Protección de entradas

01 · Punto de partida

El pin vale más que el descuido

En el Tema 9 pusimos una protección sencilla (serie y clamp) en la cadena del ADC. Ahora le dedicamos un tema entero, porque es de las partes del diseño donde lo barato se vuelve caro: una entrada sin defensa funciona hoy y muere el día que alguien conecta un cable equivocado.

Para un programador: es la validación de entradas en la frontera de un servicio. Nadie espera que los datos hostiles lleguen todos los días, pero un solo caso sin validar puede tirar todo el sistema. Y como en software, hay tres capas: limitar el daño por unidad de tiempo, recortar los valores fuera de rango y absorber el ataque brutal.

• ¿Qué amenazas existen y cuánta energía traen?
• ¿Cómo se dimensiona el resistor en serie en corriente y en potencia?
• ¿Clamp a los rieles o Zener a masa? ¿Y cuándo un TVS?
• ¿Cómo se verifica una protección sin romper nada?

02 · Amenazas

Qué puede pasarle a una entrada

No todas las amenazas se parecen, y por eso no alcanza una sola defensa. La tabla las ordena por duración y energía, que es lo que decide qué componente las para.

Fijate en las duraciones. Una ESD dura nanosegundos y trae una corriente enorme (amperios) pero poca energía total: la para un componente rápido. Una sobretensión sostenida trae poca corriente pero dura: el problema no es el pico sino el calentamiento en el resistor y el diodo. Son dos problemas de naturaleza distinta, y por eso cada componente tiene su lugar.

03 · Serie

El resistor en serie: tres límites, no uno

El resistor en serie es la defensa más simple y la más útil: convierte un problema de tensión (que no podés controlar) en uno de corriente (que sí). Pero para elegirlo hay que respetar tres límites a la vez, y casi todos los esquemas mencionan solo uno.

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   Límite de corriente en el clamp.

   La corriente de falla es I = (Vfalla − Vclamp) / R. Los diodos de protección internos de un microcontrolador suelen aceptar del orden de 1 mA (es un dato de la hoja); un diodo externo, mucho más (un Schottky pequeño soporta decenas a cientos de mA).

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   Límite de potencia en el resistor.

   P = (Vfalla − Vclamp)² / R. Un resistor de 1/4 W no puede disipar sostenidamente 0,35 W. Por la regla del doble (Tema 1 del curso de componentes), conviene no pasar la mitad de su potencia nominal: 125 mW.

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   Límite de funcionamiento normal.

   La serie suma impedancia de fuente (Tema 10) y forma un RC con la capacidad del pin (Tema 9). Con 100 kΩ el error de fuga del ADC es de 20 escalones; con 1 kΩ, 0,2. Una serie enorme, aunque proteja, arruina la señal.

La tercera fila es la que sorprende: 1 kΩ con un clamp externo parece una protección razonable, pero ante 24 V sostenidos el resistor disipa 350 mW y se recalienta hasta dañarse. La corriente se resolvió con el diodo externo, pero la potencia en el resistor no. Con una falla sostenida, hay que mirar la potencia.

04 · Clamp y Zener

Clamp a los rieles y Zener a masa

El clamp recorta la tensión que llega al pin. Hay dos maneras habituales de hacerlo:

Dos diodos Schottky a los rieles

Uno desde el pin a 5 V y otro desde masa al pin. Si el pin sube por encima de 5 V + 0,3 V, el primero conduce y desvía la corriente hacia la alimentación; si baja de −0,3 V, el segundo la desvía a masa. En uso normal (0 a 5 V) no conducen. Dejan pasar entre −0,3 y 5,3 V. Bajan poco la tensión de recorte y son rápidos.

Zener a masa (con serie)

Un Zener de 5,1 V desde el pin a masa recorta lo que pase de 5,1 V (y, por su diodo directo, lo que baje de −0,7 V). Disipa potencia sostenida: PZ = VZ × I. Con 24 V, 10 kΩ de serie: I = 1,89 mA, P_R = 36 mW y P_Z = 10 mW. Todo frío.

La diferencia importante es adónde va la corriente. El Zener la manda a masa, que acepta lo que sea. El clamp al riel de 5 V la manda a la alimentación, y ahí hay un problema que casi nunca se menciona:

La fuga del Zener importa en entradas de alta impedancia: si la señal llega a 4,5 V y el Zener de 5,1 V ya deja pasar unos microamperios, esos microamperios, multiplicados por la resistencia de la fuente, son un error de lectura (Tema 10). Un Zener se elige con su tensión al menos 1 V por encima de la señal máxima.

05 · TVS y ESD

TVS y descarga electrostática

Un TVS (transient voltage suppressor) es un diodo parecido a un Zener, pero diseñado para absorber corrientes enormes durante tiempos muy cortos (nanosegundos a microsegundos). Está pensado para transitorios, no para continua: una tensión sostenida lo cocina.

Qué trae una descarga electrostática

Cuando tocás un conector con los dedos después de caminar, descargás un capacitor (tu cuerpo) a través de una resistencia. El modelo normalizado de prueba, el modelo del cuerpo humano (HBM), es 100 pF cargados a una tensión V que se descargan por 1,5 kΩ. De ahí salen la corriente pico, la duración y la energía:

Dos lecciones. La primera: la energía de la descarga es siempre la misma (0,8 mJ, muy poca); lo que cambia es cuán rápido se entrega, y por tanto la corriente pico. La segunda: un pin típico se especifica como «2 kV HBM», que equivale a unos 1,3 A de pico; con 4 kV y apenas 1 kΩ en serie, la corriente (1,6 A) supera lo que el pin aguanta, y con 10 kΩ (0,35 A) quedás muy por debajo. Una serie alta ayuda mucho contra ESD, aunque no es garantía: el modelo real tiene arcos y capacidades parásitas.

El TVS por sí solo tampoco alcanza. Un TVS de 5 V típico recorta recién a unos 9 o 10 V durante la descarga (su tensión de recorte), muy por encima del máximo del pin (alrededor de 6 V). Por eso se usa junto con la serie y el clamp: el TVS absorbe la corriente grande y la serie y el clamp hacen el ajuste fino. Es la protección en dos etapas de la sección 07.

Y hábitos que cuestan cero: tocar una masa antes de manipular placas, guardarlas en bolsas antiestáticas, no frotar plásticos cerca de circuitos abiertos.

06 · Inversión

Inversión de polaridad: la protección de la fuente

Conectar una batería o una fuente al revés es el accidente más común en un proyecto casero, y es de otra naturaleza: no es una señal que entra a un pin sino una alimentación entera en sentido contrario, con amperios. Una serie de 10 kΩ no sirve: hace falta bloquear la corriente por completo.

La caída del diodo no es gratis. Con una pila de 9 V y un consumo de 300 mA, un 1N4007 pierde 0,7 V (te deja 8,3 V) y disipa 210 mW; un Schottky pierde la mitad. Con 100 mA los números se achican. En proyectos de baja tensión (3,3 V), 0,7 V es una parte importante del presupuesto: ahí conviene el MOSFET.

07 · Diseño

Protección en dos etapas y verificación

Las entradas expuestas de verdad (cables largos, entornos industriales, conectores accesibles) combinan las defensas en el orden en que actúan sobre el tiempo:

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   Primera etapa: el TVS, pegado al conector.

   Recorta la descarga grande en nanosegundos y la desvía a masa por un camino corto. Su corriente no pasa por la placa.

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   Segunda etapa: serie y clamp, pegados al pin.

   El resistor limita lo que sobrevivió al TVS y el clamp lo recorta a 5,3 V. Un detalle de layout: el camino de las corrientes grandes debe estar lejos de las pistas de señal.

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   Para sobretensión sostenida: dimensionar la potencia.

   Lo que el TVS no puede sostener (continua) lo resuelve el Zener con su serie, con la potencia verificada.

Verificar sin romper

La protección se prueba antes de conectar el pin a algo caro, nunca con el micro puesto:

• Fuente con límite de corriente. Con una fuente regulable limitada a 20 o 30 mA, conectá la entrada protegida y subí la tensión de 0 a 12 V (y a −12 V) mientras medís el nodo del pin con el multímetro. Tiene que recortar donde calculaste.
• Medí la corriente. Tomá el valor de corriente de la fuente a 12 y 24 V: tiene que coincidir con (V − Vclamp)/R.
• Tocá los componentes tras unos minutos. Si el resistor serie o el Zener están calientes, el diseño está sobre los límites de potencia.
• Revisá la señal normal. Con la señal entre 0 y 5 V, la protección no debe alterar la lectura (comparar con y sin ella, Tema 10).

08 · Simuladores

Dos experimentos: sobretensión sostenida y descarga electrostática

El primero muestra qué ve el pin ante una tensión de falla según la serie y el tipo de clamp, y avisa cuando algo se sobrecarga. El segundo reproduce una descarga electrostática y qué corriente llega al pin con y sin TVS.

Recorrido guiado (8 minutos)

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   Pestaña ①, «12 V con Schottky» (1 kΩ).

   El pin ve 5,3 V y por la serie circulan 6,7 mA y 45 mW. La corriente va a la alimentación por el diodo externo. Todo bien: protegido.

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   Pasá a «24 V con 1 kΩ».

   La corriente es 18,7 mA, que el Schottky aguanta, pero el resistor disipa 350 mW: pasa su potencia de 1/4 W y se quema. Aparece el aviso. Fue la parte que olvida el que solo mira corrientes.

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   Pasá a «24 V con Zener» (10 kΩ).

   El pin ve 5,1 V, la corriente es 1,89 mA, el resistor disipa 35 mW y el Zener 10 mW, y la corriente va a masa. Frío y seguro, aún sostenido.

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   Pasá a «12 V sin protección».

   Sin clamp externo, los diodos internos del micro toman 6,4 mA, más que el miliamperio que soportan: aparece el aviso de daño. Subí la serie a 10 kΩ y baja a 0,64 mA: la serie sola protege con los diodos internos.

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   Pasá a «12 V con micro dormido».

   El Schottky vuelve a conducir 6,7 mA hacia la alimentación, pero el circuito consume solo 20 µA: el exceso sube el riel y el aviso lo marca. Cambiá a Zener a masa y se resuelve.

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   Pasá a «Pila al revés (−9 V)».

   En una entrada, el clamp inferior recorta a −0,3 V con 8,7 mA, y el pin sobrevive. Pero para la alimentación entera de una pila invertida no basta: ahí hace falta el diodo de la sección 06.

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   Pestaña ②, 4 kV, 1 kΩ, sin TVS.

   La corriente pico es 1,6 A, por encima de los 1,3 A de un pin «2 kV HBM». Subí la serie a 10 kΩ: baja a 0,35 A.

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   Activá el TVS con 8 kV.

   El TVS toma los 5 A de la descarga y a la serie le llega una tensión de 9 V: con 1 kΩ, el pin ve unos 3,7 mA. Sin serie (R = ninguno), el pin quedaría a 9 V: el TVS solo no alcanza.

Preguntas para pensar

1. ¿Por qué una serie de 10 kΩ no sirve contra una pila invertida?
2. ¿Qué protege contra 24 V sostenidos: el clamp a rieles o el Zener? ¿Por qué?
3. ¿Qué papel cumple la serie cuando ya hay un TVS?

09 · En código

Dimensionar la protección con Python

Cuatro herramientas: el resistor serie con sus tres límites, la tensión del pin para distintas protecciones, la descarga electrostática y la pérdida del diodo de inversión.

Paso 1: el resistor serie

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]


def e12_arriba(valor):
    candidatos = sorted(b * 10 ** d for d in range(0, 7) for b in E12)
    return next(c for c in candidatos if c >= valor * 0.999)


def serie(v_falla, v_clamp=5.3, i_max_ma=1.0, p_resistor_w=0.25):
    r_min = (v_falla - v_clamp) / (i_max_ma / 1000)
    r = e12_arriba(r_min)
    i = (v_falla - v_clamp) / r
    p = (v_falla - v_clamp) * i
    estado = "OK" if p <= p_resistor_w / 2 else "EXCEDE la regla del doble"
    print(f"Falla de {v_falla} V sostenida: R >= {r_min:,.0f} ohm -> {r:,.0f} ohm; I = {i * 1000:.2f} mA, P_R = {p * 1000:.0f} mW ({estado})")
    return r


serie(12)
serie(24)
serie(24, i_max_ma=20, p_resistor_w=0.25)    # con un clamp externo que tolera 20 mA
print("Con 1 kΩ y 24 V:", f"I = {(24 - 5.3) / 1000 * 1000:.1f} mA, P_R = {(24 - 5.3) ** 2 / 1000 * 1000:.0f} mW")

La tercera línea es la trampa: con un clamp externo se podría usar 1 kΩ (18,7 mA), pero el resistor disipa 350 mW y excede la regla del doble. Probá serie(24, i_max_ma=5): el resistor sube a 3,9 kΩ y la potencia cae.

Paso 2: lo que ve el pin

def pin_con_clamp(vin, r_serie, v_bajo, v_alto):
    # Tensión que llega al pin y corriente por la serie, con un clamp que recorta a [v_bajo, v_alto]
    vpin = max(v_bajo, min(v_alto, vin))
    corriente = (vin - vpin) / r_serie
    return vpin, corriente


print("Schottky a los rieles (clamp a -0,3 V y 5,3 V), serie de 1 kΩ:")
for vin in (-12, -5, 0, 2.5, 5, 12, 24):
    vpin, i = pin_con_clamp(vin, 1e3, -0.3, 5.3)
    print(f"  Vin = {vin:>5} V -> pin {vpin:5.2f} V, corriente {i * 1000:6.2f} mA")
print("Zener de 5,1 V a masa (clamp a -0,7 V y 5,1 V), serie de 10 kΩ:")
for vin in (-12, 12, 24):
    vpin, i = pin_con_clamp(vin, 10e3, -0.7, 5.1)
    print(f"  Vin = {vin:>5} V -> pin {vpin:5.2f} V, corriente {i * 1000:6.2f} mA, Zener {5.1 * abs(i) * 1000 if vin > 0 else 0:.1f} mW")

En el rango normal (0 a 5 V) el pin sigue a la entrada sin corriente: la protección es invisible. Fuera de él, recorta. Con −12 V y Zener hay −1,1 mA: los diodos internos también conducirían, así que en señales bipolares conviene agregar un Schottky a masa.

Paso 3: la descarga electrostática

import math


def esd_hbm(v_esd, r_serie=0.0, v_clamp=5.3, c=100e-12, r_cuerpo=1500.0):
    # Modelo de cuerpo humano: 100 pF cargados a v_esd que se descargan a través de 1,5 kΩ
    r_total = r_cuerpo + r_serie
    pico = (v_esd - v_clamp) / r_total
    tau = r_total * c
    energia = 0.5 * c * v_esd ** 2
    print(f"ESD de {v_esd / 1000:g} kV con serie de {r_serie / 1e3:g} kΩ: pico {pico:.2f} A, tau {tau * 1e9:.0f} ns, "
          f"energía {energia * 1e3:.2f} mJ")
    return pico


for r in (0, 1e3, 10e3, 22e3):
    esd_hbm(4000, r)
print("Capacidad típica de un pin ('2 kV HBM'):", f"{(2000 - 5.3) / 1500:.2f} A de pico")

La energía (0,8 mJ) no cambia con la serie; la corriente pico sí. ¿Qué serie hace falta para que un pin de «2 kV HBM» resista una descarga de 8 kV? (Pista: pico ≤ 1,33 A.)

Paso 4: lo que cuesta el diodo de inversión

def perdida_inversion(i_a, v_directa):
    return i_a * v_directa


for nombre, vf in (("1N4007 (silicio)", 0.7), ("Schottky", 0.35)):
    for i in (0.1, 1.0):
        print(f"{nombre}: con {i} A pierde {vf} V y disipa {perdida_inversion(i, vf) * 1000:.0f} mW")

A 1 A, el 1N4007 disipa 700 mW: caliente. En una alimentación de 3,3 V, 0,7 V son el 21 % del presupuesto. Ahí se justifica un MOSFET de canal P.

10 · Analogía de programador

Validación en la frontera

Y la regla más valiosa de ambos mundos es la misma: las defensas se prueban con el ataque, no con el caso feliz. Un fuzz test del hardware es subir la tensión de la entrada hasta el límite con una fuente limitada en corriente.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios de defensa

Ejercicio 1: serie para 24 V

Con serie(24): ¿R mínima y E12? ¿Corriente y potencia reales? ¿Cumple la regla del doble en un resistor de 1/4 W?

Ejercicio 2: la serie de 1 kΩ con 24 V

Con un clamp externo que tolera hasta 200 mA, ¿qué pasa si dejás 1 kΩ en serie ante 24 V sostenidos? Proponé una serie mejor.

Ejercicio 3: ESD de 8 kV

Un pin «2 kV HBM» soporta 1,33 A de pico. ¿Qué resistor serie lo protege de una descarga de 8 kV sin usar TVS?

Ejercicio 4: el diodo de inversión

Una pila de 9 V alimenta un circuito de 300 mA. ¿Cuánta tensión y potencia se pierden con un 1N4007 y con un Schottky? ¿Qué tensión inversa mínima debe tener el diodo?

Ejercicio 5: auditar un pulsador remoto

Un pulsador a 3 m de la placa, con cable común, entra a un pin de 5 V. ¿Qué defensas pondrías, en qué orden y por qué?

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 13?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Calcular corriente y potencia de un resistor serie ante una falla dada.
• Elegir entre clamp a rieles y Zener, y explicar el problema del riel que no absorbe.
• Explicar por qué la serie alta protege contra ESD.
• Describir la protección en dos etapas y el orden de sus piezas.
• Elegir una solución contra la inversión de polaridad y calcular su pérdida.
• Verificar una protección sin dañar nada.

Entradas blindadas. Ahora, a convertir variaciones diminutas en señales útiles: en el próximo tema, el puente de Wheatstone y el taller del bloque.