Los circuitos de abrazadera de voltaje se utilizan para proteger los sistemas electrónicos de transitorios de voltaje no deseados en la fuente de alimentación y las líneas de señal. A continuación se muestra una aplicación de ejemplo en la que se requiere una pinza de tensión de alta precisión.


Diagrama de un diseño de ADC de precisión. Imagen utilizada por cortesía de Analog Devices

La señal analógica proporcionada por el controlador ADC puede exceder el rango de entrada especificado por el ADC porque el controlador funciona desde ± 15 V mientras que el ADC funciona con una fuente de alimentación de 5 V. Una condición de sobrevoltaje puede causar daños permanentes al ADC o degradar su desempeño.
Como se muestra arriba, las entradas ADC comúnmente tienen diodos de protección internos que conducen cuando el voltaje de entrada excede el rango especificado. Sin embargo, estos diodos no pueden transportar una gran corriente durante un período de tiempo prolongado. Por lo tanto, se requiere algún tipo de protección contra sobretensión externa.
¿Por qué la sujeción de tensión de alta precisión suele ser la solución deseada?
Necesitamos hacer coincidir la entrada analógica con el rango de entrada del ADC. Sin un circuito de pinza de alta precisión, la señal analógica debe restringirse a un nivel conservador por debajo del voltaje de referencia del ADC. Esto será un desperdicio del rango dinámico y la resolución del ADC.

Soluciones tradicionales

Se puede usar un par de diodos Zener o Schottky en la salida del controlador para proteger el ADC de condiciones de sobrevoltaje. Estos diodos externos son capaces de una conducción de corriente continua más alta en comparación con los diodos internos ADC.

Abrazaderas que proporcionan protección de entrada
Abrazaderas que proporcionan protección de entrada. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

Se deben considerar varios aspectos del rendimiento del diodo para tener un circuito de abrazadera eficiente. Los diodos deben tener una corriente de fuga inversa baja para no aumentar el consumo de energía del sistema cuando el circuito de la abrazadera no está activado.
Además, los diodos deberían agregar una capacitancia parásita insignificante a la ruta de la señal. Además, la capacitancia parásita agregada no debería variar significativamente con el nivel de voltaje aplicado. Esto es importante porque el comportamiento no lineal de la capacitancia parásita puede degradar la distorsión armónica general del sistema.
Otro parámetro importante es el tiempo de recuperación inverso de los diodos. Con una recuperación inversa rápida, los diodos pueden apagarse inmediatamente cuando la señal analógica regresa al rango de entrada ADC. Esto permite que el sistema restaure rápidamente su funcionamiento normal después de una condición de sobretensión.
Hay muchos otros tipos de pinzas de tensión de alta velocidad, cada una de las cuales ofrece un conjunto diferente de ventajas y desventajas. Para obtener más información, puede consultar las soluciones basadas en amplificadores operacionales de Maxim Integrated and Analog Devices.

Los desafíos de la sujeción de bajo voltaje y baja potencia

Los diodos Zener no son adecuados para circuitos de pinza de bajo voltaje y baja potencia por varias razones.
Primero, los diodos Zener consumen una cantidad considerable de corriente. Los diodos Zener de precisión pueden generar una corriente de fuga de hasta 50 µA (algunos incluso consumen 20 mA). Esto no puede proporcionarnos una solución de protección aceptable para un circuito de baja potencia que consume solo unos pocos cientos de nanoamperios.
En segundo lugar, incluso los diodos Zener de precisión no ofrecen un voltaje umbral definido con precisión. Tienen solo alrededor de ± 2% de precisión en su voltaje umbral, lo que no satisface las necesidades de muchos circuitos sensibles que se encuentran comúnmente en transmisores inalámbricos, sistemas de administración de baterías, supercondensadores y aplicaciones de recolección de energía.
Finalmente, los diodos Zener no pueden ofrecer típicamente voltajes de sujeción muy bajos (por ejemplo, tan bajos como 1,6 V).

Abrazaderas de bajo voltaje y bajo voltaje de dispositivos lineales avanzados

Advanced Linear Devices (ALD) ha anunciado recientemente una solución de sujeción de baja potencia y alta precisión, SABMBOVP, que apunta a sistemas electrónicos de bajo voltaje que funcionan desde 5 V o menos.
Estos módulos se basan en la tecnología EPAD patentada de la empresa y emplean MOSFET de modo de mejora de precisión de muy bajo voltaje para implementar soluciones de sujeción de bajo voltaje y baja potencia.
El diagrama esquemático de SABMBOVP2XX se muestra a continuación:

Diagrama esquemático del SABMBOVP2XX
Diagrama esquemático del SABMBOVP2XX. Imagen utilizada por cortesía de ALD

El módulo monitorea el voltaje de entrada y enciende un transistor de salida para fijar el voltaje a un valor predeterminado. Se dice que esta nueva solución supera a los circuitos de abrazadera tradicionales basados ​​en Zener en varios aspectos diferentes del rendimiento. Tiene una corriente de reposo de menos de 100 nA y ofrece un voltaje umbral más preciso.
El tiempo de respuesta es inferior a 100 ns y el módulo tiene una capacidad de manejo de sobrecorriente superior a 100 mA. Los voltajes de sujeción proporcionados por el módulo están muy por debajo de los de las soluciones basadas en Zener.
Es importante tener en cuenta que el módulo no requiere ningún componente adicional, como un divisor de resistencia, circuitos de búfer o reguladores de voltaje que se necesitan comúnmente cuando se utilizan circuitos de sujeción Zener.
Como resultado, la nueva solución puede reducir tanto la complejidad como el consumo de energía.

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