Cómo seleccionar y aplicar IsoMOV para una máxima supresión de sobretensiones con un espacio mínimo

A medida que proliferan los dispositivos electrónicos y evolucionan las normativas que regulan la seguridad de los usuarios, los diseñadores buscan opciones para mejorar la protección de los dispositivos y, al mismo tiempo, minimizar el costo y el espacio en la placa. El problema es que la protección de los circuitos es muy parecida a un seguro: puede parecer un gasto innecesario hasta que se necesita. Esta protección es necesaria contra una variedad de aberraciones y fallos internos y externos, incluyendo situaciones de cortocircuito, sobrecorriente y sobretensión internas y externas. Estos sucesos pueden inutilizar temporal o permanentemente un sistema; dañar el sistema, sus componentes internos o la carga; e incluso provocar daños a un usuario.

Ninguna solución de protección sirve para todos los fallos y situaciones. Por ejemplo, cuando se trata de implementar la protección contra sobretensiones (OVP), las palancas, como los tubos de descarga de gas (GDT), suelen ser mejores para los fallos a largo plazo, mientras que las pinzas, como un varistor de óxido metálico (MOV), son más adecuadas para los eventos transitorios. Sin embargo, los GDT sufren de "corriente de retención" y los MOV pueden fallar permanentemente y pueden alcanzar temperaturas peligrosamente altas debido al desbordamiento térmico. El uso de ambos componentes conectados en serie en un enfoque híbrido compensa cualquier problema potencial, pero este enfoque complica el diseño de la placa y añade costes. Los avances en el diseño son necesarios para eliminar este compromiso.

Este artículo describe la importancia de la protección OVP y varios enfoques para conseguirla. A continuación, presenta la tecnología IsoMOV, que combina las ventajas de los GDT y los MOV en un único dispositivo con una mayor vida útil y sin corriente residual. A continuación, se presentarán ejemplos de dispositivos de Bourns Inc. se describirán sus características más destacadas y se mostrará cómo seleccionarlos y utilizarlos para una protección eficaz, eficiente y de bajo costo.

La protección tiene múltiples perspectivas

No existe una solución única para la protección de circuitos y sistemas. Esto se debe a dos razones: en primer lugar, hay muchos tipos de fallos y sucesos contra los que se necesita protección; en segundo lugar, la magnitud y la duración de la condición de fallo determinan el tipo y la resistencia de la protección necesaria.

Entre las muchas situaciones generales de fallo se encuentran:

• Sobrecorriente, cuando la carga consume demasiada corriente debido a un fallo externo, un cortocircuito o un fallo de un componente interno (incluido el fallo de aislamiento)
• Sobretensión, cuando una parte del sistema se ve sometida a una tensión excesiva debido a una desconexión
• Térmico, cuando un componente se sobrecalienta debido a un mal diseño, una gestión térmica inadecuada o un calor ambiental excesivo
• Fallo de un componente, cuando un componente interno falla y provoca una situación de sobrecorriente/sobretensión que daña otros componentes o la carga

Los fallos también suelen tener consecuencias más allá de afectar o incluso dañar un sistema, ya que pueden suponer un peligro de descarga para los usuarios.

Barras de sujeción y abrazaderas para la protección contra sobretensiones

Una de las condiciones de fallo más complicadas, tanto en circuitos de CA como de CC, es la sobretensión, denominada evento de sobretensión temporal (TOV). Este breve impulso o pico suele deberse a la caída de un rayo o a una conmutación eléctrica cercana que inyecta transitorios dañinos en los equipos eléctricos y sus sensibles componentes electrónicos.

Para hacer frente a los eventos de sobretensión y TOV se utilizan dos amplias clases de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD): la palanca y la pinza. (Tenga en cuenta que estos términos se utilizan a veces indistintamente en la discusión "casual", pero no son lo mismo)

En resumen, una palanca se convierte en un cortocircuito a través de la línea que se está protegiendo, desviando así la sobretensión y su corriente a tierra, impidiendo que llegue a los circuitos (Figura 1). La palanca se activa para pasar a este modo de baja impedancia cuando se produce la situación de sobretensión.

Nota interesante: el término "palanca" proviene supuestamente de la acción de los trabajadores industriales en los primeros días de la electricidad, que lanzaban una palanca de metal real a través de las barras de potencia y tierra cuando se producía una situación de sobretensión.

Figura 1: Cuando la función de protección crowbar se dispara, se convierte en una vía de baja impedancia entre la línea que protege y tierra, desviando así la sobretensión a tierra. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

La palanca permanece en modo de baja impedancia hasta que la corriente disminuye por debajo de la "corriente de mantenimiento", momento en el que vuelve al estado de alta impedancia y funcionamiento normal. Debe ser capaz de manejar la corriente que fluye a través de él durante el tiempo que la alimentación está en un estado de sobretensión.

En cambio, una pinza impide que la tensión supere un nivel preestablecido (figura 2). Cuando la tensión transitoria alcanza el nivel de limitación para el que está clasificado el dispositivo de bloqueo, éste bloqueará la tensión hasta que se extinga el fallo, momento en el que la línea volverá a su modo de funcionamiento normal. Es importante que la tensión nominal de apriete sea superior a la tensión normal de funcionamiento.

Figura 2: A diferencia de la palanca, la pinza limita la sobretensión a un valor predefinido. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Una pinza conduce la corriente suficiente para mantener la tensión a través de ella en un valor seguro y deseado mientras el transitorio está por encima de la tensión de conducción de la pinza. Esta corriente, aunque sea pequeña, puede dar lugar a algunos problemas relacionados con la seguridad que deben abordarse y que pueden requerir una protección adicional, cuestión que se analiza más adelante. Debe estar dimensionado para la potencia que tendrá que disipar durante un tiempo determinado, que suele ser un evento transitorio relativamente corto.

Implementación de las funciones OVP

Dado que las palancas y las abrazaderas son dispositivos de protección críticos, es esencial que sean simples, fiables y que tengan atributos de rendimiento bien entendidos y consistentes. En este sentido, son como el fusible de activación térmica, el clásico componente de protección contra sobrecorrientes que se utiliza a menudo como capa adicional de protección.

El dispositivo de palanca: El dispositivo de palanca más común es el GDT, un hueco de chispa cuidadosamente construido y dimensionado en una carcasa hermética llena de un gas inerte. En funcionamiento normal, antes de un evento TOV, parece una resistencia casi infinita (Figura 3). Sin embargo, cuando se produce la sobretensión y se supera la tensión de diseño del GDT, el gas se ioniza y el tubo se "sobrepasa" como un salto de chispa, y pasa de una alta impedancia a una impedancia muy baja. Este cambio provocará un cortocircuito temporal en la línea hasta que se extinga la avería.

Figura 3: El GDT es un sofisticado dispositivo de chispa que solo conduce cuando la tensión en sus terminales supera su valor de diseño; hasta entonces, parece un circuito abierto casi perfecto. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

El GDT se utiliza habitualmente en circuitos de corriente continua, circuitos de telecomunicaciones y circuitos de señales, todos ellos con una corriente bastante baja, de un amperio o menos. Tenga en cuenta que, a diferencia de los dramáticos GDT que se ven en las películas, el GDT para las sobretensiones de bajo nivel es un componente pequeño, encapsulado y que se puede montar en la placa de circuito impreso, y la chispa de descarga no es visible. Los GDT más pequeños se ofrecen con capacidades de 75 a 600 voltios; los más grandes se ofrecen con capacidades de miles de voltios. Uno de los problemas de los GDTs es su corriente de seguimiento (también llamada corriente de retención), que es la corriente que sigue fluyendo incluso después de que el fallo se haya extinguido.

El dispositivo de sujeción: Dos de las opciones más utilizadas para la sujeción son el diodo supresor de tensiones transitorias (PTVS) y el varistor de óxido metálico (MOV), ambos comúnmente utilizados para la protección de alta corriente en circuitos de CA y CC, motores, líneas de comunicación y circuitos de detección (Figura 4). Los MOV están disponibles con valores nominales de tensión de decenas a más de mil voltios.

Figura 4: El varistor de óxido metálico (y el supresor de tensiones transitorias de potencia) proporcionan una tensión de apriete que cubre un amplio rango de diseño. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Los MOV suelen conducir una pequeña cantidad de corriente de fuga, incluso con tensiones aplicadas muy por debajo de su tensión umbral nominal. Si un MOV es sometido a picos de tensión superiores a su capacidad nominal, pueden producirse daños permanentes que hagan aumentar la corriente de fuga. Aunque esta corriente suele ser de unos pocos miliamperios, puede suponer un peligro de descarga en algunas circunstancias.

Además, se producirá un autocalentamiento en el interior del MOV si esta corriente de fuga es lo suficientemente alta. Cuando un MOV está conectado continuamente a la red de CA, este autocalentamiento puede crear una retroalimentación positiva en la que una mayor corriente de fuga conduce a un mayor autocalentamiento, que a su vez conduce a una corriente de fuga aún mayor. Las subidas posteriores pueden acelerar aún más este ciclo.

En algún momento, el MOV entrará en un modo de escape térmico que genera un calor considerable y destruye el MOV. En algunas situaciones, el calor producido por el MOV puede convertirse en una fuente potencial de ignición (PIS) y hacer que los materiales cercanos se incendien. Este efecto debe ser considerado y tratado para las normas básicas de seguridad y relacionadas con la seguridad.

Una mejor solución OVP

Para proporcionar una solución OVP que no tenga prácticamente ninguna corriente de fuga y, por tanto, una mayor vida útil, los diseñadores suelen utilizar una disposición de doble componente. Este enfoque híbrido combina dos dispositivos discretos: un GDT y un MOV conectados en serie (Figura 5), con una curva combinada de tensión versus tiempo (Figura 6).

Figura 5: El enfoque híbrido de conectar un GDT y un MOV en serie proporciona una solución OVP más eficaz. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Figura 6: La respuesta frente al tiempo de la disposición híbrida GDT + MOV muestra cómo combina los atributos de respuesta básicos de cada dispositivo. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Es una forma eficaz de que cada dispositivo compense las posibles deficiencias del otro. Sin embargo, este enfoque conlleva costos:

• Requiere más espacio en la placa de circuito
• La lista de materiales (BOM) tiene otro componente añadido

Otro reto es que la disposición de la placa de circuito en la región del MOV y el GDT se complica por los requisitos normativos que definen las distancias mínimas de fuga y separación, donde:

• El espacio libre es la distancia más corta en el aire entre dos partes conductoras
• La fuga es la distancia más corta a lo largo de la superficie de un material aislante sólido entre dos partes conductoras

El problema es que las distancias de separación y de fuga aumentan con la tensión. Como resultado, la colocación de los componentes MOV y GDT añade otro mandato y restricción a tener en cuenta en el diseño de la placa.

Para ayudar a los diseñadores a resolver estos problemas de coste, espacio y normativa, Bourns, Inc. ha desarrollado la serie IsoMOV de componentes de protección híbridos. La familia proporciona una solución alternativa que combina un MOV y un GDT en un solo paquete, ofreciendo la funcionalidad equivalente a un MOV discreto y un GDT en serie (Figura 7).

Figura 7: El símbolo esquemático del IsoMOV (derecha) lo muestra como una fusión de los símbolos estándar individuales GDT (centro, izquierda) y MOV (arriba y abajo, izquierda). (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Un vistazo a la construcción del IsoMOV muestra que no se trata de un obvio y simplista empaquetamiento conjunto de un MOV y un GDT en una única caja compartida (Figura 8).

Figura 8: La construcción física del IsoMOV es una realización completamente diferente de la función híbrida, en lugar de una simple disposición conjunta de los dos dispositivos individuales existentes. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Tras el montaje del núcleo, se fijan los cables y se recubre la unidad con epoxi. El resultado es un paquete de MOV de disco radial familiar que es sólo ligeramente más grueso, con un diámetro más pequeño que los dispositivos convencionales de clasificación similar (Figura 9). Además, debido al diseño pendiente de patente de la tecnología de óxido metálico, el componente IsoMOV también tiene una mayor capacidad de corriente para el mismo tamaño. Se eliminan tanto la penalización de la huella como los problemas de arrastre/despeje.

Figura 9: El paquete de disco de plomo radial del IsoMOV se parece a un MOV estándar, excepto que es más pequeño en diámetro y tiene una capacidad de corriente más alta que un MOV equivalente solo. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

El IsoMOV es algo más que "lo mejor de los dos mundos", ya que el diseño tiene otras ventajas. Los fallos de los MOV se caracterizan generalmente por un "agujero de sobretensión" en el borde de la zona metalizada, que suele estar causado por una temperatura elevada en el interior del MOV durante una sobretensión. La exclusiva tecnología EdgMOV de Bourns está diseñada para reducir sustancialmente o eliminar este modo de fallo.

Un vistazo a un modelo de IsoMOV proporciona una visión más detallada. El ISOM3-275-B-L2 presenta una tensión máxima de funcionamiento continuo (MCOV) de 275 voltios cuadráticos medios (rms)/350 voltios de CC; la corriente nominal es de 3 kiloamperios (kA)/15 operaciones), 6 kA/1 operación (máxima). También es de especial interés su baja capacitancia de 30 picofaradios (pF) a 20 kilohercios (kHz), lo que lo convierte en una buena opción para las líneas de datos de alta velocidad, y tiene una baja fuga de menos de 10 microamperios (µA).

El papel de las normas

Los ingenieros de diseño deben implementar varias formas de protección contra sobretensiones (y otras) por muchas razones que van desde la práctica de diseño prudente hasta el mandato de varias normas reglamentarias. Algunas de estas normas son universales y se aplican a cualquier equipo que cumpla un escenario de funcionamiento general, como el funcionamiento de la línea de CA; otras son específicas de una determinada clase de aplicaciones, como los dispositivos médicos. Entre las organizaciones de normalización se encuentran UL, IEEE y la CEI; muchas de sus normas están "armonizadas" y, por tanto, son idénticas, o casi.

Todas estas normas son complejas, con numerosos mandatos; también incluyen excepciones que señalan pasos o características que pueden eliminarse en algunas circunstancias, así como requisitos adicionales que deben añadirse en otras. Por ejemplo, tanto la norma IEC 60950-1, "Equipos de tecnología de la información - Seguridad", como la norma UL/IEC 62368-1, "Norma para equipos de audio/vídeo y de tecnología de la información y la comunicación - Parte 1: Requisitos de seguridad" (que sustituyó a la norma IEC 60950-1 en 2020), exigen que la tensión nominal del MOV sea como mínimo del 125% de la tensión nominal del equipo. En consecuencia, la tensión nominal de un MOV debe ser de al menos 300 voltios rms para un circuito de red de 240 voltios rms.

Consideremos el caso común del enchufe de la línea de CA, que viene en versiones de dos y tres puntas. En teoría, la versión de tres cables proporciona una toma de tierra de seguridad, pero en la práctica, esa toma de tierra no suele estar conectada o disponible. La falta de una verdadera conexión de seguridad a tierra puede conducir a una condición potencialmente peligrosa cuando sólo se dispone de los cables calientes y neutros. En ese caso, es necesario añadir componentes de protección al diseño para evitar posibles descargas eléctricas si los usuarios tocan partes conductoras que deberían estar conectadas a tierra pero no lo están. Sin embargo, en este caso, la pequeña cantidad de corriente de fuga de MOV puede convertirse en un peligro de descarga eléctrica.

La solución más común para evitar que la corriente de fuga del MOV sea tan peligrosa es colocar al menos un GDT en serie con el MOV (Figura 10). Al utilizar un dispositivo IsoMOV, las funciones de MOV y GDT se encuentran en un paquete que ahorra espacio. Por lo tanto, el IsoMOV es también un componente de solución de problemas que simplifica el cumplimiento de los requisitos de seguridad exigidos por la norma UL/IEC 62368-1.

Figura 10: Para eliminar el riesgo de descarga del usuario debido a la corriente de fuga inevitable en una aplicación sin conexión a tierra, se pueden colocar dos dispositivos -un MOV y un GDT- en serie entre las líneas de CA caliente y neutra. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Figura 11: La alternativa al uso de un MOV y un GDT individuales es utilizar un único dispositivo IsoMOV, lo que da como resultado el mismo o mejor rendimiento, proporcionando una solución global mucho más pequeña. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)

Conclusión:

A menudo se encarga a los ingenieros que decidan cuál es la "mejor" solución En la mayoría de los casos, hay compromisos que no tienen una respuesta única y sencilla. En general, cuando se trata de implementar la protección contra sobretensiones, las palancas son mejores para los fallos a largo plazo, mientras que las pinzas son más adecuadas para los eventos transitorios. Sin embargo, el uso de ambos dispositivos aumenta el espacio ocupado y complica el diseño de la placa.

Ahora, sin embargo, no hay necesidad de hacer concesiones. Los IsoMOV de Bourns proporcionan una vida operativa mucho más larga que un MOV solo, pero sin los problemas de corriente de seguimiento del GDT. Los dispositivos proporcionan una protección contra sobretensiones que cumple con todas las normas pertinentes en un espacio reducido. Además, su baja corriente de fuga minimiza los problemas de seguimiento, mientras que su bajísima capacitancia los hace adecuados para la protección de circuitos de baja tensión y alta velocidad.