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El tubo de descarga de gas: Un componente de protección “antiguo” amplía su versatilidad
La protección de circuitos funciona como un seguro: no la necesita hasta que la necesita y entonces se siente aliviado de tenerla. Esta protección se divide en dos grandes categorías: protección contra sobrecorriente, por ejemplo, a través de un fusible, y contra sobretensión, utilizando dispositivos como varistores de óxido metálico (MOV) y disipadores de sobrevoltaje de tubo de descarga de gas (GDT) (Figura 1).
Figura 1: Un GDT puede utilizarse para la protección contra la sobretensión por sí solo o junto con otros dispositivos contra sobretensión y sobrecorriente. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)
La idea de los tubos de descarga de gas (GDT) y sus puntos conductores puede evocar imágenes de películas de Frankenstein con componentes y conjuntos grandes y voluminosos, lo que crea chispas espectaculares y muy visibles. Sin embargo, los GDT para protección de circuitos son bastante pequeños y las versiones de dos electrodos se colocan fácilmente entre la línea o el conductor que se debe proteger (generalmente, una línea de alimentación de CA, un puerto de E/S u otro conductor expuesto) y la puesta a tierra del sistema.
Estos GDT proporcionan una funcionalidad casi ideal al desviar las sobretensiones más altas a tierra. En condiciones normales de funcionamiento, el gas dentro del dispositivo actúa como un aislante y el GDT no conduce corriente; es tan invisible para el circuito como un componente no ideal, con una impedancia de varios gigaohmios cuando no está activado y solo unos pocos picofaradios (pF) de capacitancia parásita.
Sin embargo, cuando el voltaje a través de los terminales excede el voltaje de descarga disruptiva del dispositivo, el gas del GDT se ioniza completamente y deja de funcionar como aislante. En cambio, la conducción a través de los terminales del dispositivo se produce en una fracción de microsegundo (Figura 2). El efecto palanca del GDT limita eficazmente la sobretensión a un nivel bajo y deriva el flujo de corriente asociado o el sobrevoltaje lejos de los componentes y circuitos posteriores.
Figura 2: Cuando se excede el límite de sobretensión, el gas GDT se ioniza y el dispositivo pasa de una impedancia casi infinita a una vía altamente conductora en menos de un microsegundo. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)
Cuando el evento de sobrevoltaje disminuye y el voltaje del sistema vuelve a los niveles normales, el GDT volverá a su estado de alta impedancia (apagado). Como beneficio adicional, los GDT no están polarizados (bidireccionales) y no se desgastan con eventos repetidos de descarga disruptiva, a diferencia de otros dispositivos de protección de voltaje.
A pesar de su antigüedad y del carácter antiguo de sus principios de distancia disruptiva, que se remontan a Benjamin Franklin y su experimento con cometas (1752) y el uso de arcos disruptivos por parte de Humphrey Davy (principios de 1800), los GDT siguen siendo muy viables. Están evolucionando continuamente para satisfacer las necesidades de los circuitos y sistemas actuales.
La cifra habitual citada para el voltaje de descarga disruptiva es de 30 kV/cm (kilovoltios/centímetro). Mediante el ajuste del espaciado de los electrodos y otros factores, los GDT se pueden construir con voltajes de salto de corriente que van desde menos de 100 voltios hasta miles de voltios.
La mejora de los GDT continúa
Por ejemplo, la serie GDT28H de los GDT de alta corriente de última generación de Bourns, Inc. mejora significativamente la protección de los transitorios de voltaje causados por rayos y otras perturbaciones de la línea de alimentación de CA. Su alto índice de sobrevoltaje proporciona un nivel mejorado de limitación de voltaje durante eventos de rápido aumento mientras mantiene un tamaño compacto.
Estos tubos de descarga de gas de alto voltaje y dos electrodos ofrecen una alta resistencia de aislamiento y están disponibles en un rango de voltaje de descarga disruptiva de CC de 1 kV a 3.3 kV con una tasa de sobrevoltaje de 5 kA (kiloamperios). A diferencia de las espectaculares distancias disruptivas que se ven en las películas, estos GDT son dispositivos completamente cerrados y todos los miembros de la familia están alojados en un paquete cilíndrico con orificio pasante de 8 × 6 milímetros (mm), con terminales axiales y una capacitancia inferior a 1.5 pF (Figura 3).
Figura 3: El símbolo esquemático de un GDT de dos electrodos (izquierda) representa los pequeños dispositivos con empaque cilíndrico de la serie GDT28H. (Fuente de la imagen: Bourns, Inc.)
Entre las aplicaciones específicas, se encuentran las fuentes de alimentación, la iluminación, la calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), y los productos que deben cumplir con la norma IEC 62368-1:2018. Esta norma de seguridad ampliamente utilizada se aplica a equipos eléctricos y electrónicos en tecnología de audio, video, información y comunicación, y máquinas comerciales y de oficina con un voltaje nominal inferior a 600 voltios.
La serie GDT28H, aprobada por Underwriters Laboratories (UL), es especialmente adecuada para su uso en situaciones de aislamiento de CA. Logra este rendimiento a través de su rango de voltaje de funcionamiento extendido, alta resistencia de aislamiento y mayor índice de sobretensión. Además, la serie GDT28H ofrece un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C, lo que la hace muy adecuada para aplicaciones en condiciones adversas.
Un miembro de la familia es el GDT28H-200-A, un GDT de 2000 ±400 voltios. Como con todos los miembros de esta familia, presenta una tasa de descarga de impulso nominal de 5 kA de 8/20 microsegundos (μs). El voltaje de descarga disruptiva es de 2500 voltios (máximo) a 100 voltios/μs y 2750 voltios a 1 kV/μs.
Para los diseñadores que necesitan evaluar estos GDT, Bourns también ofrece el kit de diseño DK-GDT28H-01. Este kit incluye 20 GDT de la serie que consta de 4 dispositivos, 5 piezas cada uno de 1000, 1500, 2500 y 3300 voltios de voltaje de descarga disruptiva típica de CC.
La función GDT es un excelente ejemplo de ingenieros que utilizan un principio físico fundamental en aplicaciones diferentes y contradictorias. Mientras que los GDT están completamente cerrados y se utilizan para hacer palanca una sobretensión a tierra, la clavija de conexión disruptiva de un motor de combustión interna utiliza un salto de corriente expuesto para encender la mezcla de gasolina y aire en el motor.
La dicotomía es la siguiente: para el funcionamiento de GDT, las chispas se producen por eventos de sobretensión impredecibles, pero para el funcionamiento de la clavija de conexión disruptiva, las chispas se activan deliberadamente con una sincronización precisa.
Conclusión
Proteger los componentes de un circuito contra sobretensiones y sobrecorrientes es esencial para el diseño de un sistema. Los GDT derivan rápidamente los transitorios a tierra, lo que evita así que un voltaje excesivo alcance, dañe o destruya los componentes posteriores. Bourns aumenta la utilidad de estos dispositivos desarrollándolos para manejar una amplia gama de valores de sobretensión y sobrecorrientes asociados en un paquete pequeño y cilíndrico que cumple con todas las normas regulatorias relevantes.
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Información sobre el autor
Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.
En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.
Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.
Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.
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