Los dispositivos IoT actuales están cada vez más conectados al exterior. Sensores instalados a distancia, equipos industriales, gateways, dispositivos con comunicaciones RS-485, Ethernet o CAN y productos alimentados desde fuentes externas pueden estar expuestos a sobretensiones y transitorios capaces de afectar directamente a la electrónica.
Un pico de tensión puede durar únicamente unos microsegundos y, sin embargo, ser suficiente para dañar un microcontrolador, un módulo de comunicaciones o una etapa de alimentación. Este tipo de problema es especialmente importante en equipos instalados en entornos industriales, donde existen motores, relés, contactores, cargas inductivas y cableados de gran longitud.
Para proteger estos equipos se utilizan diferentes estrategias. Una de las más habituales es incorporar un diodo TVS (Transient Voltage Suppressor), un componente diseñado para limitar sobretensiones transitorias y reducir la tensión que alcanza a los circuitos más sensibles.
En este artículo analizamos qué es un TVS para equipos IoT, cómo funciona, dónde debe colocarse y qué aspectos deben tenerse en cuenta para diseñar una protección eficaz.
¿Qué es un diodo TVS?
Un TVS es un dispositivo semiconductor diseñado para proteger un circuito frente a picos de tensión transitorios.
En condiciones normales, el TVS permanece prácticamente inactivo. Sin embargo, cuando la tensión supera un determinado nivel, comienza a conducir y desvía parte de la energía del transitorio, limitando la tensión que llega al circuito protegido.
Su funcionamiento puede resumirse de forma sencilla:
- El circuito funciona dentro de su tensión normal.
- Se produce una sobretensión transitoria.
- El TVS entra en conducción.
- Limita la tensión a un nivel determinado.
- El transitorio desaparece.
- El TVS vuelve a su estado normal.
Esta capacidad de respuesta rápida hace que los diodos TVS sean especialmente útiles para proteger equipos electrónicos frente a fenómenos transitorios que un fusible convencional no puede gestionar por sí solo.
Un componente pequeño frente a un problema importante
Un transitorio puede proceder de diferentes situaciones:
- Conmutación de motores.
- Activación de relés y contactores.
- Cargas inductivas.
- Conexión y desconexión de cables.
- Descargas electrostáticas.
- Fuentes de alimentación externas.
- Cableados largos.
- Perturbaciones presentes en instalaciones industriales.
- Fenómenos atmosféricos indirectos.
No todos estos eventos tienen la misma intensidad ni duración, por lo que la protección debe seleccionarse en función del entorno y de las características reales del producto.
¿Por qué los TVS son cada vez más importantes en equipos IoT?
La necesidad de proteger frente a sobretensiones ha aumentado al mismo tiempo que los dispositivos electrónicos se han vuelto más compactos y complejos.
Hace años, muchos equipos funcionaban dentro de entornos relativamente aislados. Actualmente, un dispositivo IoT puede estar conectado simultáneamente a una fuente de alimentación externa, sensores remotos, redes industriales y sistemas de comunicaciones.
Más conexiones con el exterior
Cada conexión que sale de la PCB puede convertirse en una posible vía de entrada de perturbaciones.
Un equipo puede disponer, por ejemplo, de:
- Alimentación de 24 V.
- RS-485.
- CAN.
- Ethernet.
- Entradas analógicas.
- Sensores externos.
- Salidas hacia actuadores.
Estas líneas pueden recorrer varios metros y conectar equipos situados en diferentes puntos de una instalación.
Cableados más largos
Los cables largos pueden captar perturbaciones electromagnéticas y transportar transitorios generados en otras partes de la instalación.
Esto es especialmente relevante en aplicaciones industriales, edificios, infraestructuras o instalaciones donde los sensores están alejados de la electrónica principal.
Electrónica cada vez más sensible
Al mismo tiempo, muchos dispositivos actuales utilizan componentes con tensiones de funcionamiento cada vez más reducidas.
Un microcontrolador puede trabajar a 3,3 V, mientras que una perturbación procedente del exterior puede alcanzar niveles muy superiores.
Por este motivo, la protección frente a transitorios debe considerarse desde las primeras fases del diseño electrónico.
¿Cómo funciona un TVS?
El funcionamiento de un TVS está relacionado con varios parámetros que conviene conocer antes de seleccionar un componente.
Tensión de trabajo
La tensión de trabajo, habitualmente indicada como VRWM, representa la tensión máxima que puede mantenerse de forma continua sin que el TVS entre en conducción de manera significativa.
Este valor debe ser compatible con la tensión normal de funcionamiento de la línea protegida.
Por ejemplo, una línea de alimentación nominal de 24 V puede experimentar determinadas variaciones durante su funcionamiento. El TVS debe seleccionarse teniendo en cuenta estas condiciones para evitar que actúe durante el funcionamiento normal.
Tensión de ruptura
Cuando la tensión supera un determinado nivel, el TVS comienza a conducir.
Este parámetro suele indicarse como VBR.
A partir de este punto, el componente empieza a reaccionar frente a la sobretensión.
Tensión de limitación
Durante un transitorio, la tensión no desaparece instantáneamente. El TVS limita el pico a un determinado nivel, conocido como tensión de clamping o tensión de limitación.
Este es uno de los parámetros más importantes, ya que los componentes situados detrás del TVS deben ser capaces de soportar esa tensión.
Capacidad de absorción de energía
Un TVS también tiene una capacidad máxima para absorber energía durante un transitorio.
No basta con elegir un componente basándose únicamente en su tensión. Es necesario comprobar si puede soportar la potencia y la energía asociadas al evento que se quiere proteger.
TVS unidireccional y bidireccional
Los diodos TVS pueden encontrarse principalmente en dos configuraciones.
TVS unidireccional
Un TVS unidireccional presenta un comportamiento diferente según la polaridad aplicada.
Resulta especialmente habitual en líneas de alimentación de corriente continua, donde existe una polaridad definida.
Puede utilizarse, por ejemplo, para proteger:
- Alimentaciones de 5 V.
- Líneas de 12 V.
- Alimentaciones industriales de 24 V.
- Etapas de alimentación de dispositivos IoT.
TVS bidireccional
Un TVS bidireccional puede limitar sobretensiones de ambas polaridades.
Esta característica resulta interesante en líneas donde la señal puede presentar tensión positiva y negativa.
Por ejemplo, puede utilizarse en determinadas interfaces de comunicación o líneas expuestas a perturbaciones en ambos sentidos.
La elección dependerá de la naturaleza de la señal y del tipo de protección necesaria.
TVS frente a otros sistemas de protección
Un TVS no sustituye necesariamente al resto de elementos de protección de un dispositivo.
Su función principal es gestionar sobretensiones transitorias, mientras que otros componentes están diseñados para responder a problemas diferentes.
TVS frente a fusible
Un fusible está diseñado principalmente para proteger frente a una corriente excesiva.
Sin embargo, un pico de tensión muy rápido puede producirse y desaparecer antes de que un fusible tenga tiempo de actuar.
Por este motivo, ambos pueden utilizarse conjuntamente.
- TVS: limita sobretensiones y transitorios.
- Fusible: protege frente a sobrecorrientes sostenidas o fallos graves.
TVS frente a eFuse
Una eFuse permite supervisar y controlar activamente la corriente de una línea de alimentación.
Puede limitar una sobrecorriente, desconectar una carga y, según el modelo, proporcionar información de diagnóstico.
Sin embargo, una eFuse no sustituye necesariamente a un TVS frente a un transitorio rápido de tensión.
Una posible arquitectura podría ser:
Entrada de alimentación → TVS → Fusible o eFuse → Convertidor DC/DC → Electrónica
Cada elemento responde a un tipo de riesgo diferente.
TVS frente a varistor MOV
Los varistores MOV también se utilizan para proteger frente a sobretensiones, especialmente en aplicaciones de mayor energía.
Sin embargo, presentan características diferentes respecto a un TVS en aspectos como la respuesta, el comportamiento y las aplicaciones habituales.
En productos electrónicos compactos y líneas de alimentación de baja tensión, los TVS son una solución muy utilizada por su rápida respuesta y facilidad de integración.
¿Puede utilizarse un TVS junto a otras protecciones?
Una protección eficaz no suele depender de un único componente. En muchos equipos IoT e industriales resulta recomendable combinar diferentes sistemas según los riesgos existentes.
Protección en la entrada de alimentación
En una entrada de alimentación externa podría utilizarse una combinación como:
Conector → TVS → Fusible → Protección contra inversión de polaridad → Convertidor DC/DC
En esta arquitectura:
- El TVS limita transitorios de tensión.
- El fusible actúa ante una sobrecorriente sostenida.
- La protección de polaridad evita daños por una conexión incorrecta.
- El convertidor DC/DC adapta la tensión para el resto del circuito.
La posición exacta y los componentes utilizados dependerán de la arquitectura y de los requisitos de protección.
eFuse para ramas individuales
Después de la alimentación principal, pueden utilizarse eFuse para proteger bloques específicos.
Por ejemplo:
Fuente principal
→ eFuse → Módulo LTE
→ eFuse → Sensores externos
→ eFuse → Actuadores
→ eFuse → Módulo Wi-Fi
De esta forma, un fallo localizado puede aislarse sin necesidad de desconectar todo el dispositivo.
TVS en las interfaces externas
También es habitual utilizar protecciones específicas en las líneas que salen de la PCB.
Por ejemplo:
- TVS para RS-485.
- TVS para CAN.
- TVS para Ethernet.
- TVS para entradas de sensores.
- TVS para líneas de comunicación expuestas.
En estos casos, la capacidad del TVS y, especialmente, sus características eléctricas deben ser compatibles con la señal que se desea proteger.
Aplicaciones de los TVS en dispositivos IoT
Alimentación industrial de 24 V
Muchas instalaciones industriales utilizan alimentaciones de 24 V.
Los equipos conectados a estas líneas pueden estar expuestos a perturbaciones generadas por otros elementos de la instalación.
Un TVS correctamente seleccionado puede limitar determinados picos antes de que alcancen al convertidor DC/DC o al resto de la electrónica.
Interfaces RS-485 y CAN
Las comunicaciones industriales suelen utilizar cableados que pueden recorrer largas distancias.
Estas conexiones pueden estar expuestas a descargas, diferencias de potencial y perturbaciones.
La protección TVS ayuda a reducir el riesgo de que estos eventos alcancen directamente al transceptor de comunicaciones.
Sensores remotos
Un sensor situado a varios metros de distancia puede conectar directamente con las entradas de un dispositivo IoT.
La línea de alimentación y las señales procedentes del sensor pueden requerir protección específica según el entorno y el tipo de instalación.
Gateways IoT industriales
Los gateways pueden concentrar numerosas conexiones externas.
Ethernet, alimentación, interfaces industriales y antenas pueden requerir diferentes estrategias de protección.
Por este motivo, es habitual analizar cada interfaz de forma independiente en lugar de aplicar una única solución a todo el producto.
Equipos instalados en exteriores
Las aplicaciones exteriores pueden estar expuestas a condiciones eléctricas más exigentes.
La protección debe analizarse teniendo en cuenta el tipo de alimentación, el cableado, la instalación y los requisitos aplicables al producto.
¿Cómo elegir un TVS para un equipo IoT?
Elegir un TVS únicamente por la tensión nominal de la alimentación puede llevar a errores.
La selección debe realizarse considerando el comportamiento completo de la línea.
Tensión normal de funcionamiento
La tensión VRWM debe permitir el funcionamiento normal sin que el TVS entre en conducción de forma incorrecta.
Es importante considerar tolerancias y posibles variaciones de la alimentación.
Tensión máxima admisible por el circuito
La tensión de clamping debe mantenerse dentro de los límites que pueden soportar los componentes protegidos.
Este punto es fundamental.
Un TVS puede estar correctamente dimensionado para una tensión determinada y, sin embargo, limitar el transitorio a un nivel demasiado elevado para la electrónica situada detrás.
Energía del transitorio
Debe analizarse qué tipo de perturbación se espera.
No es lo mismo proteger frente a una descarga electrostática en una interfaz de comunicación que frente a un transitorio energético en una alimentación industrial.
La capacidad del componente debe ser suficiente para soportar el evento previsto.
Capacidad parásita
En líneas de comunicación de alta velocidad, la capacitancia del TVS puede afectar a la integridad de la señal.
Por este motivo, no puede utilizarse cualquier TVS en interfaces como Ethernet u otras líneas rápidas.
En estos casos es necesario seleccionar componentes específicamente diseñados para aplicaciones de baja capacitancia.
Tipo de línea
Antes de elegir un TVS conviene identificar claramente qué se quiere proteger:
- Alimentación.
- Comunicación diferencial.
- Línea de datos.
- Entrada analógica.
- Sensor.
- Señal digital.
Cada aplicación puede requerir características diferentes.
¿Qué implica integrar un TVS en el diseño de una PCB?
El componente elegido es importante, pero su posición dentro de la PCB también puede determinar la eficacia real de la protección.
Colocación cerca del conector
Cuando una perturbación entra desde el exterior, el objetivo es limitarla antes de que pueda propagarse por la PCB. Por este motivo, el TVS debería situarse lo más cerca posible del punto por el que entra la perturbación, habitualmente el conector. Colocarlo demasiado lejos puede permitir que el transitorio recorra una parte importante de la placa antes de alcanzar la protección.
Minimizar la inductancia de las conexiones
Durante un transitorio rápido, las pistas y conexiones presentan efectos inductivos. Una conexión larga entre el TVS y el plano de referencia puede reducir la eficacia de la protección. Por ello, es importante utilizar conexiones cortas y una disposición de la PCB que facilite un camino de baja impedancia para la corriente del transitorio.
Conexión al plano de masa
El camino de retorno es una parte fundamental de la protección. El TVS debe disponer de una conexión adecuada hacia el plano correspondiente para poder desviar la energía de forma eficaz. La estrategia concreta dependerá de la arquitectura de masas del producto y del tipo de interfaz protegida.
Proteger antes de llegar al circuito sensible
En una interfaz externa, el orden de los componentes resulta importante. La protección debe colocarse antes de que la señal alcance los elementos más sensibles, como el transceptor, el microcontrolador o la etapa de alimentación.
Separación de zonas sensibles
En determinados diseños conviene evitar que el recorrido de las corrientes asociadas a un transitorio atraviese zonas sensibles de la PCB. Esto debe tenerse en cuenta especialmente en equipos que combinan comunicaciones, señales analógicas, radiofrecuencia y alimentación.
Errores habituales al utilizar TVS
Elegir únicamente por la tensión nominal
Seleccionar un TVS de 24 V para una línea de 24 V sin analizar VRWM, VBR y la tensión de clamping puede provocar una protección insuficiente o un funcionamiento incorrecto.
Colocarlo lejos del conector
Un TVS correctamente seleccionado puede perder eficacia si se encuentra alejado del punto de entrada de la perturbación.
Ignorar la capacitancia
Utilizar un TVS con una capacitancia elevada en una línea de datos rápida puede afectar al funcionamiento de la comunicación.
No analizar la energía del transitorio
No todos los TVS pueden soportar los mismos eventos.
La potencia máxima indicada en la hoja de características debe interpretarse teniendo en cuenta las condiciones especificadas por el fabricante.
Confiar toda la protección a un único componente
Un TVS protege frente a determinados tipos de sobretensiones, pero no sustituye automáticamente a todas las demás protecciones necesarias.
Un diseño robusto puede combinar TVS, fusibles, eFuse, protección de polaridad, filtros y otros elementos según las características de la aplicación.
La protección también debe pensarse desde el inicio
Uno de los errores más habituales en el desarrollo de productos electrónicos consiste en añadir la protección al final del diseño.
Cuando la PCB ya está terminada, puede resultar complicado encontrar espacio para nuevos componentes o modificar el recorrido de las pistas.
En un dispositivo IoT, conviene analizar desde el inicio:
- Qué conexiones estarán expuestas al exterior.
- Qué longitud tendrán los cables.
- Qué tensión utilizarán.
- Qué equipos se conectarán.
- Qué perturbaciones pueden existir en el entorno.
- Qué nivel de disponibilidad necesita el producto.
- Qué requisitos de ensayo y certificación deben considerarse.
Este análisis permite definir una arquitectura de protección antes de comenzar el layout.
Consejo
Un TVS no debe elegirse simplemente buscando un componente con una tensión similar a la de la línea que se quiere proteger. Para realizar una selección adecuada es necesario analizar qué perturbación puede aparecer, qué energía puede transportar y qué tensión máxima puede soportar el circuito situado detrás.
También es fundamental tener en cuenta el layout.
En nuestra experiencia, muchos problemas de protección no están relacionados con la ausencia de un TVS, sino con su integración dentro de la PCB. Un componente correctamente seleccionado pero conectado mediante pistas largas o situado lejos del conector puede ofrecer una protección muy inferior a la esperada.
Por este motivo, la selección del TVS, la arquitectura de masas y la distribución física de los componentes deberían analizarse conjuntamente durante el diseño electrónico.
Conclusión
Los TVS para equipos IoT son una herramienta fundamental para proteger la electrónica frente a sobretensiones y transitorios procedentes de la alimentación, las interfaces de comunicación y otras conexiones externas.
A medida que los dispositivos incorporan más sensores, comunicaciones y conexiones con instalaciones externas, aumenta también el número de posibles vías de entrada de perturbaciones.
Un TVS correctamente seleccionado puede ayudar a limitar estos eventos antes de que alcancen a los componentes sensibles. Sin embargo, la protección eficaz depende del conjunto del diseño: tipo de TVS, tensión de trabajo, tensión de limitación, energía soportada, capacitancia y posición dentro de la PCB.
En muchos casos, la solución más robusta consiste en combinar diferentes elementos, utilizando cada uno para proteger frente a un tipo concreto de riesgo.
¿Estás diseñando un equipo IoT que necesita protección frente a sobretensiones?
En Kenso Circuits, con sede en Valencia, ayudamos a empresas de toda España a desarrollar dispositivos IoT, equipos industriales y productos electrónicos conectados, analizando desde las primeras fases los riesgos eléctricos y la arquitectura de protección necesaria.
Podemos ayudarte a definir:
- Protección de entradas de alimentación.
- Selección de TVS para líneas de potencia y señales.
- Protección de RS-485, CAN y otras interfaces industriales.
- Integración de fusibles y eFuse.
- Protección frente a sobretensiones y transitorios.
- Diseño del layout de protección.
- Arquitectura de masas y recorridos de retorno.
- Optimización de la PCB para mejorar la robustez del producto.
Si estás desarrollando un nuevo producto o necesitas mejorar la protección de un equipo electrónico existente, podemos ayudarte a analizar su arquitectura y diseñar una solución preparada para las condiciones reales de funcionamiento.
Contacta con Kenso Circuits y estudiaremos tu proyecto.
Preguntas frecuentes sobre TVS para equipos IoT
¿Qué es un TVS?
Un TVS o Transient Voltage Suppressor es un componente semiconductor diseñado para limitar sobretensiones transitorias y proteger los circuitos electrónicos conectados a una línea.
¿Un TVS protege frente a un cortocircuito?
No es su función principal. Un TVS está diseñado para limitar picos de tensión, mientras que un fusible o una eFuse se utilizan para gestionar sobrecorrientes y cortocircuitos.
¿Dónde debe colocarse un TVS en una PCB?
Generalmente debe situarse lo más cerca posible del conector o punto por el que puede entrar la perturbación, utilizando conexiones cortas y un camino de retorno de baja impedancia.
¿Qué diferencia existe entre un TVS y una eFuse?
Un TVS protege principalmente frente a sobretensiones transitorias. Una eFuse supervisa y controla la corriente, pudiendo limitar una sobrecorriente o desconectar una carga. En muchos diseños pueden utilizarse conjuntamente.
¿Se puede utilizar un TVS en RS-485 o CAN?
Sí, existen dispositivos TVS diseñados específicamente para proteger interfaces de comunicación. Es importante seleccionar un componente compatible con las tensiones y características eléctricas de la línea.
¿Todos los TVS sirven para líneas de datos rápidas?
No. La capacitancia parásita del componente puede afectar a la señal. En interfaces rápidas deben utilizarse soluciones específicamente diseñadas para baja capacitancia.
¿Un TVS sustituye a todas las demás protecciones?
No. Un diseño robusto puede combinar TVS, fusibles, eFuse, protección frente a inversión de polaridad y otros elementos, dependiendo de los riesgos y requisitos de cada aplicación.
Si estás desarrollando un nuevo producto electrónico y necesitas revisar tu diseño antes de enviarlo a fabricación, una validación temprana puede evitar problemas costosos y facilitar una transición mucho más eficiente hacia producción.