Componentes e circuitos de proteção

Quando ocorrem sobretensões, os equipamentos e cabos têm que ser rapidamente curto-circuitados com uma compensação de potencial. Para isso, estão disponíveis diferentes componentes com características correspondentes. A principal diferença entre estes componentes é seu comportamento de resposta e sua capacidade de descarga.

Diodos supressores

Símbolo gráfico e curvas características U/I de um diodo supressor  

Símbolo gráfico e curvas características U/I de um diodo supressor

Características:

  • A função é geralmente definida como proteção fina.
  • Reage com muita rapidez.
  • Baixa limitação de tensão.
  • Versão padrão com reduzida capacidade de condução de corrente e uma elevada capacidade.
    • Com uma tensão nominal de 5 V, a capacidade de descarga máxima é de aprox. 750 A.
    • Com tensões nominais mais elevadas, a capacidade de descarga diminui significativamente.

Particularidades:

Também existem diodos com uma tensão nominal superior e com uma maior capacidade de descarga. No entanto, estas versões são significativamente maiores e, por isso, raramente são utilizadas em circuitos de proteção combinados.

Legenda:

UR = tensão de bloqueio
UB = tensão de ruptura
UC = tensão de limitação
IPP = impulso de corrente
IR = corrente de retorno

Varistores

Símbolo gráfico e curvas características U/I de varistores de óxido de metal  

Símbolo gráfico e curvas características U/I de varistores de óxido de metal

Características:

  • A função é geralmente definida como proteção média.
  • Os tempos de resposta se situam na faixa inferior de nanossegundos.
  • Reagem de forma mais rápida que dispositivos de proteção.
  • Não causam nenhumas correntes subsequentes de rede.

Particularidades:

Varistores com até 2,5 kA de corrente de descarga nominal são utilizados como nível de proteção médio na tecnologia de instrumentação. Na área da fonte de alimentação, os varistores com até 3 kA de corrente de descarga nominal são uma parte integrante de circuitos de proteção em dispositivos de proteção de tipo 3 para a proteção de equipamentos. Os varistores utilizados em dispositivos de proteção contra surtos de tipo 2 possuem um desempenho consideravelmente superior. Nesta área de aplicação, a versão padrão domina correntes de descarga nominal até 20 kA. Para aplicações especiais também existem dispositivos de proteção de tipo 2 com até 80 kA.

Legenda:

A = faixa operacional de alto valor ôhmico
B = faixa operacional de baixo valor ôhmico/faixa de limitação

Dispositivos de proteção contra surtos a gás

Símbolo gráfico e curva característica de ignição de um dispositivo de proteção contra surtos a gás  

Símbolo gráfico e curva característica de ignição de um dispositivo de proteção contra surtos a gás

Características:

  • A função é geralmente definida como proteção média.
  • Os tempos de resposta se situam na faixa média de nanossegundos.
  • As variantes padrão derivam correntes até 20 kA.
  • Apesar de sua elevada capacidade de descarga, o componente possui dimensões muito pequenas.

Particularidades:

Neste componente, o comportamento de ignição dependente do tempo de tensão resulta em tensões residuais que ainda podem ser de algumas centenas de Volts.

Legenda:

1) Comportamento de resposta estático
2) Comportamento de resposta dinâmico

Spark gaps

Símbolo gráfico e curva característica de ignição de um spark gap  

Símbolo gráfico e curva característica de ignição de um spark gap

Características:

  • Parte principal de um dispositivo de proteção contra raios
  • Elevada capacidade de extinção de correntes subsequentes de rede
  • Velocidade de resposta relativamente elevada
  • Comportamento de ignição dependente do aumento de tensão ao longo do tempo

Particularidades:

Na maioria dos casos, o elemento central de um dispositivo de proteção contra raios é um spark gap. Neste componente existem dois condutores de faíscas dispostos frente a frente a pouca distância entre si. As sobretensões causam uma descarga disruptiva entre os condutores de faíscas e é criado um arco voltaico. Este trajeto de plasma curto-circuita a sobretensão. Nesse processo, passam correntes muito elevadas e com um aumento acentuado chegando até às centenas de kA. Existem spark gaps abertos e fechados. Fisicamente, a capacidade de descarga e de extinção é maior em spark gaps abertos.

A tecnologia Arc Chopping tem demonstrado ser especialmente eficaz para spark gaps. Neste caso, do lado oposto aos eletrodos existe adicionalmente a chamada placa defletora. O arco voltaico é empurrado entre os eletrodos na direção da placa defletora e é aí esmagado. Nesse processo são criados fragmentos de arco voltaico que são soprados para fora da área do spark gap e se extinguem facilmente em seguida. Desse modo, o spark gap pode retomar novamente o alto valor ôhmico, quando já não existir a sobretensão.

Legenda:

UZ = tensão de resposta/tensão de ignição
tZ = tempo de resposta

Circuitos de proteção combinados para interfaces de sinais

Dependendo do caso de aplicação, são utilizados diferentes componentes. Podem ser combinados de forma individual ou também em circuitos de proteção complexos.

Circuito de proteção de dois níveis com desacoplamento ôhmico (esquerda) e circuito de proteção de três níveis com desacoplamento indutivo (direita)

Circuito de proteção de dois níveis com desacoplamento ôhmico (esquerda) e circuito de proteção de três níveis com desacoplamento indutivo (direita)

Uma combinação de diferentes componentes permite reunir as vantagens desejadas específicas do componente. Por exemplo, combinações de circuitos de centelhadores a gás e diodos supressores representam um circuito de proteção padrão para interfaces de sinais sensíveis. Esta combinação oferece uma proteção de alto desempenho e de resposta rápida com o melhor nível de proteção possível.

Os componentes estão conectados de forma indireta e paralela como níveis de proteção. Ou seja, entre os componentes estão ligados elementos de desacoplamento ôhmicos ou indutivos em série. Isso resulta em uma ativação temporalmente desfasada dos níveis de proteção com uma organização escalonada.

Por princípio, os circuitos de proteção se distinguem por:

  • Quantidade de níveis de proteção
  • Direção de atuação do circuito (proteção longitudinal/transversal)
  • Tensão nominal
  • Efeito de atenuação sobre as frequências de sinal
  • Nível de proteção (tensão de limitação)

Função de circuitos de proteção em vários níveis

Distribuição de tensão em um circuito de proteção de dois níveis  

Distribuição de tensão em um circuito de proteção de dois níveis

Se ocorrer uma sobretensão, o diodo supressor é o componente mais rápido e, assim, o primeiro a ser acionado. A corrente de descarga passa pelo diodo supressor e a resistência de isolamento ligada a montante. Através da resistência de isolamento é reduzida uma tensão, que corresponde ao valor diferencial entre as diferentes tensões de resposta do diodo supressor e do dispositivo de proteção contra surtos.

Assim é atingida a tensão de resposta do centelhador a gás antes que a corrente de surto sobrecarregue o diodo supressor. Ou seja, quando o dispositivo de proteção contra surtos a gás é acionado, a corrente de descarga passa quase completamente através do centelhador a gás. A tensão residual através do centelhador a gás é de, no máximo, 20 V, permitindo aliviar o diodo supressor. Em caso de uma corrente de descarga reduzida que não sobrecarrega o diodo supressor, não é acionado o dispositivo de proteção contra surtos a gás.

O circuito representado oferece a vantagem de um rápido acionamento com uma baixa limitação de tensão, ao mesmo tempo que tem uma elevada capacidade de descarga. Um circuito de proteção de três níveis com desacoplamento indutivo funciona conforme o mesmo princípio. No entanto, a comutação se efetua em dois passos: primeiro do diodo supressor para o varistor e depois para o dispositivo de proteção contra surtos a gás.

Geralmente, o princípio da distribuição de tensão também atua entre os vários níveis de proteção na área da fonte de alimentação. Nesse processo, UW se reduz através do cabo entre os dispositivos de proteção de tipo 1 e de tipo 2, bem como de tipo 2 e de tipo 3. Mas também existem dispositivos de proteção contra surtos para a fonte de alimentação em que é possível uma coordenação entre os níveis de proteção sem comprimentos de cabos.

Legenda:

UG = tensão de resposta do dispositivo de proteção contra surtos a gás
UD = tensão de limitação do diodo supressor
UW = tensão diferencial através da resistência de isolamento

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