Cómo aplicar dispositivos de protección de sobretensión de CA híbridos para mejorar la protección contra sobretensiones

Por Art Pini

Colaboración de Editores de DigiKey de América del Norte

Los dispositivos electrónicos son omnipresentes y avanzan rápidamente con circuitos cada vez más sensibles que dependen en gran medida de la protección front-end a medida que acceden a la infraestructura eléctrica, que puede o no tener la protección más actualizada contra sobretensiones y transitorios. Estos transitorios pueden ser el resultado de rayos, interruptores o incidentes similares de sobretensión que pueden causar eventos de sobretensión y sobrecorriente que pueden dañar o degradar dispositivos electrónicos sensibles.

Las tecnologías de protección contra sobretensiones de bajo costo existentes, como los tubos de descarga de gas (GDT) y los varistores de óxido de meta (MOV), desvían o limitan la energía de la sobretensión, impidiendo así que llegue al dispositivo protegido. Cada uno tiene sus ventajas respectivas, pero ambos dispositivos tienen límites en cuanto al número de transitorios que pueden soportar antes de fallar. Además, es posible que los GDT no corten la corriente por completo, mientras que los MOV pueden fallar debido al desbordamiento térmico tras varias activaciones de eventos transitorios.

Para capturar lo mejor tanto de los GDT como de los MOV, al tiempo que se mitigan sus deficiencias, han surgido componentes de tecnología híbrida en un único dispositivo integrado con un tamaño físico comparativamente menor para un nivel determinado de protección contra sobretensiones. Aunque la naturaleza complementaria de los componentes integrados mejora el rendimiento de ambos y prolonga su vida útil, para que sean eficaces es necesario que los elementos del GDT (tubo de descarga de gas) y del MOV coincidan cuidadosamente. Si se implementan correctamente, estos protectores de sobretensión híbridos IsoMOV™ son especialmente útiles para garantizar el cumplimiento de la norma IEC/UL62368-1, una norma basada en riesgos para equipos de tecnología de la información y equipos de audio/visual.

En este artículo se describe brevemente el funcionamiento de los protectores de sobretensión GDT y MOV antes de examinar las características de ejemplos reales de protectores híbridos IsoMOV de Bourns. Concluye mostrando cómo implantar la tecnología IsoMOV para cumplir la norma IEC/UL62368-1.

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Los componentes de protección contra sobretensiones funcionan de dos maneras: pueden actuar como un interruptor, desviando la sobretensión a tierra (lo que a veces se denomina "crowbarring"), o pueden limitar la sobretensión fijando la tensión máxima a un nivel reducido mediante la absorción y disipación de la energía transitoria.

El GDT es un ejemplo de limitador de palanca. Consiste en una vía de chispas en un gas no reactivo como el argón y se cablea a través de la línea eléctrica. Si el nivel de tensión es inferior a la tensión de ruptura del GDT, el dispositivo se encuentra básicamente en un estado "apagado" de alta impedancia. Si un transitorio aumenta el nivel de tensión por encima del Voltaje disruptivo del GDT, el GDT pasa a un estado de conducción - o "encendido" - (Figura 1).

Gráfico de formas de onda de voltaje y corriente para un GDT que se activa enFigura 1: Se muestran las formas de onda de voltaje y corriente de un GDT que se activa. Una vez superado el voltaje disruptivo, el voltaje cae a unos 10 voltios y la corriente aumenta considerablemente. (Fuente de la imagen: Bourns)

Dado que el GDT está cableado a través de la entrada de alimentación, básicamente cortocircuita la fuente de alimentación. Esto activa un fusible, un disyuntor u otro dispositivo de protección en serie, protegiendo así los circuitos aguas abajo del GDT (tubo de descarga de gas). Tenga en cuenta que en el estado apagado, el voltaje es alto y la corriente baja. En estado encendido, ocurre lo contrario y la potencia disipada es muy pequeña, excepto en la transición entre estados. El restablecimiento del estado del GDT requiere que la tensión de entrada se reduzca por debajo del voltaje disruptivo. En caso de que la entrada de la línea de alimentación no baje lo suficiente, es posible que el GDT no se reinicie y continúe conduciendo una corriente de "seguimiento", manteniéndolo encendido. La posibilidad de que el GDT permanezca encendido es una limitación importante para este tipo de tecnología de protección contra sobretensiones.

El MOV es un dispositivo de sujeción. Al igual que el GDT, se coloca a través de la línea eléctrica. En funcionamiento normal, el MOV se encuentra en un estado de alta impedancia y consume sólo una pequeña corriente de fuga (Figura 2).

Imagen de la característica corriente-voltaje de un MOVFigura 2: La característica corriente-tensión de un MOV muestra la acción de apriete bipolar. (Fuente de la imagen: Bourns)

En caso de sobretensión, la impedancia del MOV cae y consume más corriente, disipando la potencia; esto reduce y limita el voltaje del transitorio. Cuando finaliza el transitorio, la impedancia del MOV aumenta y vuelve a su estado normal. Los MOV se clasifican en función del número de transitorios que pueden tolerar. Después de varios eventos transitorios, la Corriente de fuga del MOV puede aumentar. Esto aumenta la potencia disipada por el dispositivo, provocando su calentamiento. El calentamiento aumenta la Corriente de fuga y puede hacer que el MOV entre en embalamiento térmico, provocando un fallo catastrófico del dispositivo.

Ninguna de estas tecnologías de protección contra sobretensiones es ideal por sí sola. Sin embargo, si el GDT y el MOV se colocan en serie a través de la línea de alimentación, su comportamiento complementario se hace evidente. En funcionamiento normal, el GDT (tubo de descarga de gas) está apagado y no hay flujo de corriente de fuga en el MOV. Durante un transitorio de voltaje, el GDT se dispara, colocando así el MOV en el circuito. A continuación, el MOV bloquea la sobretensión transitoria. Cuando el transitorio ha pasado, el MOV se apaga, reduciendo la corriente a través del GDT (tubo de descarga de gas), permitiendo que se apague también.

Para colocar el GDT (tubo de descarga de gas) y el MOV en serie es necesario adaptar cuidadosamente sus características para que se complementen con precisión. Las implementaciones discretas están sujetas a un amplio rango de variables, desde el diseño hasta la fabricación, pasando por las pruebas y el embalaje, lo que dificulta a los diseñadores encontrar buenas combinaciones. Para hacer frente a estos retos, los protectores híbridos IsoMOV de Bourns combinan un conjunto de MOVs cuidadosamente adaptados y un elemento GDT en un único paquete mucho más pequeño que los componentes individuales (Figura 3).

El diagrama del SPD IsoMOV se forma incorporando el GDT (tubo de descarga de gas) entre dos MOV.Figura 3: El SPD IsoMOV se forma incorporando el GDT entre dos MOV (a). El símbolo esquemático compuesto se muestra a la derecha en (b). (Fuente de la imagen: Bourns)

La respuesta de transiente de voltaje compuesta del protector híbrido IsoMOV en la figura 4 muestra cómo trabajan juntos ambos elementos.

Gráfico de respuesta de voltaje del protector híbrido IsoMOV™.Figura 4: La respuesta en tensión del protector híbrido IsoMOV muestra la ruptura del componente GDT para activar los componentes MOV, protegiendo los circuitos aguas abajo. (Fuente de la imagen: Bourns)

Ambos elementos del protector híbrido IsoMOV están diseñados para soportar de forma independiente el voltaje máximo de funcionamiento continuo (MCOV). Como se ha mencionado, el GDT (tubo de descarga de gas) bloquea las corrientes de fuga del MOV cuando no hay transitorios presentes. Incluso después de muchos transitorios, el GDT corta los crecientes niveles de corriente de fuga MOV. El MOV evita la corriente de seguimiento tras una sobretensión transitoria, protegiendo así el GDT (tubo de descarga de gas). La geometría del dispositivo IsoMOV aumenta la capacidad de sobretensión por unidad de superficie en comparación con un solo MOV.

Desde el punto de vista del ingeniero de diseño, los dispositivos IsoMOV proporcionan una mayor protección en un pequeño encapsulado integrado que minimiza tanto el número de componentes como el espacio en la placa. Por ejemplo, el ISOM3-175-B-L2 es un protector híbrido IsoMOV con un MCOV de 175 voltios cuadráticos medios (VRMS), capaz de gestionar al menos quince sobretensiones nominales de 3 kiloamperios (kA) con un voltaje de sujeción máximo de 470 voltios (Figura 5). Tiene un diámetro de 13.2 milímetros y un grosor de 6.1 mm. El diámetro varía con la capacidad de corriente máxima, y el grosor aumenta con el incremento del MCOV.

Imagen del protector híbrido ISOM3-175-B-L2 IsoMOV™ de BournsFigura 5: El ISOM3-175-B-L2 es un ejemplo del factor de forma compacto del protector híbrido IsoMOV. Aunque incluye dos MOV y un GDT, sólo mide 13.2 mm de diámetro y 6.1 mm de grosor. (Fuente de la imagen: Bourns)

La familia Bourns IsoMOV incluye tres valores nominales de corriente distintos de 3 kA, 5 kA y 8 kA, con valores MCOV de 175 a 555 VRMS. Los dispositivos de gama media incluyen el ISOM5-300-B-L2, un dispositivo de 300 VRMS y 5 kA con un diámetro de 17 mm y un grosor de 7.1 mm. En el extremo de alta corriente está el ISOM8-555-B-L2, que es un dispositivo de 8 kA con un MCOV de 555 VRMS. Tiene un diámetro de 23 mm y un grosor de 9.4 mm. Todos estos dispositivos tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C.

Los protectores híbridos IsoMOV de Bourns ofrecen estos valores nominales de sobretensión de vanguardia en un factor de forma que ahorra espacio en comparación con el uso de MOV y GDT por separado. Tienen corrientes de fuga ultrabajas, y la serie GDT prolonga la vida útil del MOV. Además, todos los SPD de IsoMOV están catalogados como componentes UL1449 tipo 4, lo que facilita su diseño como dispositivos de protección contra sobretensiones.

Protección según los niveles IEC/UL62368-1

Los componentes IsoMOV son soluciones útiles para lograr la conformidad con IEC/UL62368-1. La nueva norma de seguridad IEC/UL 62368-1 para equipos audiovisuales y de tecnologías de la información y la comunicación se basa en los principios de la ingeniería de seguridad basada en riesgos (HBSE) para la seguridad física de los usuarios de los equipos y la aplicación de medidas de seguridad. Identifica las fuentes de energía potencialmente peligrosas y los procesos por los que puede transmitirse energía a un usuario, tanto en condiciones normales de funcionamiento como en caso de avería.

El diseño de protección de entrada de alimentación recomendado en la Figura 6 incluye dispositivos de protección de línea a neutro, de línea a tierra de protección y de neutro a tierra de protección.

Diagrama del circuito de protección de entrada de alimentación recomendado conforme a IEC/UL62368-1 (haga clic para ampliar)Figura 6: El circuito de protección de entrada de alimentación recomendado conforme a IEC/UL62368-1 tiene dispositivos de protección de línea a neutro, de línea a tierra de protección y de neutro a tierra de protección. (Fuente de la imagen: Bourns)

Los GDT en serie con MOV o IsoMOV entre línea y tierra o neutro a tierra son necesarios para proteger de las descargas eléctricas que podrían producirse si se utilizara un MOV solo. Si la toma de tierra de protección no estuviera conectada, la Corriente de fuga del MOV por sí sola podría ser lo suficientemente alta como para causar lesiones si el usuario tocara la toma de tierra aislada. La colocación del GDT en serie elimina esa Corriente de fuga.

Los peligros asociados a los MOV y a los dispositivos que los contienen incluyen descargas debidas a corrientes de fuga excesivas y la posibilidad de incendio. Debido a su modo de fallo, los MOV se consideran fuentes potenciales de ignición (PIS), lo que requiere que el diseño incluya medidas para reducir la posibilidad de ignición y bloquear la propagación de cualquier incendio.

Los protectores de sobretensión contribuyen a aumentar la fiabilidad del producto y deben cumplir las pruebas específicas exigidas por la norma. Por ejemplo, El MCOV de un MOV debe ser al menos 1.25 veces el límite superior de voltaje del rango de voltaje del equipo. Para equipos con un rango de entrada de energía de 85 a 250 voltios CA, el MCOV mínimo para un MOV de protección de línea en ese equipo debe ser de 313 voltios. Los circuitos de protección de línea que incluyen un MOV a través de la línea están sujetos a un TEST basado en una tensión de línea del doble de la nominal. La corriente de entrada se limita secuencialmente mediante resistencias a valores de 0.125, 0.25, 0.5, 1 y 2 A. Dado que el MOV es una fuente potencial de incendio, la prueba continúa hasta que el MOV falla. Esta prueba no es necesaria para los MOV con MCOV superior a dos veces la tensión de línea nominal máxima debido a la muy baja posibilidad de fallo del MOV en esas condiciones.

Conclusión:

Los protectores híbridos IsoMOV ofrecen una protección mejorada y más compacta para los sistemas electrónicos, que avanzan, se encogen y proliferan a un ritmo acelerado, en un contexto de infraestructuras envejecidas o mal protegidas y de normas de protección del usuario en constante evolución. Además de un rendimiento y un ahorro de espacio excepcionales, tienen un rango de temperatura ampliado, un bajo nivel de fugas y una gran capacidad de gestión de la energía. Aunque son especialmente ventajosas para aplicaciones industriales expuestas a sobretensiones elevadas, pueden implantarse fácilmente en equipos audiovisuales y de tecnología de la información y las comunicaciones para cumplir la norma IEC/UL62368-1 basada en la Ingeniería de Seguridad basada en Riesgos (HBSE).

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Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye DigiKey. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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