CUI: Aspectos básicos de la protección contra sobretensiones de fuentes de alimentación
En este artículo se tratan los aspectos básicos de la protección contra sobretensiones mediante la identificación de las causas de las sobrecargas de tensión, la familiarización con las normas reglamentarias de ensayo de sobretensiones y mediante diseños y componentes para la supresión de sobretensiones.
Las sobrecargas de tensión son un problema de muchos dispositivos conectados a la red eléctrica. Las sobrecargas pueden provocar daños en las fuentes de alimentación y los dispositivos que alimentan si no han sido diseñados de forma adecuada para el entorno previsto.
¿Qué provoca las sobrecargas de tensión?
Las tres principales causas de las sobretensiones son:
- rayos
- cargas transitorias
- fallos
Las descargas de rayos son una fuente usual de sobretensiones transitorias externas, que transportan mucha más corriente a voltajes mucho más altos que para los que están preparados la mayoría de los sistemas electrónicos. Estas sobrecargas de tensión suelen ser suficientemente grandes como para provocar el fallo inmediato de dispositivos electrónicos si no se ha implementado el nivel de protección adecuado.
Las sobretensiones en la línea de alimentación CA también pueden deberse a la conexión o desconexión de otros dispositivos en un circuito eléctrico. Los cambios de corriente intensos y rápidos en el cableado pueden provocar picos de tensión.
Los fallos también pueden ser el origen de sobretensiones y derivar en una aplicación de voltajes excesivos en la entrada del suministro eléctrico. El fallo de componentes de sistema y dispositivos puede provocar tensiones y corrientes transitorias en otras partes del sistema debidas a cortocircuitos o aperturas de circuitos involuntarios.
La intensidad y la magnitud de la sobretensión en la entrada de suministro eléctrico depende de muchos factores, p. ej. el emplazamiento, el cableado y el nivel de protección contra sobretensiones aplicado a la entrada de suministro eléctrico, ya sea interna o externamente.
Las normas internacionales definen niveles de protección
Las normas se han desarrollado para clasificar y asesorar sobre el nivel de protección requerido. La más usual para las fuentes de alimentación es la IEC 61000-4-5, de la Comisión Electrotécnica Internacional. En muchas normas nacionales sobre inmunidad se hace referencia a la misma como EN 55035, que establece los requisitos de inmunidad para los equipos multimedia.
La norma IEC 61000-4-5 define un método de prueba normalizado, así como diferentes niveles de protección basados en la clase de instalación y los métodos de acoplamiento. Las fuentes de alimentación CC suelen corresponder a las clases de instalación 3-5 con requisitos de prueba de 1 kV a 4 kV (tabla 1).
Tabla 1: Ensayos de inmunidad a las ondas de choque IEC 61000-4-5 para fuentes de alimentación CA y CC conectadas a la red eléctrica
Circuitos y dispositivos para la supresión de sobretensiones
La protección de las fuentes de alimentación y sus cargas de sobretensiones suelen precisar algún tipo de circuito de protección contra sobretensiones interno o externo.
Hay dos clases principales de circuitos de protección contra sobretensiones:
- circuito de bloqueo
- circuito crowbar
- Bloqueo de sobretensiones
Los bloqueos de tensión evitan que la tensión exceda la tensión de bloqueo seleccionada. Durante la sobretensión, la tensión se mantiene en la tensión de bloqueo y la corriente se deriva a través del bloqueo hasta que desaparece la sobretensión. Hay tres dispositivos que suelen utilizarse como bloqueos: diodos supresores de tensiones transitorias (TVS), varistores metal-óxido (MOV) y tubos de descarga de gas (GDT). La velocidad y la capacidad de gestión de la energía de cada uno es inversamente proporcional según se indica en la tabla 2 y puede ser necesario combinar distintos tipos de bloqueos.
Diodos supresores de transitorios
Los TVS son diodos diseñados para absorber la energía excedente de un pico de tensión y de bloquearlo. Pueden ser unidireccionales o bidireccionales. Estos diodos disponen de una tensión de punto de inflexión como un diodo Zener por encima del cual el diodo comenzará a conducir. Esto hace que la tensión se bloquee en la tensión de punto de inflexión y que la energía excedente se derive de la fuente de alimentación.
Tabla 2: Componentes y características del bloqueo de sobretensiones típico
Bloqueos por varistor
El varistores metal-óxido (MOV) semiconductor bidireccional es una resistencia variable sensible a la tensión. Los MOV poseen una gran resistencia a baja tensión y una baja resistencia a alta tensión. Proporcionan una tensión de bloqueo más suave y poseen un tiempo de reacción más lento que los diodos TVS. Además, los MOV se desgastan y solo pueden gestionar un número limitado de eventos de sobretensión. No obstante, debido a su bajo coste y a la capacidad de gestión de sobretensiones, suelen utilizarse para la protección contra sobretensiones en fuentes de alimentación.
Circuitos crowbar
El crowbar es un tipo distinto de circuito de protección contra sobretensiones. Los dispositivos crowbar, en lugar de limitar la tensión a un valor máximo, cortocircuitan los nodos del circuito, acercando la tensión a cero. Los tubos de descarga de gas (GDT) suelen utilizarse como crowbars. Los GDT, de forma parecida a los TVS, actúan como un interruptor dependiente de la tensión. Este dispositivo se comporta normalmente como un circuito abierto y como un cortocircuito al excederse su umbral de tensión. Los GDT pueden gestionar más corriente, pero también tienden a ser el dispositivo de protección contra sobretensiones que reacciona más lentamente. A veces, las fuentes de alimentación los utilizan junto con otros métodos para lograr una solución más robusta.
Inmunidad frente a sobretensiones en las fuentes de alimentación existentes
Las fuentes de alimentación existentes pueden o no disponer de una protección contra sobretensiones interna. Las fuentes de alimentación para montaje en placa ofrecen una gama de opciones que van desde la ausencia de protección interna hasta el máximo nivel de protección. A menudo, los fabricantes ofrecen diseños de referencia para mejorar el nivel de rendimiento intrínseco. El diseñador debe prestar atención a la hoja de datos para comprobar si el circuito externo del fabricante satisface el nivel de rendimiento adecuado para la aplicación.
Conclusión
La naturaleza de las sobrecargas de tensión es que cada una de ellas es completamente impredecible. Es decir, puede evaluarse un sistema y saber con antelación a qué tipos de sobretensiones podría estar sujeto y recomendarse una cantidad adecuada de protección contra sobretensiones. Pero el nivel adecuado puede variar. Es posible que algunos sistemas experimenten sobretensiones en su mayoría comunes y relativamente fáciles de manejar. Por ejemplo, la conexión y desconexión de otros equipos cercanos. El otro extremo podría ser un sistema en un área en la que hay mucha actividad de rayos.
En este caso, probablemente se recomendaría la protección para gestionar los picos de mayor gravedad. Hay muchas circunstancias distintas entre estos dos extremos, por lo que expertos como CUI pueden ayudar a seleccionar la fuente de alimentación adecuada para su aplicación.
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