
Una entrada digital, por ejemplo, puede dañarse si recibe una tensión superior a la permitida.
Para proteger estas entradas pueden utilizarse diferentes soluciones:
- Resistencias limitadoras.
- Diodos.
- Diodos Zener.
- Diodos TVS.
- Redes de protección integradas.
La elección depende del tipo de señal y del nivel de protección requerido.
Protección contra descargas electrostáticas
Las descargas electrostáticas, conocidas como ESD, pueden producirse cuando una persona toca un circuito electrónico después de acumular carga eléctrica.
Aunque la descarga puede ser muy breve, puede producir una tensión suficientemente elevada para dañar estructuras semiconductoras sensibles.
Por esta razón, muchos circuitos electrónicos incorporan dispositivos específicos para protección ESD.
Los diodos TVS son una de las soluciones utilizadas para este propósito.
Pueden encontrarse protegiendo:
- Puertos USB.
- Líneas de comunicación.
- Entradas digitales.
- Interfaces industriales.
- Conectores externos.
El termistor NTC
El NTC (Negative Temperature Coefficient) es un termistor cuya resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura.
Además de utilizarse como sensor, puede emplearse como componente de protección y limitación de corriente.
Una aplicación muy conocida es la limitación de corriente de arranque.
Cuando un equipo se conecta a la alimentación, algunos condensadores pueden presentar inicialmente una demanda elevada de corriente.
Un NTC colocado adecuadamente puede presentar inicialmente una resistencia relativamente alta y limitar ese pico.
Posteriormente, al calentarse, su resistencia disminuye y las pérdidas durante el funcionamiento normal se reducen.
Protección térmica
La temperatura también puede convertirse en una amenaza para un circuito.
Un componente que funciona por encima de su temperatura máxima puede deteriorarse o reducir considerablemente su vida útil.
Por esta razón existen diferentes mecanismos de protección térmica:
- Termistores.
- Termostatos.
- Interruptores térmicos.
- Sensores de temperatura.
- Sistemas electrónicos de supervisión.
En equipos de potencia es común combinar un sensor de temperatura con un circuito de control que reduzca la potencia o desconecte el sistema cuando se alcanza una temperatura determinada.
Protección de una fuente de alimentación
Una fuente de alimentación es un buen ejemplo para comprender cómo diferentes componentes pueden trabajar conjuntamente.
Una fuente puede incorporar:
Protección contra sobrecorriente
Mediante:
- Fusibles.
- PTC.
- Circuitos electrónicos de limitación.
Protección contra sobretensión
Mediante:
- MOV.
- TVS.
- Zener.
Protección contra inversión de polaridad
Mediante:
- Diodos.
- MOSFET.
Protección térmica
Mediante:
- Termistores.
- Sensores.
- Protección interna del controlador.
Esto demuestra que la protección de un circuito normalmente no depende de un único componente.
Ejemplo de sistema de protección
Imaginemos una fuente DC que alimenta una placa electrónica.
Podemos incorporar:
Entrada → Fusible → Protección contra sobretensión → Protección de polaridad → Circuito electrónico
El fusible protege contra una corriente excesiva.
El dispositivo de protección contra sobretensión limita los picos.
El sistema de protección contra polaridad evita daños por una conexión incorrecta.
Finalmente, la electrónica recibe una alimentación más segura.
¿Qué componente debemos utilizar?
La elección del componente de protección depende principalmente del problema que queremos solucionar.
Problema | Componente habitual |
|---|---|
Sobrecorriente | Fusible |
Sobrecorriente rearmable | PTC |
Sobretensión transitoria | TVS |
Transitorios en alimentación | MOV |
Limitación de tensión | Zener |
Polaridad inversa | Diodo |
Polaridad inversa con bajas pérdidas | MOSFET |
Pico de una bobina DC | Diodo flyback |
Corriente de arranque | NTC |
Sobretemperatura | Termistor / protección térmica |
Descarga ESD | TVS |
Esta tabla debe entenderse como una guía general. La selección definitiva siempre debe hacerse teniendo en cuenta las características eléctricas y energéticas del circuito.
Parámetros importantes de los componentes de protección
No basta con elegir un componente simplemente porque su nombre corresponde al problema.
Es necesario revisar su hoja de datos.
Algunos parámetros importantes son:
Tensión de trabajo
Es la tensión que el componente puede soportar durante el funcionamiento normal.
Corriente máxima
Indica la corriente que puede circular por el dispositivo bajo determinadas condiciones.
Potencia
Es especialmente importante en componentes que absorben o disipan energía.
Energía máxima
Es fundamental en dispositivos destinados a absorber transitorios.
Tiempo de respuesta
Determina qué tan rápidamente puede reaccionar ante una condición anormal.
Temperatura
Las características de muchos dispositivos cambian con la temperatura.
¿Un componente de protección evita cualquier daño?
No necesariamente.
Este es un concepto muy importante.
Un componente de protección no convierte automáticamente un circuito en indestructible.
Su función es reducir el riesgo de daño o limitar las consecuencias de una condición anormal.
Además, cada dispositivo tiene límites.
Por ejemplo, un MOV puede absorber determinada cantidad de energía, pero si recibe un transitorio demasiado energético o repetitivo puede deteriorarse.
Lo mismo ocurre con un TVS, un fusible o cualquier otro dispositivo.
Por eso es necesario diseñar la protección teniendo en cuenta el peor escenario razonablemente esperado.
Protección en sistemas electrónicos reales
En un equipo profesional podemos encontrar varias capas de protección.
Por ejemplo:
Protección de entrada → Protección de alimentación → Protección de cada etapa → Protección térmica → Supervisión electrónica
Esto crea diferentes niveles de seguridad.
Si una protección falla o una condición anormal aparece en una determinada sección, las demás pueden ayudar a evitar que el problema se extienda al resto del sistema.
Este enfoque es especialmente importante en sistemas de potencia y equipos industriales.
Errores comunes al diseñar protecciones
No colocar ningún elemento de protección
Un circuito que funciona correctamente en el laboratorio no necesariamente funcionará de manera segura en condiciones reales.
Elegir un componente con poca capacidad
Un TVS o MOV demasiado pequeño puede no soportar la energía del transitorio.
No considerar la corriente
Un fusible demasiado grande podría no proteger correctamente el circuito.
No considerar la temperatura
La temperatura afecta directamente el comportamiento de muchos componentes.
Confundir voltaje nominal con voltaje máximo
Un componente puede tener diferentes especificaciones para tensión continua, tensión máxima y tensión transitoria.
No consultar la hoja de datos
La hoja de datos es fundamental para conocer las condiciones reales de funcionamiento.
Importancia del diseño de protección
La protección debe formar parte del diseño desde el principio y no considerarse simplemente como un elemento adicional.
Un buen diseño electrónico debe preguntarse:
- ¿Qué sucede si se invierte la alimentación?
- ¿Qué sucede ante un cortocircuito?
- ¿Qué sucede si aparece una sobretensión?
- ¿Qué ocurre si se desconecta una carga inductiva?
- ¿Qué sucede si aumenta demasiado la temperatura?
- ¿Qué ocurre ante una descarga electrostática?
- ¿Cuál es el peor escenario que puede experimentar el circuito?
Responder estas preguntas permite diseñar sistemas mucho más robustos.
Conclusión
Los componentes de protección son una parte fundamental del diseño electrónico.
Elementos como fusibles, PTC, diodos Zener, diodos TVS, varistores MOV, diodos de protección, MOSFET, NTC y dispositivos térmicos permiten proteger diferentes partes de un sistema frente a condiciones que podrían provocar fallas.
Cada componente tiene una función específica. El fusible permite interrumpir una corriente excesiva, el TVS ayuda a limitar transitorios rápidos, el MOV puede absorber determinados picos de tensión, el NTC puede limitar corrientes de arranque y los diodos pueden proteger frente a inversión de polaridad o cargas inductivas.
Sin embargo, la selección de estos dispositivos debe hacerse considerando siempre sus límites eléctricos, térmicos y energéticos.
Aprender a diseñar protecciones correctamente es un paso muy importante para pasar de construir circuitos que simplemente funcionan a diseñar circuitos que sean además confiables, resistentes y seguros.
En los siguientes temas del curso podremos profundizar en circuitos de protección específicos y en la forma de calcular y seleccionar estos componentes para aplicaciones reales.
Resumen del capítulo
En este capítulo aprendimos que:
- Los componentes de protección ayudan a evitar daños en los circuitos.
- Los fusibles protegen principalmente contra sobrecorrientes.
- Los PTC pueden actuar como fusibles rearmables.
- Los diodos Zener pueden limitar tensiones.
- Los diodos TVS protegen contra transitorios rápidos.
- Los varistores MOV son utilizados frecuentemente para protección contra sobretensiones.
- Los diodos pueden utilizarse para proteger contra inversión de polaridad.
- Los MOSFET pueden implementar una protección de polaridad con bajas pérdidas.
- Los diodos flyback ayudan a proteger frente a picos producidos por cargas inductivas.
- Los NTC pueden limitar corrientes de arranque.
- Los sistemas electrónicos también requieren protección térmica.
- La selección de una protección debe realizarse consultando la hoja de datos.
- Un diseño profesional normalmente utiliza varias capas de protección.