Introduzione
Nella specifica della protezione da sovratensioni per sistemi elettrici, i progettisti si trovano di fronte a una scelta fondamentale tra tre tecnologie principali: Varistore a Ossido Metallico (MOV), Tubo a Scarica di Gas (GDT) e diodo Soppressore di Tensione Transitoria (TVS). Ogni tecnologia offre caratteristiche di prestazione distinte, radicate in diversi principi fisici: i MOV sfruttano una resistenza ceramica non lineare, i GDT utilizzano l'ionizzazione del gas e i diodi TVS si basano sulla rottura a valanga dei semiconduttori.
La selezione non consiste nel trovare la tecnologia “migliore”. Piuttosto, si tratta di adattare i compromessi fondamentali ai requisiti applicativi. Un MOV eccellente per la distribuzione in rete AC potrebbe fallire in modo catastrofico su una linea dati ad alta velocità. Un GDT perfetto per interfacce telecom sarebbe inadatto per un'alimentazione a 5V DC. Un diodo TVS ideale per I/O a livello di scheda potrebbe essere sopraffatto su un circuito esterno esposto ai fulmini.
Questo articolo esamina ogni tecnologia partendo dai principi primi, spiega la fisica alla base delle loro differenze prestazionali e fornisce un confronto quantificato in termini di tempo di risposta, tensione di bloccaggio, capacità di gestione dell'energia, capacità, comportamento all'invecchiamento e costo. Che si stia progettando una distribuzione di potenza SPD, proteggendo interfacce di comunicazione o coordinando una protezione multi-stadio, comprendere queste differenze fondamentali aiuterà a selezionare componenti che proteggano effettivamente, non solo a superare la fase di approvvigionamento.
Figura 0: Confronto fisico delle tre tecnologie di protezione da sovratensioni. Sinistra: MOV (Varistore a Ossido Metallico) mostra il caratteristico disco ceramico blu di ossido di zinco con terminali radiali—la dimensione fisica scala con la tensione nominale (spessore del disco) e la capacità di corrente (diametro del disco). Centro: GDT (Tubo a Scarica di Gas) presenta un involucro cilindrico sigillato in vetro/ceramica contenente gas inerte ed elettrodi—la costruzione ermetica garantisce caratteristiche di scarica stabili. Destra: Diodo TVS mostra vari contenitori per semiconduttori, dai compatti SMD (0402, SOT-23) ai formati a foro passante più grandi (DO-201, DO-218)—la dimensione del chip di silicio determina la potenza d'impulso nominale. Le marcate differenze fisiche riflettono principi di funzionamento fondamentalmente diversi: giunzioni ai confini di grano ceramici (MOV), plasma da ionizzazione di gas (GDT) e rottura a valanga dei semiconduttori (TVS).
MOV (Varistore a Ossido Metallico): Struttura e Principio di Funzionamento
Il Varistore a Ossido Metallico è un dispositivo semiconduttore ceramico la cui resistenza cala drasticamente all'aumentare della tensione. Questo comportamento dipendente dalla tensione lo fa agire come un limitatore di tensione automatico—conducendo fortemente durante le sovratensioni mentre rimane praticamente invisibile durante il funzionamento normale.
Architettura Interna
Un MOV è costituito da grani di ossido di zinco (ZnO) sinterizzati insieme a piccole quantità di ossidi metallici di bismuto, cobalto, manganese e altri. La magia avviene ai confini dei grani. Ogni confine tra grani adiacenti di ZnO forma una microscopica barriera Schottky—essenzialmente una minuscola giunzione diodo back-to-back. Un singolo disco MOV contiene milioni di queste micro-giunzioni connesse in una complessa rete tridimensionale serie-parallelo.
Le proprietà complessive del dispositivo emergono da questa microstruttura. Lo spessore del disco determina la tensione di funzionamento (più confini di grano in serie = tensione nominale più alta). Il diametro del disco determina la capacità di corrente (più percorsi in parallelo = corrente di sovratensione più alta). Questo è il motivo per cui i datasheet dei MOV specificano la tensione varistore per millimetro di spessore e perché i MOV ad alta energia per la distribuzione di potenza sono fisicamente grandi assemblaggi a blocco o disco.
Principio di funzionamento
A tensioni inferiori alla tensione varistore (Vᵥ), le giunzioni ai confini di grano rimangono in modalità di svuotamento e il dispositivo assorbe solo una corrente di dispersione a livello di microampere. Quando una sovratensione spinge la tensione sopra Vᵥ, le giunzioni si rompono tramite effetto tunnel quantistico e moltiplicazione a valanga. La resistenza crolla da megaohm a ohm, e il MOV devia la corrente di sovratensione a terra.
Questa transizione è intrinsecamente veloce—sub-nanosecondo a livello del materiale. I MOV standard da catalogo raggiungono tempi di risposta inferiori a 25 nanosecondi, limitati principalmente dall'induttanza dei terminali e dalla geometria del contenitore piuttosto che dalla fisica dello ZnO. La caratteristica tensione-corrente è altamente non lineare, tipicamente descritta dall'equazione I = K·Vᵅ dove il coefficiente di non linearità α varia da 25 a 50 (rispetto a α = 1 per una resistenza lineare).
Specifiche e Comportamenti Chiave
Gestione dell'Energia: I MOV eccellono nell'assorbire l'energia delle sovratensioni. I produttori classificano la capacità energetica utilizzando impulsi rettangolari da 2 millisecondi e la corrente di sovratensione utilizzando la forma d'onda standard 8/20 µs. I MOV a blocco per la distribuzione di potenza possono gestire da 10.000 a 100.000 ampere di corrente di sovratensione in eventi singoli.
Invecchiamento e Degrado: L'esposizione ripetuta a sovratensioni causa danni microstrutturali cumulativi. La tensione varistore si sposta verso il basso, la corrente di dispersione aumenta e le prestazioni di bloccaggio si degradano. Sovraccarichi pesanti possono perforare i confini di grano, creando percorsi conduttivi permanenti. Per questo motivo, i datasheet specificano fattori di derating per sovratensioni ripetitive, e le installazioni critiche dovrebbero monitorare la corrente di dispersione del MOV come parametro di manutenzione.
Applicazioni Tipiche: Protezione da sovratensioni della rete AC, quadri di distribuzione elettrica, azionamenti di motori industriali, macchinari pesanti e qualsiasi applicazione che richieda un'elevata assorbimento energetico con risposta rapida (nell'ordine dei nanosecondi).
Figura 1: Sezione di un MOV che mostra i granuli di ossido di zinco (ZnO) incorporati in una matrice ceramica con confini intergranulari (riquadro ingrandito). Ogni confine di grano forma una barriera Schottky microscopica, creando milioni di micro-giunzioni in configurazione serie-parallelo. Le dimensioni fisiche del disco—lo spessore determina la tensione nominale (più confini in serie), il diametro determina la capacità di corrente (più percorsi in parallelo)—controllano direttamente le prestazioni di protezione dalle sovratensioni.
GDT (Tubo a Scarica di Gas): Struttura e Principio di Funzionamento
Il Tubo a Scarica di Gas adotta un approccio fondamentalmente diverso: invece di limitare la tensione con una resistenza non lineare, crea un cortocircuito temporaneo quando la tensione supera una soglia. Questa azione “crowbar” (a tagliola) devia la corrente di sovratensione attraverso un gas ionizzato piuttosto che attraverso materiali allo stato solido.
Architettura Interna
Un GDT è costituito da due o tre elettrodi sigillati all'interno di un involucro ceramico o di vetro riempito con gas inerte (tipicamente una miscela di argon, neon o xeno a pressione sub-atmosferica). Lo spazio tra gli elettrodi e la composizione del gas determinano la tensione di scarica. La tenuta ermetica è fondamentale—qualsiasi contaminazione o variazione di pressione altererebbe le caratteristiche di scarica.
I GDT a tre elettrodi sono comuni nelle applicazioni telecom, fornendo protezione linea-linea e linea-terra in un singolo componente. Le versioni a due elettrodi servono per configurazioni linea-terra più semplici. Gli elettrodi sono spesso rivestiti con materiali che riducono la tensione di scarica e stabilizzano la formazione dell'arco.
Principio di funzionamento
In condizioni normali, il gas è non conduttivo e il GDT presenta un'impedenza quasi infinita (>10⁹ Ω) con una capacità estremamente bassa—tipicamente inferiore a 2 picofarad. Quando una tensione transitoria supera la tensione di innesco, il campo elettrico ionizza il gas. Gli elettroni liberi accelerano e collidono con gli atomi del gas, liberando più elettroni in un processo a valanga. In una frazione di microsecondo, si forma un canale di plasma conduttivo tra gli elettrodi.
Una volta ionizzato, il GDT entra in modalità arco. La tensione ai capi del dispositivo crolla a una bassa tensione d'arco—tipicamente 10-20 volt indipendentemente dalla tensione di scarica iniziale. Il dispositivo ora agisce come un quasi-cortocircuito, deviando la corrente di sovratensione attraverso il plasma. L'arco persiste finché la corrente non scende al di sotto della “corrente di transizione da luminescenza ad arco”, tipicamente decine di milliampere.
Questo comportamento “crowbar” crea una considerazione progettuale critica: se il circuito protetto può fornire una "corrente di seguito" sufficiente al di sopra della soglia di luminescenza, il GDT potrebbe rimanere in conduzione anche dopo la fine del transitorio. Questo è il motivo per cui i GDT sulle reti AC richiedono una resistenza in serie o un coordinamento con interruttori a monte. Su alimentatori DC a bassa impedenza, il blocco per corrente di seguito può essere catastrofico.
Specifiche e Comportamenti Chiave
Capacità di Corrente di Sovratensione: I GDT gestiscono correnti di sovratensione estremamente elevate—i dispositivi tipici di grado telecom sono classificati per 10.000 a 20.000 ampere (forma d'onda 8/20 µs) con resistenza a colpi multipli. Questa elevata capacità deriva dalla natura distribuita del canale di plasma piuttosto che da giunzioni allo stato solido localizzate.
Capacità: Il vantaggio distintivo dei GDT è la loro capacità inferiore a 2 pF, rendendoli trasparenti ai segnali ad alta velocità. Questo è il motivo per cui dominano nella protezione delle linee telecom: xDSL, banda larga via cavo e Gigabit Ethernet non tollerano la capacità dei MOV o di molti dispositivi TVS.
Il Tempo Di Risposta: I GDT sono più lenti dei dispositivi a stato solido. La scarica tipicamente avviene entro centinaia di nanosecondi o pochi microsecondi, a seconda del superamento di tensione (un dV/dt più alto accelera l'ionizzazione). Per transitori rapidi su elettronica sensibile, i GDT sono spesso accoppiati con limitatori più veloci in uno schema di protezione coordinato.
Stabilità e Durata: GDT di qualità mostrano un'eccellente stabilità a lungo termine. I metodi di prova ITU-T K.12 e IEEE C62.31 verificano le prestazioni su migliaia di cicli di sovratensione. I GDT telecom riconosciuti UL dimostrano uno spostamento minimo dei parametri nel corso di decenni di servizio.
Applicazioni Tipiche: Protezione linee telecom (xDSL, cavo, fibra ottica), interfacce Ethernet ad alta velocità, ingressi RF e antenna, e qualsiasi applicazione in cui un carico minimo sulla linea è essenziale e l'impedenza della sorgente di sovratensione è sufficientemente alta da prevenire il blocco per corrente di seguito.
Figura 2: Costruzione e comportamento operativo di un Tubo a Scarica di Gas (GDT). Il diagramma di sinistra mostra la struttura interna: camera a gas sigillata ermeticamente con spazio tra elettrodi e riempimento di gas inerte (argon/neon). Il grafico di destra illustra la risposta all'ionizzazione—quando la tensione transitoria supera la soglia di innesco, il gas si ionizza creando un canale di plasma conduttivo, la tensione crolla in modalità arco (~10-20V) e la corrente di sovratensione viene deviata attraverso il plasma finché la corrente non scende al di sotto della soglia di transizione da luminescenza ad arco.
Diodo TVS: Struttura e Principio di Funzionamento
I diodi soppressori di tensione transitoria sono dispositivi a valanga di silicio progettati specificamente per il bloccaggio delle sovratensioni. Combinano i tempi di risposta più rapidi con le tensioni di bloccaggio più basse disponibili nei componenti di protezione da sovratensione, rendendoli la scelta preferita per la protezione di circuiti a semiconduttore sensibili.
Architettura Interna
Un diodo TVS è essenzialmente un diodo Zener specializzato ottimizzato per l'alta potenza di impulso piuttosto che per la regolazione della tensione. Il die di silicio presenta una giunzione P-N fortemente drogata progettata per entrare in rottura a valanga a una tensione precisa. L'area del die è molto più grande dei regolatori Zener equivalenti per gestire le correnti di picco degli eventi di sovratensione: centinaia di ampere in impulsi submicrosecondi.
Principio di funzionamento
Sotto tensione di esercizio normale, il diodo TVS funziona in polarizzazione inversa con solo una dispersione a livello di nanoampere. Quando un transitorio supera la tensione di rottura inversa (V_BR), la giunzione di silicio entra in moltiplicazione a valanga. L'ionizzazione per impatto genera un'ondata di coppie elettrone-lacuna e la resistenza della giunzione crolla. Il dispositivo blocca la tensione al livello di rottura più la resistenza dinamica moltiplicata per la corrente di sovratensione.
La fisica è puramente allo stato solido senza movimento meccanico, ionizzazione del gas o cambiamento di fase del materiale. Ciò consente tempi di risposta nell'ordine dei nanosecondi: inferiori a 1 ns per il silicio nudo, sebbene l'induttanza del package in genere spinga la risposta effettiva a 1-5 ns per i dispositivi pratici. La caratteristica tensione-corrente è molto ripida (bassa resistenza dinamica), fornendo un bloccaggio stretto.
Specifiche e Comportamenti Chiave
Valori Nominali di Potenza di Impulso: I produttori di TVS specificano la capacità di potenza utilizzando larghezze di impulso standardizzate (tipicamente forme d'onda esponenziali 10/1000 µs). Le famiglie di prodotti comuni offrono valori nominali di impulso di 400 W, 600 W, 1500 W o 5000 W. La capacità di corrente di picco viene calcolata dalla potenza di impulso e dalla tensione di bloccaggio: un dispositivo da 600 W con blocco a 15 V gestisce circa 40 A di picco.
Prestazioni di Bloccaggio: I diodi TVS offrono le tensioni di bloccaggio più basse di qualsiasi tecnologia di protezione da sovratensione. Il rapporto tra tensione di bloccaggio e tensione di standoff (V_C/V_WM) è tipicamente da 1,3 a 1,5, rispetto a 2,0-2,5 per i MOV. Questo stretto controllo è fondamentale per proteggere la logica a 3,3 V, l'USB a 5 V, i circuiti automobilistici a 12 V e altri carichi sensibili alla tensione.
Capacità: La capacità del TVS varia ampiamente con la costruzione del dispositivo. I diodi TVS a giunzione standard possono presentare centinaia di picofarad, il che carica le linee dati ad alta velocità. Le famiglie TVS a bassa capacità progettate per HDMI, USB 3.0, Ethernet e RF utilizzano geometrie di giunzione specializzate e raggiungono meno di 5 pF per linea.
Invecchiamento e Affidabilità: A differenza dei MOV, i diodi TVS mostrano una deriva minima delle prestazioni sotto stress di impulso nominale. La giunzione di silicio non si degrada cumulativamente a causa di ripetute sovratensioni entro i valori nominali. Le modalità di guasto sono tipicamente a circuito aperto (annichilazione della giunzione) o a cortocircuito (fusione della metallizzazione), entrambi i quali si verificano solo in caso di sovraccarico estremo ben oltre i valori nominali.
Applicazioni Tipiche: Protezione del circuito a livello di scheda (porte I/O, rail di alimentazione), interfacce USB e HDMI, elettronica automobilistica, alimentatori CC, linee dati di comunicazione e qualsiasi applicazione che richieda una risposta rapida e un bloccaggio stretto della tensione per carichi a semiconduttore.
Figura 3: Curva caratteristica tensione-corrente (I-V) del diodo TVS che mostra il funzionamento a valanga del semiconduttore. Sotto tensione normale (regione di standoff V_WM), il dispositivo mantiene un'alta impedenza con dispersione a livello di nanoampere. Quando il transitorio supera la tensione di rottura inversa (V_BR), la giunzione P-N di silicio entra in moltiplicazione a valanga: la resistenza della giunzione crolla e il dispositivo blocca la tensione a V_C (tensione di rottura più resistenza dinamica × corrente di sovratensione). La curva ripida (bassa resistenza dinamica) fornisce uno stretto controllo della tensione, fondamentale per proteggere i carichi a semiconduttore.
Bloccaggio vs Crowbar: Due Filosofie di Protezione
La differenza fondamentale tra queste tecnologie risiede nella loro filosofia di protezione. I MOV e i diodi TVS sono dispositivi di bloccaggio—limitano la tensione a un livello specifico proporzionale alla corrente di sovratensione. I GDT sono dispositivi crowbar—creano un cortocircuito che fa crollare la tensione a un basso livello residuo indipendentemente dall'entità della corrente.
Comportamento di bloccaggio (MOV e TVS): All'aumentare della corrente di sovratensione, la tensione di bloccaggio aumenta in base alla curva V-I non lineare del dispositivo. Un MOV con valore nominale di 275 V RMS potrebbe bloccarsi a 750 V per una sovratensione di 1 kA, ma salire a 900 V a 5 kA. Un diodo TVS con valore nominale di standoff di 15 V potrebbe bloccarsi a 24 V per 10 A, ma raggiungere 26 V a 20 A. Il carico protetto vede una tensione determinata dall'ampiezza della sovratensione e dalle caratteristiche del dispositivo.
Comportamento crowbar (GDT): Una volta che si verifica la rottura, il GDT entra in modalità arco e la tensione crolla a 10-20 V indipendentemente dal fatto che la corrente di sovratensione sia di 100 A o 10.000 A. Ciò fornisce un'eccellente protezione una volta attivato, ma l'innesco iniziale può consentire un picco di tensione prima che l'ionizzazione sia completa. Questo è il motivo per cui i carichi sensibili dietro i GDT spesso necessitano di un blocco rapido secondario.
Ogni filosofia si adatta a diverse applicazioni. I dispositivi di bloccaggio proteggono limitando l'esposizione alla tensione. I dispositivi crowbar proteggono deviando la corrente. Il bloccaggio funziona quando il circuito protetto può tollerare la tensione di bloccaggio. Il crowbar funziona quando la sorgente di sovratensione ha un'impedenza sufficientemente alta da non danneggiare le apparecchiature a monte o causare problemi di corrente susseguente cortocircuitando la linea.
MOV vs GDT vs TVS: Confronto Affiancato
La tabella seguente quantifica le principali differenze di prestazioni tra queste tre tecnologie di protezione da sovratensione:
| Parametro | MOV (Varistore a Ossido di Metallo) | GDT (Tubo a Scarica di Gas) | Diodo TVS |
| Principio di funzionamento | Resistenza non lineare dipendente dalla tensione (bordi dei grani di ZnO) | Crowbar a ionizzazione di gas | Rottura a valanga del semiconduttore |
| Meccanismo di protezione | Bloccaggio | Crowbar | Bloccaggio |
| Il Tempo Di Risposta | <25 ns (parti tipiche a catalogo) | 100 ns – 1 µs (dipendente dalla tensione) | 1-5 ns (limitato dal package) |
| Tensione di Bloccaggio/Arco | 2,0-2,5 × MCOV | 10-20 V (modalità arco) | 1,3-1,5 × V_standoff |
| Corrente di Sovratensione (8/20 µs) | 400 A – 100 kA (dipendente dalle dimensioni) | 5 kA – 20 kA (grado telecom) | 10 A – 200 A (famiglia 600 W ~40 A) |
| Gestione dell'Energia | Eccellente (100-1000 J) | Eccellente (plasma distribuito) | Moderato (limitato dalla giunzione) |
| Capacità | 50-5000 pF (dipendente dall'area) | <2 pF | 5-500 pF (dipendente dalla costruzione) |
| Comportamento di Invecchiamento | Si degrada con i cicli di sovratensione; V_n va alla deriva verso il basso | Stabile su migliaia di sovratensioni | Deriva minima entro i valori nominali |
| Modalità di Guasto | Degradazione → corto o aperto | Corto (arco sostenuto) | Aperto o corto (solo catastrofico) |
| Rischio di corrente susseguente | Basso (autoestinguente) | Alto (richiede limitazione esterna) | Nessuno (a stato solido) |
| Intervallo di tensione tipico | 18 V RMS – 1000 V RMS | 75 V – 5000 V scarica disruptiva CC | 3,3 V – 600 V di tenuta |
| Costo (relativo) | Basso (0,10 € – 5 €) | Medio-basso (0,50 € – 10 €) | Medio-basso (0,20 € – 8 €) |
| Standard | IEC 61643-11, UL 1449 | ITU-T K.12, IEEE C62.31 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| Le Principali Applicazioni | Rete CA, distribuzione di energia, industriale | Linee di telecomunicazione, dati ad alta velocità, antenna | I/O a livello di scheda, alimentatori CC, automotive |
Punti chiave del confronto
MOV offrono il miglior equilibrio tra gestione dell'energia, risposta rapida e costo per le sovratensioni a livello di potenza. Dominano la protezione della rete CA, ma soffrono di caricamento capacitivo sui circuiti ad alta frequenza e di invecchiamento cumulativo sotto stress ripetuto.
GDT eccellono dove il caricamento minimo della linea è fondamentale e la capacità di corrente di picco deve essere massimizzata. La loro capacità ultra-bassa li rende insostituibili nelle applicazioni di telecomunicazione e RF, ma la risposta più lenta e il rischio di corrente susseguente richiedono un'attenta progettazione del circuito.
Diodi TVS forniscono il bloccaggio più rapido e stretto per l'elettronica sensibile. Sono l'unica scelta pratica per proteggere l'I/O dei semiconduttori a tensioni inferiori a 50 V, ma la capacità energetica limitata significa che non possono gestire le sovratensioni a livello di fulmine che MOV e GDT assorbono abitualmente.
Figura 4: Grafico di confronto professionale che mette a confronto le tecnologie MOV (varistore a ossido di metallo) e TVS (soppressore di tensione transitoria) in base alle specifiche chiave. I MOV mostrano rapporti di tensione di bloccaggio più elevati (2,0-2,5× MCOV) con un eccellente assorbimento di energia per le sovratensioni a livello di potenza, mentre i diodi TVS offrono un controllo di tensione più stretto (1,3-1,5× standoff) con una risposta più rapida (<5 ns) per la protezione dei semiconduttori. La tabella include valori di tensione, capacità di corrente di picco ed esempi tipici di numeri di parte che dimostrano gli inviluppi di prestazioni complementari di ciascuna tecnologia.
Guida alla selezione della tecnologia: quando utilizzare ciascuna
La scelta della giusta tecnologia di protezione contro le sovratensioni dipende dall'abbinamento delle caratteristiche del dispositivo ai requisiti del circuito. Ecco un quadro decisionale:
Utilizzare MOV quando:
- La tensione del circuito è di rete CA o CC ad alta tensione (>50 V): I MOV sono disponibili con valori di tensione da 18 V RMS a oltre 1000 V, perfettamente corrispondenti alla distribuzione di energia residenziale (120/240 V), commerciale (277/480 V) e industriale.
- L'energia di sovratensione è elevata: Le sovratensioni indotte da fulmini, i transitori di commutazione delle utenze e lo spunto del motore producono livelli di energia (da centinaia a migliaia di joule) che solo i MOV possono assorbire economicamente.
- Il tempo di risposta <25 ns è accettabile: La maggior parte dell'elettronica di potenza e delle apparecchiature industriali tollera la velocità di risposta del MOV.
- Il caricamento capacitivo è accettabile: Alle frequenze di alimentazione (50/60 Hz), anche una capacità di 1000 pF è trascurabile.
- Il costo è limitato: I MOV offrono il costo per joule di protezione più basso.
Evitare i MOV quando si proteggono linee di comunicazione ad alta velocità (caricamento capacitivo), circuiti a semiconduttore a bassa tensione (tensione di bloccaggio troppo alta) o applicazioni che richiedono prestazioni garantite senza deriva per decenni (problemi di invecchiamento).
Utilizzare GDT quando:
- Il caricamento della linea deve essere minimo (<2 pF): Modem xDSL, banda larga via cavo, Gigabit Ethernet, ricevitori RF e ingressi antenna non possono tollerare la capacità dei MOV o dei dispositivi TVS standard.
- La capacità di corrente di picco deve essere massimizzata: Le centrali telefoniche, le torri cellulari e le installazioni esterne devono affrontare ripetute sovratensioni di fulmini ad alta ampiezza che superano i valori nominali TVS.
- Il circuito protetto ha un'alta impedenza di sorgente: Le linee telefoniche (600Ω), le linee di alimentazione dell'antenna (50-75Ω) e i cavi dati possono essere cortocircuitati in sicurezza senza un'eccessiva corrente susseguente.
- La tensione di esercizio è alta (>100 V): I GDT sono disponibili con tensioni di scarica disruptiva da 75 V a 5000 V, che coprono tensioni di telecomunicazione, PoE (Power over Ethernet) e segnalazione ad alta tensione.
Evitare i GDT quando si proteggono alimentatori CC a bassa impedenza (rischio di corrente susseguente), circuiti che richiedono la risposta più rapida (meno di 100 ns critici) o carichi sensibili alla tensione che non possono tollerare il picco iniziale di scarica disruptiva (necessita di bloccaggio secondario).
Utilizzare il diodo TVS quando:
- La tensione di bloccaggio deve essere strettamente controllata: La logica a 3,3 V, l'USB a 5 V, i circuiti automobilistici a 12 V e altri carichi a semiconduttore richiedono un bloccaggio entro il 20-30% della tensione nominale: solo i diodi TVS lo forniscono.
- Il tempo di risposta deve essere il più veloce (<5 ns): La protezione di processori ad alta velocità, FPGA e circuiti analogici sensibili richiede una risposta in nanosecondi.
- La tensione del circuito è da bassa a media (<100 V): Le famiglie TVS coprono tutto, dalle linee dati a 3,3 V agli alimentatori di telecomunicazione a 48 V.
- L'invecchiamento/deriva non può essere tollerato: I dispositivi medici, aerospaziali e i sistemi critici per la sicurezza richiedono una protezione prevedibile e stabile per tutta la durata del prodotto.
- Lo spazio sulla scheda è limitato: I dispositivi TVS SMT in package 0402 o SOT-23 si adattano dove MOV e GDT non possono.
Evitare i diodi TVS quando l'energia di sovratensione supera la potenza nominale dell'impulso (un dispositivo tipico da 600 W assorbe solo ~1 joule), la corrente di sovratensione supera la corrente nominale di picco (40 A tipici per 600 W a 15 V) o il costo per canale diventa proibitivo nei sistemi multi-linea.
Matrice decisionale
| Applicazione | Tecnologia primaria | Motivazione |
| Protezione del pannello di alimentazione CA | MOV (SPD di tipo 1/2) | Alta energia, 120-480 V, conveniente |
| Interfaccia linea telecom | GDT + TVS (a stadi) | GDT assorbe energia, TVS blocca il residuo |
| Linee dati USB 2.0 / 3.0 | TVS a bassa capacità | Bordi veloci, alimentazione a 5 V, <5 pF richiesti |
| Ethernet (10/100/1000 Base-T) | GDT (primario) + TVS a bassa capacità | Carico minimo, elevata esposizione alle sovratensioni |
| I/O industriale a 24 V CC | TVS | Bloccaggio stretto, risposta rapida, nessun invecchiamento |
| Ingresso CC solare fotovoltaico | MOV (con classificazione CC) | Alta tensione (600-1000 V), alta energia |
| Circuiti automobilistici a 12 V | TVS | Protezione da scarico del carico, bloccaggio stretto a 24-36 V |
| Ingresso antenna RF | MDT | Sub-2 pF, elevata gestione della potenza |
| Rail di alimentazione FPGA a 3,3 V | TVS (a bassa capacità) | Bloccaggio a 6-8 V, risposta <1 ns critica |
Questa matrice è un punto di partenza. Le installazioni complesse spesso combinano tecnologie in schemi di protezione a strati, sfruttando i punti di forza di ogni fase.
Figura 5: Diagramma di architettura di protezione da sovratensioni professionale a tre stadi che illustra la strategia di protezione coordinata. Stadio 1 (Primario): SPD MOV di tipo 1 all'ingresso di servizio gestisce l'energia di sovratensione estrema (40-100 kA) e blocca la tensione da 10+ kV a ~600 V. Stadio 2 (Secondario): Il tubo a scarica di gas devia i transienti residui ad alta tensione e riduce la tensione a ~30 V attraverso il funzionamento in modalità arco. Stadio 3 (Finale): Il diodo TVS fornisce un bloccaggio stretto (tensione di tenuta <1,5×) con risposta in nanosecondi per proteggere i carichi a semiconduttore sensibili. Ogni stadio presenta una corretta messa a terra e un coordinamento della tensione per garantire che i dispositivi a monte si attivino prima dei componenti a valle, creando chiari punti di “handoff” che distribuiscono l'energia di sovratensione attraverso la cascata di protezione. Questo approccio a strati sfrutta i punti di forza complementari delle tecnologie MOV (alta energia), GDT (bassa capacità) e TVS (bloccaggio stretto).
Protezione a strati: combinazione di tecnologie
Le architetture di protezione da sovratensioni più robuste non si basano su una singola tecnologia. Invece, coordinano più stadi, ciascuno ottimizzato per una diversa porzione dello spettro di minacce. Questo approccio di “difesa in profondità” sfrutta i punti di forza complementari delle tecnologie MOV, GDT e TVS.
Perché la protezione a strati?
Distribuzione dell'energia: Un singolo diodo TVS non può assorbire una sovratensione da fulmine di 10 kA, ma un GDT a monte può deviare il 99% di tale energia, lasciando al TVS il compito di bloccare il residuo. Ogni stadio gestisce ciò che sa fare meglio.
Ottimizzazione della velocità: Un GDT impiega centinaia di nanosecondi per ionizzarsi. Durante questo periodo, un TVS veloce a valle può bloccare il picco iniziale, prevenendo danni ai carichi sensibili. Una volta che il GDT si attiva, assume il compito di deviazione della corrente di massa.
Coordinamento della tensione: Il dispositivo a monte deve interrompersi prima del dispositivo a valle. Una selezione corretta garantisce che il primo stadio conduca, ad esempio, a 600 V, limitando ciò che raggiunge il secondo stadio (con classificazione 150 V), che a sua volta protegge il carico finale (con classificazione 50 V).
Architetture a strati comuni
Interfaccia telecom (GDT + TVS):
- Stadio primario: Il GDT al confine dell'interfaccia gestisce i fulmini diretti e i guasti di alimentazione ad alta tensione (sovratensioni da 2 a 10 kV, fino a 20 kA).
- Stadio secondario: Il diodo TVS a bassa capacità blocca i transienti residui a livelli di sicurezza per il ricetrasmettitore IC (<30 V).
- Coordinamento: Scintillamento GDT a 400 V, interruzione TVS a 15 V, classificazione massima del ricetrasmettitore 12 V. Il TVS protegge durante il ritardo di ionizzazione del GDT; una volta che il GDT si attiva, assume il compito di corrente di massa.
Ethernet PoE (GDT + TVS + Induttore):
- Primario: Il GDT devia le sovratensioni da fulmine da linea a terra.
- Induttore in serie: Rallenta il tempo di salita della sovratensione (dV/dt), dando al GDT il tempo di ionizzarsi e limitando la corrente negli stadi a valle.
- Secondario: I diodi TVS su ogni coppia differenziale bloccano i transienti di modo comune e di modo differenziale per proteggere il PHY Ethernet (±8 V max).
Pannello CA industriale (MOV primario + MOV secondario):
- Ingresso di servizio: MOV di tipo 1 con classificazione 40-100 kA gestisce i fulmini diretti (forme d'onda di tensione 1,2/50 µs, corrente 10/350 µs secondo IEC 61643-11).
- Pannello di distribuzione: MOV di tipo 2 con classificazione 20-40 kA blocca le sovratensioni residue che si accoppiano attraverso il cablaggio dell'edificio.
- Apparecchiatura di carico: SPD di tipo 3 o TVS a livello di scheda fornisce la protezione finale nel punto di utilizzo.
Sistema solare fotovoltaico (MOV CC + TVS):
- Scatola di giunzione dell'array: MOV con classificazione CC (600-1000 V) sull'uscita della stringa FV gestisce le sovratensioni indotte da fulmini.
- Ingresso inverter: I diodi TVS proteggono il convertitore CC-CC e i semiconduttori del controller MPPT, bloccando a livelli a cui il silicio può sopravvivere.
La chiave per una coordinazione efficace è selezionare tensioni di breakdown che creino chiari punti di “handoff” e verificare che l'energia passante da uno stadio rimanga entro i limiti nominali dello stadio successivo. I produttori di sistemi SPD completi (come VIOX) spesso pubblicano assemblaggi testati e coordinati che eliminano questa complessità di progettazione.
Conclusione
La selezione dei componenti di protezione contro le sovratensioni non consiste nel trovare la tecnologia “migliore”, ma nell'abbinare la fisica ai requisiti. I MOV sfruttano la ceramica di ossido di zinco per assorbire l'alta energia alle tensioni di alimentazione. I GDT sfruttano l'ionizzazione del gas per ottenere un carico di linea minimo con la massima capacità di corrente. I diodi TVS sfruttano l'effetto valanga dei semiconduttori per un bloccaggio più rapido e preciso dell'elettronica sensibile.
Ogni tecnologia rappresenta un compromesso fondamentale:
- I MOV scambiano una tensione di bloccaggio più alta e l'invecchiamento con un'eccellente gestione dell'energia e costi contenuti.
- I GDT scambiano una risposta più lenta e il rischio di corrente susseguente con una capacità ultra-bassa e resistenza alle sovratensioni.
- I diodi TVS scambiano una capacità di energia limitata con la risposta più rapida e il controllo della tensione più preciso.
Comprendere questi compromessi, radicati nei principi operativi che abbiamo esaminato, consente di specificare una protezione che funzioni effettivamente nella propria applicazione. Un MOV da 600 V su una linea dati da 5 V non proteggerà. Un diodo TVS da 40 A di fronte a una sovratensione da fulmine di 10 kA fallirà catastroficamente. Un GDT su un'alimentazione CC a bassa impedenza può bloccarsi in una conduzione di corrente susseguente distruttiva.
Per installazioni complesse, la protezione a strati coordina più tecnologie, posizionando ciascuna dove si comporta meglio. Il GDT assorbe l'energia di massa, il MOV gestisce le sovratensioni a livello di potenza e il TVS fornisce il bloccaggio finale per i carichi a semiconduttore.
Sia che si stia progettando un SPD di distribuzione dell'energia classificato per 100 kA secondo IEC 61643-11, proteggendo un'interfaccia Gigabit Ethernet con un carico inferiore a 2 pF o salvaguardando I/O FPGA da 3,3 V, il quadro decisionale è lo stesso: abbinare la fisica del dispositivo ai requisiti del circuito, verificare le valutazioni rispetto alle forme d'onda di minaccia e coordinare gli stadi quando una singola tecnologia non può coprire l'intero spettro.
Informazioni su VIOX ElectricIn qualità di produttore leader di dispositivi di protezione contro le sovratensioni, VIOX offre soluzioni complete MOV, GDT e TVS per applicazioni residenziali, commerciali e industriali. Il nostro team di ingegneri fornisce supporto applicativo per sistemi di protezione coordinati. Visita www.viox.com o contatta il nostro team di vendita tecnica per assistenza sulle specifiche.
