Introducción
Al especificar protección contra sobretensiones para sistemas eléctricos, los ingenieros enfrentan una elección fundamental entre tres tecnologías principales: Varistor de Óxido Metálico (MOV), Tubo de Descarga de Gas (GDT) y Diodo Supresor de Tensión Transitoria (TVS). Cada tecnología ofrece características de rendimiento distintas basadas en diferentes principios físicos: los MOV aprovechan la resistencia cerámica no lineal, los GDT utilizan la ionización de gas y los diodos TVS se valen de la ruptura por avalancha en semiconductores.MOVLa selección no consiste en encontrar la tecnología "óptima", sino en ajustar las compensaciones fundamentales a los requisitos de la aplicación. Un MOV que destaca en distribución de red de CA podría fallar catastróficamente en una línea de datos de alta velocidad. Un GDT perfecto para interfaces de telecomunicaciones sería inadecuado para una línea de alimentación de CC de 5V. Un diodo TVS ideal para E/S a nivel de placa podría verse desbordado en un circuito exterior expuesto a rayos.
Este artículo examina cada tecnología desde sus principios fundamentales, explica la física detrás de sus diferencias de rendimiento y proporciona una comparación cuantificada en tiempo de respuesta, tensión de sujeción, capacidad de manejo de energía, capacitancia, comportamiento de envejecimiento y costo. Ya sea que esté diseñando una distribución de energía, protegiendo interfaces de comunicación o coordinando protección multietapa, comprender estas diferencias fundamentales le ayudará a seleccionar componentes que realmente protejan, no solo que cumplan con la adquisición.
Este artículo examina cada tecnología desde los primeros principios, explica la física detrás de sus diferencias de rendimiento y proporciona una comparación cuantificada en tiempo de respuesta, tensión de limitación, capacidad de manejo de energía, capacitancia, comportamiento de envejecimiento y costo. Ya sea que esté diseñando una distribución de energía SPD, protegiendo interfaces de comunicación o coordinando protección multietapa, comprender estas diferencias fundamentales le ayudará a seleccionar componentes que realmente protejan, no solo que cumplan con la adquisición.
Figura 0: Comparación física de tres tecnologías de protección contra sobretensiones. Izquierda: El MOV (Varistor de Óxido Metálico) muestra el característico disco cerámico azul de óxido de zinc con terminales radiales: su tamaño físico escala con la tensión nominal (espesor del disco) y la capacidad de corriente (diámetro del disco). Centro: El GDT (Tubo de Descarga de Gas) muestra un cilindro sellado de vidrio/cerámica que contiene gas inerte y electrodos: su construcción hermética garantiza características de cebado estables. Derecha: El Diodo TVS muestra varios encapsulados semiconductores, desde SMD compactos (0402, SOT-23) hasta formatos con terminales más grandes (DO-201, DO-218): el tamaño del chip de silicio determina la potencia de pulso nominal. Las marcadas diferencias físicas reflejan principios de operación fundamentalmente diferentes: uniones en límites de grano cerámicos (MOV), plasma por ionización de gas (GDT) y ruptura por avalancha en semiconductor (TVS).
MOV (Varistor de Óxido Metálico): Estructura y Principio de Operación
El Varistor de Óxido Metálico es un dispositivo semiconductor cerámico cuya resistencia cae drásticamente al aumentar la tensión. Este comportamiento dependiente de la tensión hace que actúe como un limitador de tensión automático, conduciendo fuertemente durante las sobretensiones mientras permanece casi invisible durante el funcionamiento normal.
Arquitectura Interna
Un MOV consiste en granos de óxido de zinc (ZnO) sinterizados junto con pequeñas cantidades de óxidos metálicos como bismuto, cobalto, manganeso y otros. La magia ocurre en los límites de grano. Cada límite entre granos adyacentes de ZnO forma una barrera Schottky microscópica, esencialmente una pequeña unión de diodos espalda con espalda. Un solo disco MOV contiene millones de estas micro-uniones conectadas en una compleja red tridimensional serie-paralelo.
Las propiedades macroscópicas del dispositivo surgen de esta microestructura. El espesor del disco determina la tensión de operación (más límites de grano en serie = mayor tensión nominal). El diámetro del disco determina la capacidad de corriente (más caminos en paralelo = mayor corriente de sobretensión). Por esto las hojas de datos del MOV especifican la tensión del varistor por milímetro de espesor, y por qué los MOV de alta energía para distribución de energía son ensamblajes físicamente grandes en forma de bloque o disco.
Principio De Funcionamiento
A tensiones por debajo de la tensión del varistor (Vᵥ), las uniones en los límites de grano permanecen en modo de deplexión y el dispositivo consume solo una corriente de fuga a nivel de microamperios. Cuando una sobretensión lleva la tensión por encima de Vᵥ, las uniones se rompen por efecto túnel cuántico y multiplicación por avalancha. La resistencia colapsa de megaohmios a ohmios, y el MOV desvía la corriente de sobretensión a tierra.
Esta transición es intrínsecamente rápida, a nivel de material es submilisegundo. Los MOV estándar de catálogo logran tiempos de respuesta por debajo de 25 nanosegundos, limitados principalmente por la inductancia de los terminales y la geometría del encapsulado, más que por la física del ZnO. La característica tensión-corriente es altamente no lineal, típicamente descrita por la ecuación I = K·Vᵅ, donde el coeficiente de no linealidad α varía de 25 a 50 (comparado con α = 1 para una resistencia lineal).
Especificaciones y Comportamientos Clave
Capacidad de Manejo de Energía: Los MOV sobresalen en absorber energía de sobretensión. Los fabricantes clasifican la capacidad de energía usando pulsos rectangulares de 2 milisegundos y la corriente de sobretensión usando la forma de onda estándar 8/20 µs. Los MOV tipo bloque para distribución de energía pueden manejar de 10,000 a 100,000 amperios de corriente de sobretensión en eventos únicos.
Envejecimiento y Degradación: La exposición repetida a sobretensiones causa daño microestructural acumulativo. La tensión del varistor se desplaza hacia abajo, la corriente de fuga aumenta y el rendimiento de limitación se degrada. Las sobrecargas fuertes pueden perforar los límites de grano, creando caminos conductores permanentes. Por esta razón, las hojas de datos especifican factores de reducción de capacidad para sobretensiones repetitivas, y las instalaciones críticas deben monitorear la corriente de fuga del MOV como parámetro de mantenimiento.
Aplicaciones Típicas: Protección contra sobretensiones en redes de CA, cuadros de distribución de energía, variadores de motores industriales, equipos pesados y cualquier aplicación que requiera alta absorción de energía con respuesta rápida (nanosegundos).
Figura 1: Sección transversal de un MOV mostrando granos de óxido de zinc (ZnO) incrustados en una matriz cerámica con límites intergranulares (recuadro ampliado). Cada límite de grano forma una barrera Schottky microscópica, creando millones de micro-uniones en configuración serie-paralelo. Las dimensiones físicas del disco (el espesor determina la tensión nominal -más límites en serie-, el diámetro determina la capacidad de corriente -más caminos en paralelo-) controlan directamente el rendimiento de protección contra sobretensiones.
GDT (Tubo de Descarga de Gas): Estructura y Principio de Operación
El Tubo de Descarga de Gas adopta un enfoque fundamentalmente diferente: en lugar de limitar el voltaje mediante resistencia no lineal, crea un cortocircuito temporal cuando el voltaje supera un umbral. Esta acción de “barra colectora” desvía la corriente de sobretensión a través de gas ionizado en lugar de materiales de estado sólido.
Arquitectura Interna
Un GDT consta de dos o tres electrodos sellados dentro de una envolvente de cerámica o vidrio llena de gas inerte (típicamente una mezcla de argón, neón o xenón a presión subatmosférica). La separación entre electrodos y la composición del gas determinan el voltaje de ruptura. El sellado hermético es crítico: cualquier contaminación o cambio de presión alteraría las características de ruptura.
Los GDT de tres electrodos son comunes en aplicaciones de telecomunicaciones, proporcionando protección línea a línea y línea a tierra en un solo componente. Las versiones de dos electrodos sirven para configuraciones línea a tierra más simples. Los electrodos suelen estar recubiertos con materiales que reducen el voltaje de ruptura y estabilizan la formación del arco.
Principio De Funcionamiento
En condiciones normales, el gas es no conductor y el GDT presenta una impedancia casi infinita (>10⁹ Ω) con una capacitancia extremadamente baja, típicamente por debajo de 2 picofaradios. Cuando un voltaje transitorio excede el voltaje de chisporroteo, el campo eléctrico ioniza el gas. Los electrones libres se aceleran y colisionan con átomos de gas, liberando más electrones en un proceso de avalancha. En una fracción de microsegundo, se forma un canal conductor de plasma entre los electrodos.
Una vez ionizado, el GDT entra en modo de arco. El voltaje a través del dispositivo colapsa a un bajo voltaje de arco, típicamente de 10 a 20 voltios, independientemente del voltaje de ruptura inicial. El dispositivo ahora actúa como un casi cortocircuito, desviando la corriente de sobretensión a través del plasma. El arco persiste hasta que la corriente cae por debajo de la “corriente de transición de luminiscencia a arco”, típicamente decenas de miliamperios.
Este comportamiento de barra colectora crea una consideración de diseño crítica: si el circuito protegido puede suministrar suficiente “corriente de seguimiento” por encima del umbral de luminiscencia, el GDT puede permanecer en conducción incluso después de que termine el transitorio. Por esta razón, los GDT en redes de CA requieren resistencia en serie o coordinación con interruptores aguas arriba. En fuentes de CC de baja impedancia, el enclavamiento por corriente de seguimiento puede ser catastrófico.
Especificaciones y Comportamientos Clave
Capacidad de Corriente de Sobretensión: Los GDT manejan corrientes de sobretensión extremadamente altas; los dispositivos típicos de grado telecomunicaciones están clasificados para 10,000 a 20,000 amperios (forma de onda 8/20 µs) con resistencia a múltiples pulsos. Esta alta capacidad proviene de la naturaleza distribuida del canal de plasma en lugar de uniones de estado sólido localizadas.
Capacitancia: La ventaja definitoria de los GDT es su capacitancia inferior a 2 pF, lo que los hace transparentes a señales de alta velocidad. Esta es la razón por la que dominan la protección de líneas de telecomunicaciones: xDSL, banda ancha por cable y Gigabit Ethernet no pueden tolerar la capacitancia de los MOV o muchos dispositivos TVS.
El Tiempo De Respuesta: Los GDT son más lentos que los dispositivos de estado sólido. La ruptura típicamente ocurre en cientos de nanosegundos a unos pocos microsegundos, dependiendo del sobreimpulso de voltaje (un mayor dV/dt acelera la ionización). Para transitorios rápidos en electrónica sensible, los GDT a menudo se combinan con limitadores más rápidos en un esquema de protección coordinado.
Estabilidad y Vida Útil: Los GDT de calidad exhiben una excelente estabilidad a largo plazo. Los métodos de prueba ITU-T K.12 e IEEE C62.31 verifican el rendimiento a lo largo de miles de ciclos de sobretensión. Los GDT de telecomunicaciones reconocidos por UL demuestran un cambio mínimo de parámetros durante décadas de servicio.
Aplicaciones Típicas: Protección de líneas de telecomunicaciones (xDSL, cable, fibra óptica), interfaces Ethernet de alta velocidad, entradas de RF y antenas, y cualquier aplicación donde una carga de línea mínima sea esencial y la impedancia de la fuente de sobretensión sea lo suficientemente alta para evitar el enclavamiento por corriente de seguimiento.
Figura 2: Construcción y comportamiento operativo del Tubo de Descarga de Gas (GDT). El diagrama izquierdo muestra la estructura interna: cámara de gas sellada herméticamente con separación de electrodos y llenado de gas inerte (argón/neón). El gráfico derecho ilustra la respuesta de ionización: cuando el voltaje transitorio excede el umbral de chisporroteo, el gas se ioniza creando un canal conductor de plasma, el voltaje colapsa al modo de arco (~10-20V), y la corriente de sobretensión se desvía a través del plasma hasta que la corriente cae por debajo del umbral de transición de luminiscencia a arco.
Diodo TVS: Estructura y Principio de Operación
Los diodos Supresores de Voltaje Transitorio son dispositivos de avalancha de silicio diseñados específicamente para la limitación de sobretensiones. Combinan los tiempos de respuesta más rápidos con los voltajes de limitación más bajos disponibles en componentes de protección contra sobretensiones, lo que los convierte en la opción preferida para proteger circuitos semiconductores sensibles.
Arquitectura Interna
Un diodo TVS es esencialmente un diodo Zener especializado optimizado para alta potencia de pulso en lugar de regulación de voltaje. El chip de silicio presenta una unión P-N fuertemente dopada diseñada para entrar en ruptura por avalancha a un voltaje preciso. El área del chip es mucho mayor que la de los reguladores Zener equivalentes para manejar las corrientes pico de los eventos de sobretensión, cientos de amperios en pulsos de submicrosegundos.
Principio De Funcionamiento
Bajo tensión de operación normal, el diodo TVS opera en polarización inversa con solo una fuga de nivel nanoamperio. Cuando un transitorio supera la tensión de ruptura inversa (V_BR), la unión de silicio entra en multiplicación por avalancha. La ionización por impacto genera una avalancha de pares electrón-hueco, y la resistencia de la unión colapsa. El dispositivo fija la tensión al nivel de ruptura más la resistencia dinámica multiplicada por la corriente de sobretensión.
La física es puramente de estado sólido, sin movimiento mecánico, ionización de gas o cambio de fase del material. Esto permite tiempos de respuesta en el rango de nanosegundos—menos de 1 ns para el silicio puro, aunque la inductancia del encapsulado típicamente lleva la respuesta efectiva a 1-5 ns para dispositivos prácticos. La característica tensión-corriente es muy pronunciada (baja resistencia dinámica), proporcionando una fijación de tensión ajustada.
Especificaciones y Comportamientos Clave
Especificaciones de Potencia de Pulso: Los fabricantes de TVS especifican la capacidad de potencia utilizando anchos de pulso estandarizados (típicamente formas de onda exponenciales de 10/1000 µs). Las familias de productos comunes ofrecen especificaciones de pulso de 400W, 600W, 1500W o 5000W. La capacidad de corriente pico se calcula a partir de la potencia de pulso y la tensión de fijación—un dispositivo de 600W con una fijación de 15V maneja aproximadamente 40A pico.
Rendimiento de Fijación: Los diodos TVS ofrecen las tensiones de fijación más bajas de cualquier tecnología de protección contra sobretensiones. La relación entre la tensión de fijación y la tensión de bloqueo (V_C/V_WM) es típicamente de 1.3 a 1.5, comparada con 2.0-2.5 para los MOV. Este control ajustado es crítico para proteger lógica de 3.3V, USB de 5V, circuitos automotrices de 12V y otras cargas sensibles a la tensión.
Capacitancia: La capacitancia del TVS varía ampliamente según la construcción del dispositivo. Los diodos TVS de unión estándar pueden exhibir cientos de picofaradios, lo que carga las líneas de datos de alta velocidad. Las familias de TVS de baja capacitancia diseñadas para HDMI, USB 3.0, Ethernet y RF utilizan geometrías de unión especializadas y logran menos de 5 pF por línea.
Envejecimiento y Fiabilidad: A diferencia de los MOV, los diodos TVS exhiben una deriva de rendimiento mínima bajo estrés de pulso dentro de sus especificaciones. La unión de silicio no se degrada de forma acumulativa por sobretensiones repetidas dentro de los límites especificados. Los modos de fallo son típicamente circuito abierto (aniquilación de la unión) o cortocircuito (fusión de la metalización), ambos ocurren solo bajo sobrecarga extrema muy por encima de las especificaciones.
Aplicaciones Típicas: Protección de circuitos a nivel de placa (puertos de E/S, líneas de alimentación), interfaces USB y HDMI, electrónica automotriz, fuentes de alimentación DC, líneas de datos de comunicación y cualquier aplicación que requiera respuesta rápida y fijación de tensión ajustada para cargas semiconductoras.
Figura 3: Curva característica tensión-corriente (I-V) de un diodo TVS que muestra la operación de avalancha del semiconductor. Bajo tensión normal (región de bloqueo V_WM), el dispositivo mantiene alta impedancia con fuga de nanoamperios. Cuando un transitorio supera la tensión de ruptura inversa (V_BR), la unión P-N de silicio entra en multiplicación por avalancha—la resistencia de la unión colapsa y el dispositivo fija la tensión en V_C (tensión de ruptura más resistencia dinámica × corriente de sobretensión). La curva pronunciada (baja resistencia dinámica) proporciona un control de tensión ajustado, crítico para proteger cargas semiconductoras.
Fijación vs. Cortocircuito: Dos Filosofías de Protección
La diferencia fundamental entre estas tecnologías radica en su filosofía de protección. Los MOV y los diodos TVS son dispositivos de fijación—limitan la tensión a un nivel específico proporcional a la corriente de sobretensión. Los GDT son dispositivos de cortocircuito—crean un cortocircuito que colapsa la tensión a un nivel residual bajo independientemente de la magnitud de la corriente.
Comportamiento de fijación (MOV y TVS): A medida que aumenta la corriente de sobretensión, la tensión de fijación se eleva según la curva V-I no lineal del dispositivo. Un MOV especificado a 275V RMS podría fijar a 750V para una sobretensión de 1 kA pero elevarse a 900V a 5 kA. Un diodo TVS con tensión de bloqueo de 15V podría fijar a 24V para 10A pero alcanzar 26V a 20A. La carga protegida ve una tensión determinada por la amplitud de la sobretensión y las características del dispositivo.
Comportamiento de cortocircuito (GDT): Una vez que ocurre la ruptura, el GDT entra en modo de arco y la tensión colapsa a 10-20V independientemente de si la corriente de sobretensión es de 100A o 10,000A. Esto proporciona una excelente protección una vez activado, pero la chispa inicial puede permitir un pico de tensión antes de que se complete la ionización. Por eso las cargas sensibles detrás de GDTs a menudo necesitan una fijación rápida secundaria.
Cada filosofía se adapta a diferentes aplicaciones. Los dispositivos de fijación protegen limitando la exposición a la tensión. Los dispositivos de cortocircuito protegen desviando la corriente. La fijación funciona cuando el circuito protegido puede tolerar la tensión de fijación. El cortocircuito funciona cuando la fuente de sobretensión tiene impedancia suficientemente alta como para que el cortocircuito de la línea no dañe el equipo aguas arriba o cause problemas de corriente de seguimiento.
MOV vs GDT vs TVS: Comparación Directa
La siguiente tabla cuantifica las diferencias clave de rendimiento entre estas tres tecnologías de protección contra sobretensiones:
| Parámetro | MOV (Varistor de Óxido Metálico) | GDT (Tubo de Descarga de Gas) | Diodo TVS |
| Principio De Funcionamiento | Resistencia no lineal dependiente de la tensión (límites de grano de ZnO) | Cortocircuito por ionización de gas | Ruptura por avalancha de semiconductor |
| Mecanismo de protección | Fijación | Cortocircuito | Fijación |
| El Tiempo De Respuesta | <25 ns (partes típicas de catálogo) | 100 ns – 1 µs (dependiente de la tensión) | 1-5 ns (limitado por el encapsulado) |
| Tensión de Fijación/Arco | 2.0-2.5 × MCOV | 10-20 V (modo de arco) | 1.3-1.5 × V_bloqueo |
| Corriente de Sobretensión (8/20 µs) | 400 A – 100 kA (dependiente del tamaño) | 5 kA – 20 kA (grado telecomunicaciones) | 10 A – 200 A (familia 600W ~40A) |
| Capacidad de Manejo de Energía | Excelente (100-1000 J) | Excelente (plasma distribuido) | Moderada (limitada por la unión) |
| Capacitancia | 50-5000 pF (dependiente del área) | <2 pF | 5-500 pF (dependiente de la construcción) |
| Comportamiento de Envejecimiento | Degrada con ciclos de sobretensión; V_n se desvía a la baja | Estable durante miles de sobretensiones | Deriva mínima dentro de las especificaciones |
| Modo de Fallo | Degradación → cortocircuito o circuito abierto | Cortocircuito (sostenido por arco) | Circuito abierto o cortocircuito (solo catastrófico) |
| Riesgo de Corriente de Seguimiento | Bajo (autoextinguible) | Alto (requiere limitación externa) | Ninguno (estado sólido) |
| Rango de Voltaje Típico | 18V RMS – 1000V RMS | 75V – 5000V DC de cebado | 3.3V – 600V de bloqueo |
| Costo (Relativo) | Bajo ($0.10 – $5) | Bajo-Medio ($0.50 – $10) | Bajo-Medio ($0.20 – $8) |
| Normas | IEC 61643-11, UL 1449 | ITU-T K.12, IEEE C62.31 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| Aplicaciones Principales | Red eléctrica CA, distribución de energía, industrial | Líneas de telecomunicaciones, datos de alta velocidad, antena | E/S a nivel de placa, fuentes de alimentación CC, automoción |
Conclusiones Clave de la Comparación
MOV ofrecen el mejor equilibrio entre manejo de energía, respuesta rápida y costo para sobretensiones a nivel de potencia. Dominan la protección de redes CA, pero sufren de carga capacitiva en circuitos de alta frecuencia y envejecimiento acumulativo bajo estrés repetido.
GDTs sobresalen donde es crítica una carga de línea mínima y se debe maximizar la capacidad de corriente de sobretensión. Su capacitancia ultrabaja los hace insustituibles en aplicaciones de telecomunicaciones y RF, pero su respuesta más lenta y el riesgo de corriente de seguimiento requieren un diseño de circuito cuidadoso.
Diodos TVS proporcionan la sujeción más rápida y precisa para electrónica sensible. Son la única opción práctica para proteger E/S de semiconductores por debajo de 50V, pero su capacidad de energía limitada significa que no pueden manejar las sobretensiones de nivel de rayos que los MOVs y GDTs absorben rutinariamente.
Figura 4: Tabla comparativa profesional que contrasta las tecnologías MOV (Varistor de Óxido Metálico) y TVS (Supresor de Voltaje Transitorio) en especificaciones clave. Los MOVs exhiben relaciones de voltaje de sujeción más altas (2.0-2.5× MCOV) con excelente absorción de energía para sobretensiones de nivel de potencia, mientras que los diodos TVS ofrecen un control de voltaje más estricto (1.3-1.5× voltaje de bloqueo) con respuesta más rápida (<5 ns) para protección de semiconductores. La tabla incluye valores nominales de voltaje, capacidades de corriente de sobretensión y ejemplos típicos de números de pieza que demuestran los rangos de desempeño complementarios de cada tecnología.
Guía de Selección de Tecnología: Cuándo Usar Cada Una
Elegir la tecnología de protección contra sobretensiones correcta depende de emparejar las características del dispositivo con los requisitos del circuito. He aquí un marco de decisión:
Use MOV Cuando:
- El voltaje del circuito es red CA o CC de alto voltaje (>50V): Los MOVs están disponibles en valores nominales de voltaje desde 18V RMS hasta más de 1000V, coincidiendo perfectamente con distribución de energía residencial (120/240V), comercial (277/480V) e industrial.
- La energía de sobretensión es alta: Las sobretensiones inducidas por rayos, transitorios de conmutación de servicios y la corriente de arranque de motores producen niveles de energía (cientos a miles de julios) que solo los MOVs pueden absorber de manera económica.
- Un tiempo de respuesta <25 ns es aceptable: La mayoría de la electrónica de potencia y equipos industriales toleran la velocidad de respuesta de los MOVs.
- La carga capacitiva es aceptable: En frecuencias de potencia (50/60 Hz), incluso una capacitancia de 1000 pF es despreciable.
- El costo está restringido: Los MOVs ofrecen el menor costo por julio de protección.
Evite MOVs cuando proteja líneas de comunicación de alta velocidad (carga capacitiva), circuitos semiconductores de bajo voltaje (voltaje de sujeción demasiado alto) o aplicaciones que requieran un rendimiento garantizado sin deriva durante décadas (preocupaciones de envejecimiento).
Use GDT Cuando:
- La carga de línea debe ser mínima (<2 pF): Los módems xDSL, banda ancha por cable, Ethernet Gigabit, receptores RF y entradas de antena no pueden tolerar la capacitancia de los MOVs o dispositivos TVS estándar.
- La capacidad de corriente de sobretensión debe maximizarse: Las centrales telefónicas, torres de celular e instalaciones exteriores enfrentan sobretensiones de rayos de alta amplitud repetidas que exceden las especificaciones de los TVS.
- El circuito protegido tiene alta impedancia de fuente: Las líneas telefónicas (600Ω), los alimentadores de antena (50-75Ω) y los cables de datos pueden ser cortocircuitados de forma segura sin corriente de seguimiento excesiva.
- El voltaje de operación es alto (>100V): Los GDTs están disponibles con voltajes de cebado desde 75V hasta 5000V, cubriendo voltajes de telecomunicaciones, PoE (Power over Ethernet) y señalización de alto voltaje.
Evite GDTs cuando proteja fuentes de alimentación CC de baja impedancia (riesgo de corriente de seguimiento), circuitos que requieran la respuesta más rápida (<100 ns crítico) o cargas sensibles al voltaje que no toleren el pico inicial de cebado (necesita sujeción secundaria).
Use Diodos TVS Cuando:
- El voltaje de sujeción debe controlarse estrictamente: Lógica de 3.3V, USB de 5V, circuitos automotrices de 12V y otras cargas semiconductoras requieren sujeción dentro del 20-30% del voltaje nominal; solo los diodos TVS ofrecen esto.
- El tiempo de respuesta debe ser el más rápido (<5 ns): Proteger procesadores de alta velocidad, FPGAs y circuitos analógicos sensibles demanda respuesta en nanosegundos.
- El voltaje del circuito es bajo a medio (<100V): Las familias TVS cubren todo, desde líneas de datos de 3.3V hasta suministros de telecomunicaciones de 48V.
- No se puede tolerar envejecimiento/deriva: Dispositivos médicos, aeroespacial y sistemas críticos para la seguridad requieren protección predecible y estable durante la vida útil del producto.
- El espacio en la placa es limitado: Los dispositivos SMT TVS en encapsulados 0402 o SOT-23 encajan donde los MOV y GDT no pueden.
Evite los diodos TVS cuando la energía de sobretensión exceda la potencia nominal de pulso (un dispositivo típico de 600 W absorbe solo ~1 julio), la corriente de sobretensión exceda la corriente nominal máxima (40 A típicos para 600 W a 15 V), o el costo por canal se vuelva prohibitivo en sistemas de múltiples líneas.
Matriz De Decisión
| Aplicación | Tecnología Primaria | Razón fundamental |
| Protección del panel de red eléctrica de CA | MOV (SPD Tipo 1/2) | Alta energía, 120-480 V, rentable |
| Interfaz de línea de telecomunicaciones | GDT + TVS (escalonado) | GDT absorbe energía, TVS sujeta el residual |
| Líneas de datos USB 2.0 / 3.0 | TVS de baja capacitancia | Bordes rápidos, fuente de alimentación de 5 V, se requiere <5 pF |
| Ethernet (10/100/1000 Base-T) | GDT (primario) + TVS de baja capacitancia | Carga mínima, alta exposición a sobretensiones |
| E/S industrial de 24 V CC | TVS | Sujeción ajustada, respuesta rápida, sin envejecimiento |
| Entrada de CC solar fotovoltaica | MOV (con clasificación de CC) | Alto voltaje (600-1000 V), alta energía |
| Circuitos automotrices de 12 V | TVS | Protección contra descarga de carga, sujeción ajustada a 24-36 V |
| Entrada de antena RF | GDT | Sub-2 pF, alta capacidad de manejo de potencia |
| Riel de alimentación FPGA de 3.3 V | TVS (baja capacitancia) | Sujeción de 6-8 V, respuesta de <1 ns crítica |
Esta matriz es un punto de partida. Las instalaciones complejas a menudo combinan tecnologías en esquemas de protección en capas, aprovechando las fortalezas de cada etapa.
Figura 5: Diagrama de arquitectura de protección contra sobretensiones profesional de tres etapas que ilustra la estrategia de protección coordinada. Etapa 1 (Primaria): El SPD MOV Tipo 1 en la entrada de servicio maneja la energía de sobretensión extrema (40-100 kA) y sujeta el voltaje de 10+ kV a ~600 V. Etapa 2 (Secundaria): El tubo de descarga de gas desvía los transitorios residuales de alto voltaje y reduce el voltaje a ~30 V a través del modo de operación de arco. Etapa 3 (Final): El diodo TVS proporciona una sujeción ajustada (voltaje de separación <1.5×) con respuesta de nanosegundos para proteger las cargas de semiconductores sensibles. Cada etapa presenta una conexión a tierra y una coordinación de voltaje adecuadas para garantizar que los dispositivos ascendentes se activen antes que los componentes descendentes, creando puntos de “transferencia” claros que distribuyen la energía de sobretensión a través de la cascada de protección. Este enfoque en capas aprovecha las fortalezas complementarias de las tecnologías MOV (alta energía), GDT (baja capacitancia) y TVS (sujeción ajustada).
Protección en capas: combinación de tecnologías
Las arquitecturas de protección contra sobretensiones más robustas no dependen de una sola tecnología. En cambio, coordinan múltiples etapas, cada una optimizada para una porción diferente del espectro de amenazas. Este enfoque de “defensa en profundidad” aprovecha las fortalezas complementarias de las tecnologías MOV, GDT y TVS.
¿Por qué proteger en capas?
Distribución de energía: Un solo diodo TVS no puede absorber una sobretensión de rayo de 10 kA, pero un GDT aguas arriba puede desviar el 99% de esa energía, dejando que el TVS sujete el residual. Cada etapa maneja lo que mejor hace.
Optimización de la velocidad: Un GDT tarda cientos de nanosegundos en ionizarse. Durante ese tiempo, un TVS rápido aguas abajo puede sujetar el pico inicial, evitando daños a las cargas sensibles. Una vez que el GDT se dispara, se hace cargo de la desviación de corriente a granel.
Coordinación de voltaje: El dispositivo ascendente debe descomponerse antes que el dispositivo descendente. La selección adecuada garantiza que la primera etapa conduzca a, digamos, 600 V, limitando lo que llega a la segunda etapa (clasificada en 150 V), que a su vez protege la carga final (clasificada en 50 V).
Arquitecturas comunes en capas
Interfaz de telecomunicaciones (GDT + TVS):
- Etapa primaria: El GDT en el límite de la interfaz maneja los rayos directos y las fallas de energía de alto voltaje (sobretensiones de 2-10 kV, hasta 20 kA).
- Etapa secundaria: El diodo TVS de baja capacitancia sujeta los transitorios residuales a niveles seguros para el IC transceptor (<30 V).
- Coordinación: Chispa GDT a 400 V, ruptura TVS a 15 V, clasificación máxima del transceptor 12 V. El TVS protege durante el retraso de ionización del GDT; una vez que el GDT se dispara, asume la tarea de corriente a granel.
Ethernet PoE (GDT + TVS + Inductor):
- Primario: El GDT desvía las sobretensiones de rayo de línea a tierra.
- Inductor en serie: Disminuye el tiempo de subida de la sobretensión (dV/dt), dando tiempo al GDT para ionizarse y limitando la corriente en las etapas posteriores.
- Secundario: Los diodos TVS en cada par diferencial sujetan los transitorios de modo común y modo diferencial para proteger el PHY de Ethernet (±8 V máx.).
Panel de CA industrial (MOV primario + MOV secundario):
- Entrada de servicio: El MOV Tipo 1 clasificado en 40-100 kA maneja los rayos directos (voltaje de 1.2/50 µs, formas de onda de corriente de 10/350 µs según IEC 61643-11).
- Panel de distribución: El MOV Tipo 2 clasificado en 20-40 kA sujeta las sobretensiones residuales que se acoplan a través del cableado del edificio.
- Equipo de carga: El SPD Tipo 3 o el TVS a nivel de placa proporciona protección final en el punto de uso.
Sistema solar fotovoltaico (MOV CC + TVS):
- Caja de conexiones del arreglo: El MOV con clasificación de CC (600-1000 V) en la salida de la cadena fotovoltaica maneja las sobretensiones inducidas por rayos.
- Entrada del inversor: Los diodos TVS protegen los semiconductores del convertidor CC-CC y del controlador MPPT, sujetando a niveles que el silicio puede soportar.
La clave para una coordinación exitosa es seleccionar voltajes de ruptura que creen puntos de “transferencia” claros y verificar que la energía de fuga de una etapa permanezca dentro de la clasificación de la siguiente etapa. Los fabricantes de sistemas SPD completos (como VIOX) a menudo publican conjuntos probados y coordinados que eliminan esta complejidad de diseño.
Conclusión
La selección de componentes de protección contra sobretensiones no se trata de encontrar la “mejor” tecnología, sino de hacer coincidir la física con los requisitos. Los MOV aprovechan la cerámica de óxido de zinc para absorber alta energía a voltajes de potencia. Los GDT explotan la ionización de gases para lograr una carga de línea mínima con la máxima capacidad de corriente. Los diodos TVS aprovechan la avalancha de semiconductores para una sujeción más rápida y ajustada de la electrónica sensible.
Cada tecnología representa una compensación fundamental:
- Los MOV intercambian un voltaje de sujeción más alto y envejecimiento por un excelente manejo de energía y costo.
- Los GDT intercambian una respuesta más lenta y riesgo de corriente de seguimiento por una capacitancia ultrabaja y resistencia a sobretensiones.
- Los diodos TVS intercambian una capacidad de energía limitada por la respuesta más rápida y el control de voltaje más ajustado.
Comprender estas compensaciones, arraigadas en los principios de funcionamiento que hemos examinado, le permite especificar una protección que realmente funcione en su aplicación. Un MOV de 600 V en una línea de datos de 5 V no protegerá. Un diodo TVS de 40 A que enfrenta una sobretensión de rayo de 10 kA fallará catastróficamente. Un GDT en una fuente de alimentación de CC de baja impedancia puede engancharse a una conducción destructiva de corriente de seguimiento.
Para instalaciones complejas, la protección en capas coordina múltiples tecnologías, posicionando cada una donde mejor se desempeña. El GDT absorbe la energía a granel, el MOV maneja las sobretensiones a nivel de potencia y el TVS ofrece la sujeción de la etapa final para las cargas de semiconductores.
Ya sea que esté diseñando un SPD de distribución de energía clasificado para 100 kA según IEC 61643-11, protegiendo una interfaz Gigabit Ethernet con una carga inferior a 2 pF o protegiendo E/S FPGA de 3,3 V, el marco de decisión es el mismo: haga coincidir la física del dispositivo con los requisitos del circuito, verifique las clasificaciones contra las formas de onda de amenaza y coordine las etapas cuando una sola tecnología no pueda cubrir todo el espectro.
Acerca de VIOX Electric: Como fabricante líder de dispositivos de protección contra sobretensiones, VIOX ofrece soluciones integrales MOV, GDT y TVS para aplicaciones residenciales, comerciales e industriales. Nuestro equipo de ingeniería brinda soporte de aplicaciones para sistemas de protección coordinados. Visite www.viox.com o póngase en contacto con nuestro equipo de ventas técnicas para obtener asistencia con las especificaciones.
