Cómo funciona un protector contra sobretensiones transitorias

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) tienen como función minimizar los efectos destructivos que estas causan en los equipos eléctricos y electrónicos. Existen distintos tipos de DPS según la tecnología que contienen y que caracteriza su funcionamiento ante las sobretensiones transitorias.

Las sobretensiones transitorias son aumentos de voltaje, de muy corta duración, medidos entre dos conductores, o entre conductor y tierra. Las sobretensiones transitorias pueden producir daños importantes en las instalaciones y en los equipos eléctricos y electrónicos.

Una adecuada protección interna contra sobretensiones es capaz de minimizar sus efectos destructivos. La protección contra sobretensiones se basa en limitar la amplitud de cada sobretensión y de derivar la corriente de las mismas a través de componentes específicos de protección.

Un dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS) ideal debería, ante tensiones mayores a la nominal del dispositivo, conducir la corriente manteniendo la tensión estable durante todo el tiempo que dure la sobretensión, pero parando la conducción en cuanto la tensión retorne al valor nominal.

En este artículo comentaremos brevemente algunas de las tecnologías empleadas en los DPS y cómo funcionan para proteger contra sobretensiones transitorias.

Protectores contra sobretensiones transitorias: cortocircuitadores y recortadores de tensión

Según la normativa, un protector contra sobretensiones contiene al menos un componente no lineal y su función es limitar las sobretensiones transitorias. En la mayoría de los DPS, los componentes electrónicos no lineales derivan la energía extra de la sobretensión por medio de dos tecnologías: cortocircuitando (los protectores de “tipo crowbar”) y/o recortando la tensión (“tipo clamping”).

Los protectores cortocircuitadores tienen una alta impedancia cuando no hay ondas transitorias, pero sufren un cambio repentino en el valor de esta impedancia como respuesta a sobretensiones. Es decir, cortocircuitan la alta tensión a tierra hasta que disminuye el nivel de la corriente. Entre los DPS de tipo crowbar se encuentran las vías de chispas, los explosores, los descargadores de gas, los tiristores (rectificadores de silicio) y los triacs.

Los DPS recortadores de tensión tienen también una alta impedancia cuando no hay ondas transitorias, pero reducen su valor de forma continua según aumenta el transitorio de tensión y de corriente. Por tanto, cuando la tensión supera un cierto umbral, la resistencia se reduce para desviar la energía de la sobretensión. Esta impedancia varía de forma no lineal en función de la corriente que circula por el dispositivo o de la tensión en sus terminales. Entre estos dispositivos se incluyen los rectificadores de selenio, los diodos de avalancha (Zener) y los varistores de diferentes materiales como carburo de silicio, óxido de zinc, etc. Además, los DPS formados de diodos supresores de transitorios se suelen utilizar para un último nivel de protección en líneas de datos.

Asimismo, también existen DPS combinados que incluyen componentes de corte y de reducción de tensión y pueden actuar como cortocircuitadores, recortadores o como ambos a la vez, dependiendo de la tensión presente.

Los primeros DPS que se desarrollaron eran simplemente vías de chispas que actúan como uniones equipotenciales manteniendo dos bornas separadas a menos que se produzca una sobretensión. Las vías de chispas se usan sobre todo en los sistemas de toma de tierra. Como protectores de las líneas de suministro y telecomunicaciones tienen ciertas limitaciones ya que para descebar y, en consecuencia, extinguir las corrientes después de producida la chispa, requieren de una tecnología o topología más compleja.

Descargadores de gas

Los descargadores de gas supusieron una innovación con respecto a las vías de chispas, porque, en vez de usar aire entre los electrodos, emplean un gas noble que favorece el cebado y descebado de la chispa. Este gas inerte se ioniza y conduce la corriente durante la sobretensión. El gas requiere de un tiempo determinado para ionizarse, de forma que los descargadores pueden necesitar varios microsegundos para actuar. Tienen una pequeña capacitancia de derivación, por lo que no limitan tanto el ancho de banda de circuitos de alta frecuencia como otros componentes no lineales.

Estos DPS pueden experimentar también lo que se conoce como corriente subsiguiente. Es decir, a pesar de que ya haya desaparecido la sobretensión y el arco de cebado se extinga, al encontrarse los electrodos aún calientes y el gas ionizado, puede encenderse en el siguiente semiciclo de corriente alterna. Dependiendo de la fuente de energía, la corriente subsiguiente puede ser suficiente para dañar los electrodos.

Los descargadores de gas se usan habitualmente en líneas de datos y telefónicas, donde la corriente subsiguiente no es una cuestión tan importante como en el caso de los circuitos eléctricos. Estos elementos funcionan muy bien a frecuencias altas.

Varistores y diodos supresores de sobretensiones

Los varistores son dispositivos cerámicos semiconductores que funcionan como impedancias no lineales. Generalmente están compuestos de óxidos metálicos sinterizados, siendo el más común el óxido de zinc, y de aditivos adecuados. Su estructura consiste en una matriz conductora formada por granos de óxido metálico, de manera que cada límite intergranular presenta una barrera de tensión específica. Cuando se supera esta tensión, los granos pasan a conducir la corriente formando un camino de baja resistencia que absorbe la energía de la sobretensión.

Los diodos supresores de sobretensiones son similares a los diodos Zener de tipo regulador (diodos de silicio fuertemente dopado usado para regular tensiones relativamente estables), pero se han diseñado específicamente para limitar los pulsos de las sobretensiones con tecnología de rectificadores de silicio. Su principal ventaja es que su comportamiento se aproxima al de un DPS ideal en cuanto a la limitación de tensión. Estos diodos suprimen toda la tensión por encima de su tensión nominal, con una respuesta más rápida que otros componentes de protección como los varistores y descargadores de gas (del orden de picosegundos). Sin embargo, no son adecuados para la protección de sobretensiones derivadas de rayos porque presentan una limitada capacidad de disipación de energía.

Las diversas tecnologías comentadas presentan ventajas y limitaciones. No obstante, lo importante de cara a la adecuada protección contra sobretensiones son las especificaciones técnicas de cada DPS como son la corriente máxima por polo (Imax), la corriente impulsional coordinada (Iimp), el nivel de protección (Up), la tensión máxima de funcionamiento (Uc), etc.

Además, normalmente no basta con un único dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias debido a que no reúne todas las características demandadas de intensidad de descarga y de tensión residual. Por ello, se requieren varios DPS que estén bien coordinados, actuando escalonadamente en varias etapas de protección secuenciales. De esta manera, pueden soportar las corrientes de las sobretensiones mientras dejan una tensión residual no perjudicial para los equipos conectados.

Aplicaciones Tecnológicas S.A. cuenta con una amplia gama de dispositivos de protección contra sobretensiones para distintos ámbitos que engloban los entornos industriales y domésticos. Todos los protectores han sido sometidos a ensayos en laboratorios oficiales e independientes que certifican sus características según las normas de aplicación.

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Referencias

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International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 61643-22 Low-voltage surge protective devices-Part 22. (2015).

James, S. Investigation of surge propagation in transient voltage surge suppressors and experimental verification. (The University of Waikato, 2014).

Kularatna, N., Ross, A. S., Fernando, J. & James, S. Components Used in Surge Protection Circuits. in Design of Transient Protection Systems 29–42 (2019). doi:10.1016/b978-0-12-811664-7.00003-3.

Kularatna, N. DC power supplies: Power management and surge protection for power electronic systems. (2016).

Sakshaug, R. C., Kresge, J. S. & Miske, S. A. A New Concept in Arrester Design. IEEE Trans. PAS-96 2, (1977).