Protección contra sobretensiones de rayos para electrónica

Mark Harris

| & nbsp Creado: 7 de abril de 2021 & nbsp | & nbsp

Actualizado: 7 de abril de 2021

Protección contra sobretensiones de rayos para electrónica

En un día despejado, el suelo suele tener una ligera carga negativa con una carga positiva correspondiente en la atmósfera superior. Esto genera una intensidad de campo eléctrico promedio en todo el mundo del orden de 120 V / m. En comparación, justo antes de que se descargue a través de un rayo, una nube de tormenta genera una intensidad de campo eléctrico del orden de 25 kV / m. Esto crea una diferencia de potencial entre esta nube y el suelo u otras nubes cargadas en el rango de diez a cien millones de voltios. Un campo de tal intensidad puede causar la ionización de moléculas de aire entre las cargas positivas y negativas, creando un canal conductor a lo largo del cual puede viajar el rayo. Si bien la mayoría de los canales conductores se forman entre las nubes, al menos uno de cada diez se forma entre una nube y el suelo, creando un relámpago característico.

Efectos de rayo

Para aquellas descargas entre nubes, la descarga generará ondas de radio transitorias de alta intensidad. Por lo general, estos no son dañinos para los equipos electrónicos a menos que sean sensibles a tales señales y se encuentren en una proximidad razonable a la descarga. Podemos descartar el efecto de estas descargas para equipos terrestres a menos que la interferencia transitoria de la interferencia electromagnética emitida (EMI) sea un problema importante. Los principales problemas provienen de aquellas descargas que llegan a la tierra en las proximidades de dispositivos electrónicos. Estos rayos son responsables de la mayoría de los efectos dañinos que experimentamos como ingenieros de diseño eléctrico.

Los rayos directos que caen sobre equipos eléctricos y cables son generalmente de tal magnitud que la protección integrada contra este evento es impracticable. Los pararrayos conectados a estructuras dependen de desviar la corriente de descarga directamente a la tierra como mecanismo de protección principal. La probabilidad de un impacto directo sobre un equipo eléctrico generalmente es aceptablemente baja, a menos que el dispositivo se haya colocado de manera incorrecta o deliberada. Fomenta la ionización en presencia de intensidades de campo eléctrico atmosférico significativas.

Los riesgos creíbles para los equipos eléctricos provienen de la descarga a tierra en las proximidades del equipo. La enorme transferencia de energía que ocurre durante la caída de un rayo conduce a la generación temporal de corrientes dañinas en los sistemas eléctricos cercanos de varias maneras. Los efectos primarios son típicamente interferencia electromagnética temporal, voltajes transitorios inducidos por acoplamiento magnético o capacitivo y sobrecorrientes causadas por cambios de potencial de tierra localizados. Resumiremos brevemente estos tres efectos:

Interferencia electromagnetica

El flujo de corriente de descarga crea una emisión de EMI de banda ancha durante la descarga. Si bien esto representa solo una parte del entorno electromagnético general para los equipos, la alta intensidad de campo transitoria puede interferir con los componentes no blindados y las líneas de transmisión en un área amplia.

Acoplamiento magnético / capacitivo

Cuando una corriente de descarga pasa cerca del cableado eléctrico, los efectos inductivos pueden provocar que se induzcan transitorios en los cables. Esto es particularmente frecuente en cables aéreos que se transportan a largas distancias entre postes o torres. Es común que los dispositivos eléctricos se conecten a cables de alimentación y señal que corren a través de bandejas conductoras, conductos o transportados a través de cables aéreos. Cuanto más largos sean los cables, mayor será la probabilidad de que se produzcan transitorios de alto voltaje a través de efectos de acoplamiento. Esto hace que los dispositivos ubicados a distancia que se utilizan para el control y la supervisión en ubicaciones remotas sean particularmente vulnerables a tales eventos.

Para que se logre un nivel de acoplamiento magnético o capacitivo suficientemente alto de modo que provoque que se induzca una corriente significativa, la corriente del rayo debe estar muy cerca del cableado. Sin embargo, estas corrientes transitorias inducidas generalmente pueden adaptarse mediante el diseño de equipos y sistemas. Generalmente, los cables de señal de campo están apantallados o blindados para reducir la EMI general y la captación de ruido. El uso de cables de par trenzado puede reducir los voltajes entre líneas a niveles que no causarían daños al equipo. Sin embargo, aún se pueden generar voltajes de modo común a niveles que pueden dañar componentes sensibles a menos que se agregue protección adicional.

Cambios en el potencial de la Tierra

Casi todas las descargas de rayos superan los 3 kA y alrededor de una de cada diez superan los 100 kA. La gran mayoría de los golpes de tierra terminan directamente en el suelo. Aquellos que golpean un edificio generalmente se dirigen al suelo a través de pararrayos y varillas de tierra. La gran corriente de descarga fluye hacia la terminación de tierra y disipa la carga en la masa de la Tierra. Un efecto de esta corriente es que eleva el potencial de tierra de referencia en el lugar del impacto. Por ejemplo, una corriente de descarga de 100 kA que termina en el suelo y tiene una impedancia de 0,1 Ω dará como resultado un potencial de 10.000 voltios en el punto de impacto. Cualquier dispositivo cerca del punto de impacto que esté conectado a tierra se conectará al mismo potencial de referencia. Si bien esto no afectará a ese dispositivo, ya que la diferencia de potencial que ve a nivel local no cambia, verá una gran diferencia de potencial entre esta tierra local y la tierra de cualquier cable conectado a dispositivos que estén conectados a tierra a cierta distancia. Esto resultará en la aparición de un voltaje transitorio muy alto debido a la diferencia entre los dos potenciales de tierra.

Impacto de rayo

Los transitorios inducidos en cables de potencia o señal debido a EMI y efectos de acoplamiento magnético / capacitivo son relativamente sencillos de proteger. Estos transitorios se pueden contrarrestar utilizando técnicas estándar de blindaje y apantallamiento requeridas en el entorno saturado de emisiones electromagnéticas de hoy.

Los transitorios inducidos debido a posibles cambios de tierra son un problema mucho más importante. El blindaje no contrarrestará las posibles diferencias transitorias observadas entre los niveles del suelo físicamente separados. Los componentes semiconductores de baja potencia pueden resultar gravemente dañados por una sobretensión de unas pocas decenas de voltios. Los voltajes transitorios inducidos bajo estas circunstancias requerirán mecanismos de protección adicionales que discutiremos ahora.

Opciones de protección

Los dispositivos de protección contra sobretensiones se pueden utilizar para proteger equipos eléctricos y electrónicos de los efectos potencialmente destructivos de los transitorios de alto voltaje. Estos dispositivos también se conocen como supresores de sobretensión, barreras contra rayos y protección contra rayos. Los circuitos de protección contra sobretensiones operan casi instantáneamente para proporcionar una ruta de baja impedancia para conducir una gran corriente para eliminar la diferencia de protección excesiva y absorber y desviar la corriente adicional a tierra para proteger contra los efectos de transitorios o sobretensiones. Una vez que ha disminuido la sobrecorriente, lo ideal es que el dispositivo restablezca automáticamente el funcionamiento normal y, por lo tanto, pueda protegerse contra las sobrecargas posteriores. Sin embargo, también veremos brevemente los dispositivos de protección de un solo disparo más tradicionales para que estén completos.

La protección contra sobretensiones viene en dos tipos principales. Los filtros proporcionan una barrera a las corrientes transitorias de alta frecuencia al tiempo que permiten que las corrientes de potencia de baja frecuencia pasen sin verse afectadas. Por otro lado, los desviadores transitorios proporcionan una ruta de impedancia muy baja a tierra siempre que el voltaje del dispositivo excede un valor preestablecido. Aquí nos hemos centrado en los desviadores transitorios, ya que proporcionan la protección necesaria contra los cambios de potencial de la tierra causados ​​por un rayo.

Dado que es probable que no todos los circuitos estén expuestos a estos transitorios, un enfoque que se suele adoptar es utilizar componentes o dispositivos de protección adicionales conectados entre equipos, sistemas y fuentes de ruido externas o transitorias de uso general. Hay varios componentes disponibles que pueden evitar que la energía excesiva llegue a partes sensibles de equipos o sistemas. Estos funcionan desviando las sobretensiones a tierra o desconectando las líneas de señal. Un dispositivo aceptable tiene una operación rápida y es capaz de transportar grandes corrientes durante períodos cortos mientras limita el voltaje o la corriente a través del equipo protegido a niveles por debajo de los cuales pueden ocurrir daños. Por lo general, se prefieren los dispositivos que no requieren mantenimiento y que se restablecen automáticamente cuando se deben evitar las interrupciones del servicio.

Separadores de chispas de aire

Este mecanismo de protección consta de dos electrodos conductores que están físicamente separados y ubicados en un entorno no controlado. Normalmente no conductor, cuando la diferencia de potencial entre los dos electrodos alcanza un valor definido, entonces el aire entre ellos se ioniza y una corriente de descarga fluye entre ellos. Esta ionización crea un camino de baja resistencia entre los dos electrodos, lo que permite que fluya una corriente hasta que el aire deja de estar ionizado. La distancia entre los electrodos determinará el valor de la diferencia de potencial a la que se produce la ionización. Esto está creando efectivamente un rayo controlado en el punto de tierra local.

Si bien los descargadores de chispas son económicos, el voltaje al que operan se verá influenciado por las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, y se verá afectado por los contaminantes en el aire. Su rendimiento también puede cambiar con el tiempo y verse degradado por su funcionamiento debido a la erosión de los electrodos y puede ser necesario reemplazarlos si se activan con regularidad.

Tubos de descarga de gas

Una variación de la protección contra chispas, los electrodos conductores están físicamente separados en un ambiente controlado, típicamente un recipiente sellado lleno de un gas específico. Esto permite un mejor control del voltaje de descarga y reduce la influencia de las condiciones ambientales. Los materiales comunes utilizados incluyen una mezcla de argón / hidrógeno a baja presión sellada dentro de un recipiente de cerámica con voltajes de ruptura a partir de 90 V y valores nominales de corriente superiores a 5 kA.

Una desventaja del tubo de descarga de gas es el tiempo finito requerido para que el gas se ionice, lo que limita la protección contra las sobrecorrientes que tienen un borde ascendente pronunciado a la forma de onda de la sobretensión. Un tubo típico clasificado para una ruptura de 100 VCC que se ocupa de una sobretensión con un tiempo de aumento de 200 V / µs no se descompondrá hasta que el voltaje sea de alrededor de 200 V basado en un tiempo de ionización de 0,5 µs. Esto no tiene en cuenta ninguna tolerancia en la clasificación de 100 V; normalmente, estos dispositivos tienen una tolerancia del 20%. Otra desventaja es que tienen una vida limitada debido a los cambios en la presión y la composición del gas a lo largo del tiempo.

Una vez que se ha producido la ruptura y el gas se ha ionizado, si fluye suficiente corriente durante un período sostenido, el gas puede convertirse en un plasma ionizado. Este plasma puede descargar miles de amperios con una diferencia de potencial relativamente pequeña si el circuito puede soportar un flujo de corriente tan alto. El circuito de protección debe diseñarse con cuidado para evitar que el funcionamiento del tubo de descarga de gas se mantenga después de que la corriente de sobretensión de la fuente se haya disipado por la fuente de alimentación del dispositivo.

Los tubos de descarga de gas suelen ser adecuados para su uso con circuitos de baja potencia donde cualquier sobretensión tendrá condiciones de voltaje de aumento lento y puede tolerar condiciones de sobreimpulso de voltaje.

Dispositivos semiconductores

La ventaja de los dispositivos semiconductores es su rápido funcionamiento y la amplia gama de voltajes a los que operan. Siempre que se mantenga un flujo de corriente dentro de las especificaciones, ofrecen una función de sujeción de voltaje precisa y repetible. Los diodos de supresión de sobretensiones, también conocidos como diodos de supresión de tensión transitoria (TVS), pueden manejar varias sobretensiones de kW para pulsos que duran menos de 1 ms. La diferencia entre un diodo de supresión de sobretensiones y un diodo Zener estándar se debe simplemente al tamaño aumentado del área de unión, lo que reduce la densidad de corriente. Estos componentes ofrecen algunos de los tiempos de respuesta más rápidos de los componentes protectores disponibles (normalmente unos pocos nanosegundos) pero a costa de una capacidad de absorción de energía relativamente baja. Una desventaja de los diodos supresores de sobretensiones es su costo relativamente alto. Otra es su capacitancia significativa que afectará el funcionamiento del circuito, lo que significa que no pueden incluirse simplemente como un dispositivo de protección atornillado, sino que pueden tener que diseñarse como parte del proceso de desarrollo del dispositivo.

Varistores

Los varistores son resistencias dependientes del voltaje donde el cambio en el flujo de corriente a través del dispositivo contra el voltaje a través del dispositivo tiene una relación no lineal. Como los varistores se fabrican típicamente con óxido metálico, generalmente se conocen como varistores de óxido metálico (MOV). Las partículas de óxido metálico actúan de manera similar a una unión semiconductora. Esto les da un tiempo de respuesta comparable a las sobretensiones como para un componente basado en diodos. Su ventaja sobre los diodos de supresión de sobretensiones es que la energía se disipa en todo el dispositivo y no solo en el área de unión. Sin embargo, la desventaja es que tienen una corriente de fuga mucho más alta a bajos voltajes. También se ven afectados de manera más significativa por factores ambientales como la temperatura y pueden degradarse con el tiempo, especialmente si se exponen con regularidad a corrientes transitorias elevadas.

Relés de sobretensión

Los relés de sobretensión están diseñados para desconectar las líneas de señal en caso de altas sobrecargas de corriente y pueden manejar niveles de potencia relativamente altos. Dependen del movimiento físico de los contactos eléctricos para abrir o cerrar un circuito. Tienen la ventaja de ser estables y sensibles, pero su principal desventaja es su velocidad de funcionamiento. El tiempo que tardan los contactos del relé en moverse lo suficiente como para afectar el flujo de corriente puede ser de varios milisegundos. Si el relé de sobretensión está configurado para interrumpir un circuito en condiciones de exceso de corriente, la demora se puede agravar por la formación de un arco entre los contactos durante el tiempo inicial que se abren. Esto aumenta el tiempo entre la aparición de la sobrecorriente y cuando finalmente se detiene el flujo de corriente.

Una vez que haya pasado la sobretensión transitoria, el relé de sobretensión se restablecerá a su estado predeterminado. Esta operación también puede ser relativamente lenta, y la naturaleza física de la operación puede hacer que sea propenso a efectos de rebote de contacto vistos como conexión / desconexión transitoria del circuito. Dependiendo de la naturaleza del circuito, este rebote físico puede tener un impacto eléctrico consecuente.

Los relés de sobretensión también requieren mantenimiento para mantener limpios los contactos o reemplazo si los contactos están dentro de una caja sellada. La operación repetida de los contactos puede provocar un desgaste excesivo debido a los efectos de la erosión del metal debido a cualquier daño por arco o impacto.

Fusibles

Como dispositivo de protección de un disparo, los fusibles anti-sobretensión brindan una protección efectiva y utilizan un mecanismo de tensión de resorte para lograr un tiempo de activación rápido. Sin embargo, pueden ser propensos a problemas de sobreimpulso de voltaje si la sobrecorriente transitoria tiene un borde de aumento rápido. Dependen de la sobrecorriente que derrite un cable metálico a un valor establecido en lugar de su clasificación basada directamente en las diferencias de potencial. Por lo tanto, deben usarse en combinación con un elemento resistivo para implementar una función protectora. Por supuesto, la principal desventaja es el requisito del reemplazo manual del fusible después de la activación. Es imperativo tener en cuenta que un fusible ordinario no será capaz de lidiar con transitorios inducidos por rayos; Se debe utilizar un fusible especial de protección contra sobretensiones.

Rompedores de circuito

Los disyuntores generalmente están diseñados para sistemas de energía. Aunque la capacidad de manejo de energía puede aumentarse al nivel que se considere necesario, la velocidad de respuesta es del orden de decenas de milisegundos, que generalmente es demasiado lenta para ser efectiva contra transitorios de corta duración. También requieren un reinicio manual después de la activación, lo que los convierte prácticamente en un dispositivo de protección de un solo disparo desde una perspectiva operativa. En cuanto a los fusibles, los disyuntores estándar no pueden hacer frente a transitorios inducidos por rayos. Si se necesita un disyuntor, asegúrese siempre de elegir uno con la clasificación correcta para hacer frente a tales transitorios.

Mejores prácticas de implementación de protección contra sobretensiones

Es común encontrar que un dispositivo no proporciona la solución requerida en términos de tiempo de respuesta, capacidad de flujo de corriente, tolerancia ambiental o confiabilidad. En ese caso, la respuesta puede ser poner en cascada dos o más tipos diferentes juntos. Esto permite al diseñador combinar las ventajas que ofrece cada dispositivo y mejorar el nivel de protección general. La combinación más común utiliza un componente de alta corriente, de acción relativamente lenta con un componente de acción más rápida pero de menor potencia nominal, de tal manera que se minimiza la salida de voltaje y corriente. Se puede usar un dispositivo de alta capacidad de sobretensión en el perímetro exterior del circuito de protección para desviar la mayor parte de la sobretensión transitoria, seguido de un dispositivo más preciso que proporciona una solución integral de protección contra sobretensiones.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones pueden cumplir una serie de funciones en función de su implementación. Pueden derivar corrientes transitorias a tierra, fijar diferencias de potencial, evitar que el exceso de energía ingrese a un circuito o filtrar frecuencias específicas de una línea de señal. Por lo general, cumplen una combinación de estas funciones para lograr la protección final requerida. El dispositivo de protección contra sobretensiones ideal, como mínimo, sujetará los voltajes, manejará las sobrecorrientes tremendamente altas y reducirá el borde de aumento rápido de la sobretensión.

La protección proviene de desviar las sobrecorrientes a tierra a través de una ruta de baja impedancia. Esta ruta debe diseñarse e implementarse correctamente si se desea lograr el rendimiento nominal de los dispositivos de protección contra sobretensiones. Las rutas de desvío mal diseñadas o implementadas pueden hacer que los circuitos de protección sean ineficaces.

Se debe aplicar protección a todas las conexiones externas al dispositivo; Las conexiones de señal de salida son tan susceptibles como las líneas de alimentación de entrada y las conexiones de señal. El riesgo más importante no proviene necesariamente del conector con el cable más largo conectado, sino de la conexión que termina con una conexión a tierra que está físicamente más alejada de la conexión a tierra del dispositivo que se está protegiendo. Es posible que la misma conexión no siempre cumpla estos dos criterios.

Al diseñar la protección o supresión de sobretensión en su dispositivo, la consideración de la inductancia del cable para las conexiones es esencial al calcular los requisitos de protección de voltaje transitorio. Los diseños deben basarse en las opciones de cable del peor de los casos para garantizar que sea eficaz para todas las instalaciones posibles.

Al seleccionar los componentes de protección, recuerde que existe una relación entre el precio unitario y el rendimiento. Tenga siempre en cuenta el valor del dispositivo que se protege al calcular el presupuesto para los elementos de protección.

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