Como funciona um protetor contra sobretensões transitórias

Os dispositivos de proteção contra sobretensões (DPS) são concebidos para minimizar os efeitos destrutivos das sobretensões nos equipamentos elétricos e eletrónicos. Existem diferentes tipos de DPS, dependendo da tecnologia que contêm e que caracteriza o seu funcionamento contra sobretensões transitórias.

As sobretensões transitórias são picos de tensão, de muito curta duração, medidos entre dois condutores, ou entre o condutor e a terra. As sobretensões transitórias podem causar danos significativos em instalações e equipamentos elétricos e eletrónicos.

Uma proteção interna adequada contra sobretensões é capaz de minimizar os seus efeitos destrutivos. A proteção contra sobretensões baseia-se na limitação da amplitude de cada sobretensão e na derivação da corrente de sobretensões através de componentes de proteção específicos.

Um dispositivo de proteção contra sobretensões (DPS) ideal deve, no caso de tensões superiores à tensão nominal do dispositivo, conduzir a corrente mantendo a tensão estável durante a duração da sobretensão, mas parar de conduzir assim que a tensão volta ao valor nominal.

Neste artigo comentaremos brevemente algumas das tecnologias empregues nos DPS e como funcionam para proteger contra sobretensões transitórias.

Protetores contra sobretensões transitórias: dispositivos de curto-circuito e de corte de tensão.

De acordo com as normas, um protetor de sobretensões contém pelo menos um componente não linear e a sua função é limitar as sobretensões transitórias. Na maioria dos DPS, os componentes eletrónicos não lineares derivam a energia extra da sobretensão por meio de duas tecnologias: curto-circuito (protetores de ” tipo crowbar “) e/ou recorte de tensão (“tipo clamping”).

Os protetores de curto-circuito têm uma impedância elevada quando não há ondas transitórias, mas sofrem uma alteração súbita no valor desta impedância em resposta a sobretensões. Ou seja, curto-circuitam a alta voltagem à terra até que o nível de corrente diminua. Entre os DPS do tipo crowbar incluem-se os disruptores de terras, os explosores, os descarregadores de gás, os tirístores (retificadores de silício) e os triacs.

Os DPS limitadores de tensão também têm uma impedância elevada quando não há ondas transitórias, mas reduzem continuamente o seu valor à medida que a tensão e a corrente transitória aumentam. Portanto, quando a tensão excede um determinado limiar, a resistência é reduzida para desviar a energia da sobretensão. Esta impedância varia não linearmente em função da corrente que flui através do dispositivo ou da tensão nos seus terminais. Estes dispositivos incluem retificadores de selénio, díodos de avalanche (Zener), e vistores feitos de diferentes materiais tais como carboneto de silício, óxido de zinco, etc. Além disso, os DPS compostos por díodos supressores transitórios são frequentemente utilizados para um último nível de proteção nas linhas de dados.

Além disso, existem também DPS combinados que incluem componentes de corte e de redução de tensão e podem atuar como disjuntores de curto-circuito, limitadores ou ambos, dependendo da tensão presente.

Os primeiros DPS que foram desenvolvidos eram simplesmente disruptores que atuavam como uniões equipotenciais mantendo dois terminais separados, a menos que ocorresse uma sobretensão. Os disruptores são principalmente utilizados em sistemas de ligação à terra. Como protetores das linhas de fornecimento e de telecomunicações têm certas limitações, uma vez que requerem tecnologia ou topologia mais complexa para deixar de conduzir e assim extinguir as correntes após a faísca ter ocorrido.

Descarregadores de gás

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.

Estes DPS também podem experimentar o que é conhecido como corrente subsequente. Ou seja, embora a sobretensão já tenha desaparecido e o arco voltaico se tenha extinguido, os elétrodos ainda estão quentes e o gás está ionizado, fazendo com que possam inflamar-se no próximo semi-ciclo de corrente alterna. Dependendo da fonte de energia, a corrente subsequente pode ser suficiente para danificar os elétrodos.

Os descarregadores de gás são normalmente utilizados em linhas telefónicas e de dados, onde a corrente subsequente não é uma questão tão importante como no caso dos circuitos elétricos. Estes elementos funcionam muito bem em frequências altas.

Varistores e díodos supressores de sobretensões

Os varistores são dispositivos cerâmicos semicondutores que funcionam como impedâncias não lineares. São geralmente compostos de óxidos metálicos sinterizados, sendo o mais comum o óxido de zinco, e aditivos adequados. A sua estrutura consiste numa matriz condutora de grãos de óxido de metal, de modo que cada limite intergranular apresenta uma barreira de tensão específica. Quando se supera esta tensão, os grãos passam a conduzir a corrente, formando um caminho de baixa resistência que absorve a energia da sobretensão.

Os díodos supressores de sobretensões são semelhantes aos díodos Zener do tipo regulador (díodos de silício fortemente dopados utilizados para regular tensões relativamente estáveis), mas são especificamente concebidos para limitar os impulsos das sobretensões com tecnologia retificadora de silício. A sua principal vantagem é que o seu comportamento é semelhante ao de um DPS ideal em termos de limitação de tensão. Estes díodos suprimem toda a tensão acima da sua tensão nominal, com uma resposta mais rápida que outros componentes de proteção, tais como varistores e descarregadores de gás (na ordem dos picossegundos). No entanto, não são adequados para a proteção de sobretensões derivadas de raios porque apresentam uma limitada capacidade de dissipação de energia.

Há vantagens e limitações nas diferentes tecnologias discutidas. No entanto, o que é importante para uma proteção adequada contra sobretensões são as especificações técnicas de cada DPS, tais como corrente máxima dos polos (Imax), corrente de impulso coordenada (Iimp), nível de proteção (Up), tensão máxima de funcionamento (Uc), etc.

Além disso, um único dispositivo de proteção contra sobretensão transitória não é normalmente suficiente porque não satisfaz todas as características de corrente de descarga e tensão residual exigidas. Por isso, são necessários vários DPS bem coordenados, atuando escalonadamente em várias etapas sequenciais de proteção. Desta forma, podem suportar as correntes das sobretensões, deixando uma tensão residual que não é prejudicial para o equipamento ligado.

Aplicaciones Tecnológicas S.A. possui uma vasta gama de dispositivos de proteção contra sobretensões para diferentes campos, incluindo ambientes industriais e domésticos. Todos os protetores foram submetidos a ensaios laboratoriais, em laboratórios oficiais e independentes que certificam as suas características de acordo com as normas aplicáveis.

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Referências

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