Un protector de sobretensión (o supresor de picos , supresor de sobretensión , desviador de sobretensión , [1] dispositivo de protección contra sobretensiones ( SPD ), supresor de tensión transitoria (TVS) o supresor de sobretensión transitoria ( TVSS )) es un aparato o dispositivo destinado a proteger dispositivos eléctricos en circuitos de corriente alterna (CA) de picos de tensión de muy corta duración medidos en microsegundos , que pueden surgir de una variedad de causas, incluyendo la caída de rayos en las cercanías.
Un protector de sobretensiones limita el voltaje suministrado a los dispositivos eléctricos a un cierto umbral, cortocircuitando la corriente a tierra o absorbiendo el pico cuando ocurre un transitorio, evitando así daños a los dispositivos conectados a él.
Las especificaciones clave que caracterizan a este dispositivo son: la tensión de sujeción, o la tensión transitoria en la que el dispositivo comienza a funcionar, la clasificación Joule , una medida de cuánta energía se puede absorber por sobretensión, y el tiempo de respuesta.
Los términos dispositivo de protección contra sobretensiones ( SPD ) y supresor de sobretensiones transitorias ( TVSS ) se utilizan para describir dispositivos eléctricos que se instalan normalmente en paneles de distribución de energía, sistemas de control de procesos , sistemas de comunicaciones y otros sistemas industriales de servicio pesado, con el fin de proteger contra sobretensiones y picos eléctricos, incluidos los causados por rayos . En ocasiones, se instalan versiones reducidas de estos dispositivos en paneles eléctricos de entrada de servicio residencial, para proteger los equipos de un hogar de peligros similares. [2]
En un circuito de corriente alterna, un pico de tensión es un evento transitorio que suele durar entre 1 y 30 microsegundos y que puede alcanzar más de 1000 voltios. Un rayo que cae sobre una línea eléctrica puede provocar un pico de miles de voltios. Un motor, cuando se apaga, puede generar un pico de 1000 voltios o más. Los picos pueden degradar el aislamiento del cableado y destruir dispositivos electrónicos como bombillas , cargadores de batería, módems, televisores y otros productos electrónicos de consumo.
También pueden producirse picos de tensión en las líneas telefónicas y de datos cuando las líneas principales de CA se conectan accidentalmente a ellas o son alcanzadas por un rayo, o si las líneas telefónicas y de datos pasan cerca de líneas con un pico de tensión y se induce el voltaje.
Los protectores contra sobretensiones transitorias no protegen contra sobretensiones prolongadas que duran segundos, minutos u horas y que son causadas por fallas en los transformadores de potencia, como la pérdida del neutro u otro error de la compañía eléctrica. Las sobretensiones prolongadas pueden destruir los protectores de todo un edificio o área. Incluso decenas de milisegundos pueden ser más de lo que un protector puede soportar. Las sobretensiones prolongadas pueden o no ser manejadas por fusibles y relés de sobretensión .
El cableado de un edificio agrega una impedancia eléctrica que limita la sobrecorriente que llega a las cargas cuando un transitorio de voltaje llega a la entrada de servicio (el punto donde el cableado de la compañía de suministro ingresa a una propiedad). Hay menos sobrecorriente cuanto mayores sean las distancias de cableado y donde haya más impedancia entre la entrada de servicio y la carga. [3]
Las cargas de categoría A tienen más de 60 pies de longitud de cable desde la entrada de servicio hasta la carga. Las cargas de categoría A pueden estar expuestas a6 kV yCorrientes de sobretensión de 0,5 kA . Las cargas de categoría B tienen una longitud de cable de entre 30 y 60 pies desde la entrada de servicio hasta la carga. Las cargas de categoría B pueden estar expuestas a6 kV y3 kA . Las cargas de categoría C están a menos de 30 pies de la entrada de servicio a la carga. Las cargas de categoría C pueden estar expuestas a20 kV y10 kA . [4]
Se puede utilizar un cable de extensión enrollado para aumentar la longitud del cable a más de 60 pies y aumentar la impedancia entre la entrada de servicio y la carga. [5]
Un protector contra sobretensiones transitorias intenta limitar el voltaje suministrado a un dispositivo eléctrico bloqueando o acortando la corriente para reducir el voltaje por debajo de un umbral seguro. El bloqueo se realiza mediante inductores que inhiben un cambio repentino en la corriente. El cortocircuito se realiza mediante capacitores que inhiben un cambio repentino en el voltaje o mediante descargadores de chispas , tubos de descarga , semiconductores de efecto Zener y varistores de óxido metálico (MOV), todos los cuales comienzan a conducir corriente una vez que se alcanza un cierto umbral de voltaje. [6] Algunos protectores contra sobretensiones utilizan múltiples elementos.
En el método de cortocircuito, las líneas eléctricas se cortocircuitan temporalmente entre sí (por ejemplo, mediante un descargador de chispas) o se fijan a un voltaje objetivo (por ejemplo, mediante un MOV), lo que da como resultado un gran flujo de corriente. El pico de voltaje se reduce a medida que la corriente de cortocircuito fluye a través de la resistencia en las líneas eléctricas. La energía del pico se disipa en las líneas eléctricas o en el suelo , o en el protector, y se convierte en calor. Dado que un pico dura solo unas decenas de microsegundos, el aumento de temperatura es mínimo. Sin embargo, si el pico es lo suficientemente grande o lo suficientemente largo, el protector puede destruirse y las líneas eléctricas pueden dañarse.
Los protectores contra sobretensiones para hogares pueden estar en regletas de enchufes que se usan en el interior o en un dispositivo que se encuentra en el exterior, en el panel de energía. Los enchufes de una casa moderna usan tres cables: línea, neutro y tierra. Muchos protectores se conectarán entre los tres en pares (línea-neutro, línea-tierra y neutro-tierra), porque hay condiciones, como los rayos, donde tanto la línea como el neutro tienen picos de alto voltaje que necesitan ser conectados a tierra.
Además, algunos protectores de nivel de consumidor tienen puertos para Ethernet , televisión por cable y servicio telefónico tradicional , y al enchufarlos, el protector de sobretensiones los protege de daños eléctricos externos. [7]
La característica de un TVS requiere que responda a las sobretensiones más rápido que otros componentes comunes de protección contra sobretensiones, como varistores o tubos de descarga de gas . Esto hace que los dispositivos o componentes TVS sean útiles para la protección contra picos de tensión muy rápidos y a menudo dañinos . Estos picos de sobretensión rápidos están presentes en todas las redes de distribución y pueden ser causados por eventos internos o externos, como rayos o arcos eléctricos en motores . [8]
Las aplicaciones de los diodos de supresión de voltaje transitorio se utilizan para la protección de descarga electrostática unidireccional o bidireccional de líneas de transmisión o datos en circuitos electrónicos. Los TVS basados en MOV se utilizan para proteger los dispositivos electrónicos domésticos y los sistemas de distribución, y pueden adaptarse a las perturbaciones de distribución de energía a nivel industrial, lo que ahorra tiempo de inactividad y daños a los equipos. El nivel de energía en una sobretensión transitoria se puede equiparar a la energía medida en julios o relacionada con la corriente eléctrica cuando los dispositivos están clasificados para varias aplicaciones. Estas ráfagas de sobretensión se pueden medir con medidores electrónicos especializados que pueden mostrar perturbaciones de energía de miles de voltios de amplitud que duran unos pocos microsegundos o menos.
Es posible que un MOV se sobrecaliente cuando se expone a una sobretensión suficiente para que comience a conducir, pero no lo suficiente para destruirlo por completo o para que se funda un fusible de la casa. Si la condición de sobretensión persiste durante el tiempo suficiente para provocar un calentamiento significativo del MOV, puede provocar daños térmicos en el dispositivo y provocar un incendio. [9] [10]
Muchas regletas de enchufes tienen incorporada una protección básica contra sobretensiones y normalmente están claramente etiquetadas como tal.
Sin embargo, en países sin regulaciones, hay regletas de enchufes etiquetadas como protectoras contra "sobretensiones" o "picos de corriente" que solo tienen un condensador, un circuito RFI o nada en absoluto y que no brindan protección real o ninguna protección contra picos de corriente.
Un pararrayos , dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) o supresor de sobretensiones transitorias (TVSS) se utiliza para proteger los equipos en los sistemas de transmisión y distribución de energía . El criterio de energía para varios materiales de aislamiento se puede comparar por la relación de impulsos. Un pararrayos debe tener una relación de impulsos baja, de modo que una sobretensión incidente en el pararrayos pueda ser desviada a tierra en lugar de pasar a través del aparato.
Para proteger una unidad de equipo de los transitorios que se producen en un conductor conectado, se conecta un pararrayos al conductor justo antes de que entre en el equipo. El pararrayos también está conectado a tierra y funciona enrutando la energía de un transitorio de sobretensión a tierra si se produce uno, al mismo tiempo que aísla el conductor de tierra a voltajes de funcionamiento normales. Esto generalmente se logra mediante el uso de un varistor , que tiene resistencias sustancialmente diferentes a diferentes voltajes.
Los pararrayos no suelen estar diseñados para proteger contra la caída directa de un rayo sobre un conductor, sino contra los transitorios eléctricos resultantes de la caída de rayos en las proximidades del conductor [ cita requerida ] . Los rayos que caen sobre la tierra generan corrientes de tierra que pueden pasar por encima de conductores enterrados e inducir un transitorio que se propaga hacia los extremos del conductor. El mismo tipo de inducción ocurre en los conductores aéreos y sobre el suelo que experimentan el paso de energía de un pulso electromagnético atmosférico causado por el rayo.
Los pararrayos sólo pueden proteger contra transitorios inducidos característicos del rápido tiempo de subida de una descarga de rayo, y no protegen contra la electrificación causada por un impacto directo en el conductor. Los transitorios similares a los inducidos por rayos, como los de la conmutación por falla de un sistema de alta tensión, también pueden desviarse de forma segura a tierra; sin embargo, estos dispositivos no protegen contra sobrecorrientes continuas . La energía de un transitorio controlado es sustancialmente menor que la de una descarga de rayo; sin embargo, sigue siendo de cantidad suficiente para causar daños en el equipo y, a menudo, requiere protección.
Sin un aislamiento muy grueso, que generalmente tiene un costo prohibitivo, la mayoría de los conductores que recorren distancias mayores que las mínimas (mayores de aproximadamente 50 pies [15 m]) experimentarán transitorios inducidos por rayos en algún momento durante su uso. Debido a que el transitorio generalmente se inicia en algún punto entre los dos extremos del conductor, la mayoría de las aplicaciones instalan un pararrayos justo antes de que el conductor aterrice en cada equipo que se va a proteger. Cada conductor debe estar protegido, ya que cada uno tendrá su propio transitorio inducido, y cada SPD debe proporcionar una vía a tierra para desviar de manera segura el transitorio lejos del componente protegido.
La única excepción notable en la que no se instalan en ambos extremos es en los sistemas de distribución de alta tensión. En general, la tensión inducida no es suficiente para provocar daños en el extremo de generación eléctrica de las líneas; sin embargo, la instalación en la entrada de servicio de un edificio es clave para proteger los productos posteriores que no son tan robustos.
Estas son algunas de las especificaciones más destacadas que definen un protector contra sobretensiones para redes de CA, así como para algunas aplicaciones de protección de comunicaciones de datos.
También conocido como voltaje de paso , especifica qué voltaje pico hará que los componentes protectores dentro de un protector contra sobretensiones se cortocircuiten o bloqueen. [11] [12] Un voltaje de bloqueo más bajo indica una mejor protección, pero a veces puede resultar en una expectativa de vida más corta para el sistema de protección general. Los tres niveles más bajos de protección definidos en la clasificación UL son 330 V, 400 V y 500 V. El voltaje de paso estándar para dispositivos de 120 V CA es 330 voltios. [13]
Underwriters Laboratories (UL), [14] una empresa independiente global de ciencias de la seguridad, define cómo se puede utilizar un protector de forma segura. La UL 1449 se convirtió en una norma de cumplimiento obligatorio en las jurisdicciones que adoptaron el NEC con la tercera edición en septiembre de 2009 para aumentar la seguridad en comparación con los productos que cumplen con la segunda edición. Una prueba de voltaje límite medido, utilizando una corriente (y energía) seis veces mayor, define una clasificación de protección de voltaje (VPR). Para un protector específico, este voltaje puede ser mayor en comparación con las clasificaciones de voltaje suprimido (SVR) en ediciones anteriores que medían el voltaje de paso con menos corriente. Debido a las características no lineales de los protectores, los voltajes de paso definidos por las pruebas de la segunda edición y la tercera edición no son comparables. [13] [15]
Un protector puede ser más grande para obtener el mismo voltaje de paso durante las pruebas de la tercera edición. Por lo tanto, un protector de la tercera edición o posterior debería proporcionar una seguridad superior con una mayor expectativa de vida útil.
Un protector con un voltaje de paso más alto, por ejemplo, 400 V frente a 330 V, pasará un voltaje más alto al dispositivo conectado. El diseño del dispositivo conectado determina si este pico de paso causará daños. Los motores y los dispositivos mecánicos no suelen verse afectados. Algunas piezas electrónicas (especialmente las más antiguas), como los cargadores, las bombillas LED o CFL y los aparatos informáticos son sensibles y pueden verse afectados y ver reducida su vida útil.
El valor de Joule define cuánta energía puede absorber teóricamente un protector contra sobretensiones basado en MOV en un solo evento, sin fallar. Los mejores protectores superan los valores de 1000 julios y 40 000 amperios. Dado que la duración real de un pico es de solo unos 10 microsegundos [ cita requerida ] , la energía disipada real es baja. Si es más de eso, el MOV se fundirá, o a veces se cortocircuitará y se fundirá, con suerte fundiendo un fusible y desconectándose del circuito.
El MOV (u otro dispositivo de cortocircuito) requiere resistencia en la línea de alimentación para limitar el voltaje. Para líneas eléctricas grandes y de baja resistencia, se requiere un MOV con una clasificación de julios más alta. Dentro de una casa, con cables más pequeños que tienen más resistencia, es aceptable un MOV más pequeño.
Cada vez que un MOV se cortocircuita, su estructura interna cambia y su voltaje umbral se reduce ligeramente. Después de muchos picos, el voltaje umbral puede reducirse lo suficiente como para estar cerca del voltaje de línea, es decir, 120 V CA o 240 V CA. En este punto, el MOV conducirá parcialmente y se calentará y finalmente fallará, a veces en una fusión dramática o incluso en un incendio. La mayoría de los protectores de sobretensión modernos tienen disyuntores y fusibles de temperatura para evitar consecuencias graves. Muchos también tienen una luz LED para indicar si los MOV aún están funcionando.
La clasificación en julios se cita comúnmente para comparar los protectores contra sobretensiones basados en MOV. Una sobretensión promedio (pico) es de corta duración, dura entre nanosegundos y microsegundos, y la energía de sobretensión modelada experimentalmente puede ser inferior a 100 julios. [16] Los protectores contra sobretensiones bien diseñados consideran la resistencia de las líneas que suministran la energía, la posibilidad de rayos u otros picos de energía seriamente altos y especifican los MOV en consecuencia. Un pequeño cargador de batería puede incluir un MOV de solo 1 vatio, mientras que una regleta de sobretensiones tendrá un MOV de 20 vatios o varios de ellos en paralelo. Un protector doméstico tendrá un MOV de tipo bloque grande.
Algunos fabricantes suelen diseñar protectores contra sobretensiones con mayor capacidad de julios conectando varios MOV en paralelo, lo que puede producir una clasificación engañosa. Dado que los MOV individuales tienen umbrales de voltaje ligeramente diferentes y respuestas no lineales cuando se exponen a la misma curva de voltaje, cualquier MOV determinado puede ser más sensible que otros. Esto puede hacer que un MOV de un grupo conduzca más (un fenómeno llamado acaparamiento de corriente ), lo que lleva a un posible uso excesivo y una eventual falla prematura de ese componente. Sin embargo, los otros MOV del grupo ayudan un poco, ya que comienzan a conducir a medida que el voltaje continúa aumentando, ya que un MOV no tiene un umbral definido. Puede comenzar a hacer cortocircuito a 270 voltios, pero no alcanzar el cortocircuito completo hasta 450 voltios o más. Un segundo MOV podría comenzar a 290 voltios y otro a 320 voltios, de modo que todos puedan ayudar a limitar el voltaje, y a plena corriente hay un efecto de balasto en serie que mejora la distribución de la corriente, pero indicar la clasificación de julios real como la suma de todos los MOV individuales no refleja con precisión la capacidad total de limitación. El primer MOV puede soportar más carga y fallar antes.
Un fabricante de MOV recomienda utilizar menos MOV pero de mayor tamaño (por ejemplo, de 60 mm en lugar de 40 mm de diámetro) si caben en el dispositivo. Además, se recomienda combinar y reducir la potencia de varios MOV más pequeños. En algunos casos, pueden necesitarse cuatro MOV de 40 mm para que un MOV de 60 mm sea equivalente. [17]
Un problema adicional es que si se coloca un solo fusible en línea en serie con un grupo de MOV en paralelo como medida de seguridad de desconexión, se abrirá y desconectará todos los MOV que funcionen restantes.
La capacidad efectiva de absorción de energía de sobretensión de todo el sistema depende de la adaptación de los MOV, por lo que normalmente se requiere una reducción de potencia del 20 % o más. Esta limitación se puede gestionar utilizando conjuntos de MOV cuidadosamente adaptados, adaptados de acuerdo con las especificaciones del fabricante. [18] [17]
Según los estándares de pruebas de la industria, basados en supuestos IEEE y ANSI , las sobretensiones en las líneas eléctricas dentro de un edificio pueden ser de hasta 6000 voltios y 3000 amperios, y entregar hasta 90 julios de energía, incluidas las sobretensiones de fuentes externas sin incluir los rayos.
Las suposiciones comunes con respecto a los rayos específicamente, basadas en ANSI/IEEE C62.41 y UL 1449 (3.ª ed.) al momento de escribir este artículo, son que las sobretensiones mínimas causadas por rayos en las líneas eléctricas dentro de un edificio son típicamente de 10 000 amperios o 10 kiloamperios (kA). Esto se basa en 20 kA que impactan en una línea eléctrica, la corriente impartida luego viaja por igual en ambas direcciones en la línea eléctrica y los 10 kA resultantes viajan hacia el edificio o la casa. Estas suposiciones se basan en una aproximación promedio para probar los estándares mínimos. Si bien 10 kA suele ser suficiente para una protección mínima contra los rayos, es posible que un rayo imparta hasta 200 kA a una línea eléctrica con 100 kA viajando en cada dirección.
Los rayos y otras sobretensiones transitorias de alta energía pueden ser suprimidos con supresores montados en postes por la empresa de servicios públicos o con un protector contra sobretensiones para toda la casa suministrado por el propietario. Un producto para toda la casa es más caro que los protectores contra sobretensiones simples con una sola toma de corriente y, a menudo, requiere una instalación profesional en la línea de alimentación eléctrica entrante; sin embargo, evitan que las sobretensiones de la línea eléctrica ingresen a la casa. Los daños causados por la caída directa de rayos a través de otras vías, como las líneas telefónicas, deben controlarse por separado.
Los protectores contra sobretensiones no actúan instantáneamente, sino que tienen un pequeño retraso, de unos pocos nanosegundos. Con un tiempo de respuesta más largo y dependiendo de la impedancia del sistema, el equipo conectado puede verse expuesto a una parte de la sobretensión. Sin embargo, las sobretensiones suelen ser mucho más lentas y tardan unos pocos microsegundos en alcanzar su voltaje máximo, y un protector contra sobretensiones con un tiempo de respuesta de nanosegundos actuaría lo suficientemente rápido como para suprimir la parte más dañina de la sobretensión. [19]
Por lo tanto, el tiempo de respuesta en las pruebas estándar no es una medida útil de la capacidad de un protector contra sobretensiones cuando se comparan dispositivos MOV. Todos los MOV tienen tiempos de respuesta medidos en nanosegundos, mientras que las formas de onda de prueba que se utilizan habitualmente para diseñar y calibrar protectores contra sobretensiones se basan en formas de onda modeladas de sobretensiones medidas en microsegundos. Como resultado, los protectores basados en MOV no tienen problemas para producir especificaciones de tiempo de respuesta impresionantes.
Las tecnologías de respuesta más lenta (en particular, los GDT) pueden tener dificultades para proteger contra picos rápidos. Por lo tanto, los buenos diseños que incorporan tecnologías más lentas pero útiles por lo demás suelen combinarlas con componentes de acción más rápida para brindar una protección más integral. [20]
Algunas normas que se enumeran con frecuencia incluyen:
Cada norma define diferentes características del protector, vectores de prueba o propósitos operativos.
La tercera edición de la norma UL 1449 para SPD fue una reescritura importante de ediciones anteriores y también fue aceptada como norma ANSI por primera vez. [21] [22] Una revisión posterior en 2015 incluyó la adición de circuitos de bajo voltaje para puertos de carga USB y baterías asociadas. [23] [24]
Las normas EN 62305 y ANSI/IEEE C62.xx definen qué picos de tensión se puede esperar que un protector desvíe. Las normas EN 61643-11 y 61643-21 especifican tanto el rendimiento del producto como los requisitos de seguridad. Por el contrario, la IEC solo redacta normas y no certifica ningún producto en particular que cumpla con dichas normas. Los miembros del esquema CB de acuerdos internacionales utilizan las normas IEC para probar y certificar productos con respecto al cumplimiento de las normas de seguridad.
Ninguna de esas normas garantiza que un protector proporcione la protección adecuada en una aplicación determinada. Cada norma define lo que un protector debe hacer o puede lograr, basándose en pruebas estandarizadas que pueden o no correlacionarse con las condiciones presentes en una situación particular del mundo real. Puede ser necesario un análisis de ingeniería especializado para proporcionar la protección suficiente, especialmente en situaciones de alto riesgo de descargas eléctricas .
Además, las siguientes normas no son normas para los protectores de sobretensiones independientes, sino que están pensadas para probar la inmunidad a las sobretensiones en equipos eléctricos y electrónicos en su conjunto. Por lo tanto, se utilizan con frecuencia en el diseño y la prueba de circuitos de protección contra sobretensiones.
Los sistemas utilizados para reducir o limitar las sobretensiones de alto voltaje [25] [26] pueden incluir uno o más de los siguientes tipos de componentes electrónicos . Algunos sistemas de supresión de sobretensiones utilizan múltiples tecnologías, ya que cada método tiene sus puntos fuertes y débiles. [20] [27] [28] Los primeros seis métodos enumerados funcionan principalmente desviando la energía de sobretensión no deseada lejos de la carga protegida, a través de un componente protector conectado en una topología paralela (o derivada). Los dos últimos métodos también bloquean la energía no deseada mediante el uso de un componente protector conectado en serie con la alimentación de energía a la carga protegida y, además, pueden derivar la energía no deseada como los sistemas anteriores.
Un varistor de óxido metálico (MOV) consiste en un material semiconductor a granel (normalmente óxido de zinc granular sinterizado ) que puede conducir grandes corrientes cuando se le presenta un voltaje superior a su voltaje nominal. [13] [29] Los MOV normalmente limitan los voltajes a aproximadamente 3 a 4 veces el voltaje normal del circuito al desviar la corriente de sobretensión a otro lugar que no sea la carga protegida. Los MOV se pueden conectar en paralelo para aumentar la capacidad de corriente y la expectativa de vida, siempre que sean conjuntos combinados . [a]
Los MOV tienen una expectativa de vida finita y se degradan cuando se exponen a unos pocos transitorios grandes o a muchos transitorios pequeños. [30] [31] Cada vez que se activa un MOV, su voltaje umbral se reduce ligeramente. Después de muchos picos, el voltaje umbral puede reducirse lo suficiente como para estar cerca del voltaje de protección, ya sea de la red eléctrica o de datos. En este punto, el MOV conduce cada vez con más frecuencia, se calienta y finalmente falla. En los circuitos de datos, el canal de datos se cortocircuita y deja de funcionar. En un circuito de energía, puede producirse una fusión dramática o incluso un incendio si no está protegido por un fusible de algún tipo. [32]
Los protectores contra sobretensiones modernos y los protectores domésticos tienen disyuntores y fusibles térmicos para evitar consecuencias graves. Un fusible térmico desconecta el MOV cuando se calienta demasiado. Solo se desconecta el MOV, lo que deja el resto del circuito en funcionamiento, pero sin protección contra sobretensiones. A menudo, hay una luz LED que indica si los MOV siguen funcionando. Los protectores contra sobretensiones más antiguos no tenían fusible térmico y dependían de un disyuntor de 10 o 15 amperios que, por lo general, se fundía solo después de que los MOV hubieran echado humo, se hubieran quemado, estallado, se hubieran derretido y hubieran provocado un cortocircuito permanente.
Un MOV defectuoso es un riesgo de incendio, lo que es una razón para la norma UL1449 de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) [33] en 1986 [34] y revisiones posteriores en 1998, 2009 y 2015. La principal preocupación de la NFPA es la protección contra incendios. [13] [35]
Por lo tanto, todos los protectores basados en MOV destinados a un uso a largo plazo deben tener un indicador de que los componentes protectores han fallado, y esta indicación debe verificarse periódicamente para garantizar que la protección aún funciona. [36]
Debido a su buena relación precio-rendimiento , los MOV son el componente protector más común en los protectores de energía de CA básicos de bajo costo.
Un diodo de supresión de voltaje transitorio (diodo TVS) es un tipo de diodo de avalancha que puede limitar los picos de voltaje. Estos componentes proporcionan la acción limitadora más rápida de los componentes de protección (teóricamente en picosegundos ), pero tienen una capacidad de absorción de energía relativamente baja. Los voltajes se pueden limitar a menos del doble del voltaje de operación normal. Si los impulsos de corriente permanecen dentro de los valores nominales del dispositivo, la expectativa de vida es excepcionalmente larga. [ aclaración necesaria ] Si se exceden los valores nominales del componente, el diodo puede fallar como un cortocircuito permanente; la protección puede permanecer, pero el funcionamiento normal del circuito finaliza en el caso de líneas de señal de baja potencia.
Debido a su capacidad de corriente relativamente limitada, los diodos TVS suelen estar restringidos a circuitos con picos de corriente más pequeños. Los diodos TVS también se utilizan donde los picos ocurren significativamente más a menudo que una vez al año, ya que este tipo de componente no se degradará cuando se use dentro de sus valores nominales. Un tipo único de diodo TVS (nombres comerciales Transzorb o Transil ) contiene diodos de avalancha en serie pareados invertidos para operación bipolar.
Los diodos TVS se utilizan a menudo en circuitos de alta velocidad pero de bajo consumo, como los que se dan en las comunicaciones de datos. Estos dispositivos se pueden emparejar en serie con otro diodo para proporcionar baja capacitancia [37], como se requiere en los circuitos de comunicación.
Un Trisil es un tipo de dispositivo de protección contra sobretensiones por tiristor (TSPD) , un dispositivo electrónico de estado sólido especializado que se utiliza en circuitos de protección contra sobretensiones. Un SIDACtor es otro dispositivo de tipo tiristor que se utiliza con fines de protección similares.
Estos dispositivos de la familia de los tiristores pueden considerarse como dispositivos con características muy similares a las de un descargador de chispas o un GDT , pero pueden funcionar mucho más rápido. Están relacionados con los diodos TVS, pero pueden "descargar" hasta un voltaje de sujeción bajo análogo a un descargador de chispas ionizado y conductor. Después de la activación, el bajo voltaje de sujeción permite grandes picos de corriente a la vez que limita la disipación de calor en el dispositivo.
Un tubo de descarga de gas (GDT) es un dispositivo cerrado herméticamente en una carcasa de vidrio que contiene una mezcla especial de gases atrapada entre dos electrodos, que conduce la corriente eléctrica después de ionizarse por un pico de alto voltaje. [38] Los GDT pueden conducir más corriente para su tamaño físico que otros componentes. Al igual que los MOV, los GDT tienen una expectativa de vida finita y pueden manejar algunos transitorios muy grandes o una mayor cantidad de transitorios más pequeños. El modo de falla típico ocurre cuando el voltaje de activación aumenta tanto que el dispositivo se vuelve ineficaz, aunque las sobretensiones causadas por rayos ocasionalmente pueden causar un cortocircuito.
Los GDT tardan un tiempo relativamente largo en activarse (más que un rayo de 60 ns a 70 ns), lo que permite que un pico de voltaje más alto pase brevemente antes de que el GDT conduzca una corriente significativa. No es raro que un GDT deje pasar pulsos de 500 V o más de 100 ns de duración.
En algunos casos, se necesitan componentes de protección adicionales para evitar daños a una carga protegida, causados por voltaje de paso de alta velocidad que ocurre antes de que el GDT comience a funcionar. Los voltajes de activación son típicamente de 400 a 600 voltios para los tubos de gas y aquellos que están listados en la Norma UL 497 generalmente tienen clasificaciones de corriente de sobretensión altas, de 5000 a 10 000 amperios (8x20 μs). [39]
Los GDT crean un cortocircuito efectivo cuando se activan, de modo que si hay alguna energía eléctrica (pico, señal o potencia), el GDT se cortocircuitará. Una vez activado, un GDT continuará conduciendo (lo que se denomina corriente de seguimiento ) hasta que toda la corriente eléctrica disminuya lo suficiente y la descarga de gas se extinga. A diferencia de otros dispositivos protectores en derivación, un GDT, una vez activado, continuará conduciendo a un voltaje menor que el alto voltaje que inicialmente ionizó el gas; este comportamiento se denomina resistencia negativa .
Es posible que se necesiten circuitos auxiliares adicionales en aplicaciones de CC (y algunas de CA) para suprimir la corriente de seguimiento y evitar que destruya el GDT después de que se haya disipado el pico de inicio. Algunos GDT están diseñados para provocar un cortocircuito deliberado con un terminal conectado a tierra cuando se sobrecalientan, lo que activa un fusible externo o un disyuntor. [40]
Muchos GDT son sensibles a la luz, ya que la exposición a la luz reduce su voltaje de activación. Por lo tanto, los GDT deben protegerse de la exposición a la luz o deben utilizarse versiones opacas que sean insensibles a la luz.
Los pararrayos de la serie CG2 SN, anteriormente producidos por CP Clare, se promocionan como no radiactivos, y la hoja de datos de esa serie establece que algunos miembros de la serie CG/CG2 (75–470 V) son inherentemente radiactivos . [41]
Debido a su capacidad excepcionalmente baja, los GDT se utilizan comúnmente en líneas de alta frecuencia, como las que se utilizan en equipos de telecomunicaciones. Debido a su alta capacidad de manejo de corriente, los GDT también se pueden utilizar para proteger líneas eléctricas, pero el problema de la corriente de seguimiento debe controlarse.
Un semiconductor a granel con "sujeción de sobretensión" similar a un MOV, aunque no sujeta tan bien. Sin embargo, suele tener una vida útil más larga que un MOV. Se utiliza principalmente en circuitos de CC de alta energía, como el campo excitador de un alternador . Puede disipar energía de forma continua y conserva sus características de sujeción durante el evento de sobretensión, si se dimensiona correctamente.
Un espacio de chispa es una de las tecnologías eléctricas de protección más antiguas que todavía se encuentran en los circuitos telefónicos, habiéndose desarrollado en el siglo XIX. Un electrodo de varilla de carbono se sostiene con un aislante a una distancia específica de un segundo electrodo. La dimensión del espacio determina el voltaje al que saltará una chispa entre las dos partes y se producirá un cortocircuito a tierra. El espaciado típico para aplicaciones telefónicas en América del Norte es de 0,076 mm (0,003 pulgadas). [42] Los supresores de bloque de carbono son similares a los pararrayos de gas (GDT); pero como los dos electrodos están expuestos al aire, su comportamiento se ve afectado por la atmósfera circundante, especialmente una humedad más alta . Dado que su funcionamiento produce una chispa abierta, estos dispositivos nunca deben instalarse donde pueda desarrollarse una atmósfera explosiva.
Los inductores, reactores de línea, estranguladores y condensadores se utilizan para limitar las corrientes de falla y pueden reducir o prevenir eventos de sobretensión. [43] En aplicaciones que limitan las corrientes de falla, los inductores se conocen más comúnmente como reactores de línea eléctricos o estranguladores. Los reactores de línea pueden prevenir disparos por sobretensión, aumentar la confiabilidad y la vida útil de los dispositivos de estado sólido y reducir los disparos molestos. [44] [45] [46]
Los paneles de gabinete de control de metal pueden permitir que las fallas del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) se contengan de forma remota desde los dispositivos digitales y los controladores eléctricos. Los destellos directos de rayos y las sobretensiones de rayos en sistemas secundarios pueden causar fallas catastróficas de los SPD. Las fallas catastróficas de los SPD pueden liberar bolas de fuego de fragmentos de metal y nubes de hollín de carbono conductor. Los paneles de control evitan que estos peligros lleguen a los dispositivos digitales y de control que están montados en los paneles de control principales remotos. [47] [48] [49] Los paneles de gabinete de control se utilizan para paneles de sistemas digitales (alarma de incendio, control de acceso de seguridad, energía limpia de computadora, etc.). El cableado y los cables a proteger incluyen tanto la fuente de alimentación como cualquier cableado (circuito de señalización, circuito de dispositivo iniciador, blindajes, etc.) que se extienda más allá del edificio por medios subterráneos, aéreos u otros, como pasarelas, puentes, etc. Además, debe incluir el cableado de dispositivos ubicados en lugares altos como áticos, niveles de techo de estacionamientos, luces de estacionamiento, etc. [50] [51] Después de pasar por los SPD en los gabinetes de clasificación, el cableado puede pasar a través de conductos hacia otros gabinetes remotos, casi adyacentes, que contienen las conexiones de entrada y salida para paneles de sistemas digitales (alarma contra incendios, control de acceso de seguridad, energía limpia de computadora, controladores lógicos programables (PLC), etc.
Utilizada en rutas de transmisión de señales de RF, esta tecnología cuenta con un stub de cortocircuito de cuarto de longitud de onda sintonizado que le permite pasar un ancho de banda de frecuencias, pero presenta un cortocircuito para cualquier otra señal, especialmente hacia abajo hacia CC. Las bandas de paso pueden ser de banda estrecha (alrededor de ±5% a ±10% del ancho de banda) o de banda ancha (por encima de ±25% a ±50% del ancho de banda). Los pararrayos coaxiales de cuarto de onda tienen terminales coaxiales, compatibles con conectores de cable coaxial comunes (especialmente tipos N o 7-16 ). Proporcionan la protección más robusta disponible para señales de RF por encima de 400 MHz ; en estas frecuencias pueden funcionar mucho mejor que las celdas de descarga de gas que se usan típicamente en los pararrayos coaxiales universales/de banda ancha. Los pararrayos de cuarto de onda son útiles para aplicaciones de telecomunicaciones , como Wi-Fi a 2,4 o 5 GHz, pero menos útiles para frecuencias de TV/ CATV . Dado que un pararrayos de cuarto de onda provoca un cortocircuito en la línea para frecuencias bajas, no es compatible con sistemas que envían energía CC para un LNB a través del enlace descendente coaxial.
Estos dispositivos no se clasifican en julios porque funcionan de manera diferente a los supresores enumerados anteriormente y no dependen de materiales que se desgastan inherentemente durante sobretensiones repetidas. Los supresores SM se utilizan principalmente para controlar sobretensiones transitorias en las alimentaciones de energía eléctrica a dispositivos protegidos. Básicamente, son filtros de paso bajo de alta resistencia conectados de manera que permitan que voltajes de línea de 50 o 60 Hz pasen a la carga, mientras bloquean y desvían frecuencias más altas. Este tipo de supresor se diferencia de otros al utilizar bancos de inductores , condensadores y resistencias que suprimen las sobretensiones y la corriente de entrada al cable neutro , mientras que otros diseños derivan al cable de tierra . [52] Las sobretensiones no se desvían, sino que en realidad se suprimen. Los inductores ralentizan la energía. Dado que el inductor en serie con la ruta del circuito ralentiza el pico de corriente, la energía de pico de sobretensión se distribuye en el dominio del tiempo y se absorbe sin causar daño y se libera lentamente desde un banco de condensadores. [53]
Los resultados experimentales muestran que la mayoría de las sobretensiones ocurren a menos de 100 julios, por lo que es poco probable que se excedan los parámetros de diseño de los SM. Los supresores SM no presentan un riesgo de incendio si la energía absorbida excede los límites de diseño del material dieléctrico de los componentes porque la sobretensión también está limitada por el arco voltaico a tierra durante la caída de rayos , lo que deja un remanente de sobretensión que a menudo no excede un máximo teórico (como 6000 V a 3000 A con una forma modelada de onda de 8 × 20 microsegundos especificada por IEEE/ANSI C62.41). Debido a que los SM funcionan tanto en el aumento de corriente como en el aumento de voltaje, pueden operar de manera segura en los peores entornos de sobretensión.
La supresión SM centra su filosofía de protección en una entrada de fuente de alimentación , pero no ofrece nada para proteger contra sobretensiones que aparecen entre la entrada de un dispositivo SM y líneas de datos , como antenas, conexiones telefónicas o LAN , o múltiples dispositivos de este tipo en cascada y vinculados a los dispositivos primarios. Esto se debe a que no desvían la energía de las sobretensiones a la línea de tierra. La transmisión de datos requiere que la línea de tierra esté limpia para poder usarse como punto de referencia. En esta filosofía de diseño, el dispositivo SM ya está protegido contra tales eventos antes de la fuente de alimentación. El NIST informa que "Enviarlos [sobretensiones] por el desagüe de un conductor de tierra solo hace que reaparezcan en un microsegundo a unos 200 metros de distancia en algún otro conductor". [54] Por lo tanto, solo se requiere tener protección en una línea de transmisión de datos si las sobretensiones se desvían a la línea de tierra.
Los dispositivos SM tienden a ser más voluminosos y pesados que los dispositivos que utilizan otras tecnologías de supresión de sobretensiones. Los costos iniciales de los filtros SM son más altos, generalmente de 130 USD o más, pero se puede esperar una larga vida útil si se utilizan correctamente. Los costos de instalación en campo pueden ser más altos, ya que los dispositivos SM se instalan en serie con la alimentación eléctrica, lo que requiere que la alimentación se corte y se vuelva a conectar.
Figura 27: un cable de extensión enrollado forma un transformador longitudinal débil, un balun.
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