Componentes y circuitos de protección

Si se producen sobretensiones, los equipos y conductores afectados deben ponerse en cortocircuito con la conexión equipotencial en un intervalo de tiempo muy breve. Para ello tiene a su disposición diversos componentes con sus correspondientes características. Los componentes se diferencian en lo esencial por su comportamiento de respuesta y su capacidad de derivación.

Diodos supresores

Símbolos electrónicos y curvas características U/I de un diodo supresor  

Símbolos electrónicos y curvas características U/I de un diodo supresor

Características:

  • La función se define en general como protección fina.
  • Reacciona muy rápidamente.
  • Bajo límite de tensión.
  • Ejecución estándar con baja capacidad de corriente y una alta capacidad.
    • Con una tensión nominal de 5 V la capacidad de derivación máxima es de aprox. 750 A.
    • Con tensiones nominales elevadas la capacidad de derivación desciende considerablemente.

Particularidades:

También existen diodos con una tensión nominal más alta y una capacidad de derivación mayor. Sin embargo, estas ejecuciones son significativamente mayores y por ello apenas se emplean en circuitos de protección combinados.

Leyenda:

UR = tensión de bloqueo
UB = tensión disruptiva
UC = tensión de limitación
IPP = impulso de sobrecorriente momentánea
IR = corriente de bloqueo

Varistores

Símbolos electrónicos y curvas características U/I de varistores de metal óxido  

Símbolos electrónicos y curvas características U/I de varistores de metal óxido

Características:

  • La función se define en general como protección media.
  • Los tiempos de reacción se sitúan en el rango inferior de nanosegundos.
  • Reaccionan más rápido que los descargadores rellenos de gas.
  • No causan corrientes de seguimiento de la red.

Particularidades:

Los varistores con una corriente de sobrecarga momentánea nominal de 2,5 kA se usan como nivel de protección medio en la técnica MCR. En el área de la fuente de alimentación los varistores con una corriente de sobrecarga momentánea nominal de hasta 3 kA son un componente esencial de los circuitos de protección en los descargadores de tipo 3 para la protección de equipos. Especialmente potentes son los varistores que se utilizan en los descargadores de tipo 2. En este campo de aplicación, la ejecución estándar domina corrientes de sobrecarga momentáneas hasta 20 kA. No obstante, para aplicaciones especiales también se dispone de descargadores de tipo 2 con hasta 80 kA.

Leyenda:

A = margen de funcionamiento de alta impedancia
B = margen de funcionamiento de baja impedancia/margen de limitación

Dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas

Símbolos electrónicos y curva característica de encendido de un dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas  

Símbolos electrónicos y curva característica de encendido de un dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas

Características:

  • La función se define en general como protección media.
  • Los tiempos de reacción se sitúan en el rango medio de nanosegundos.
  • Las variantes estándar derivan corrientes de hasta 20 kA.
  • A pesar de la alta capacidad de derivación, el componente posee unas dimensiones muy pequeñas.

Particularidades:

En el caso de este componente, un comportamiento de encendido en función del período de tensión provoca tensiones residuales que pueden ser incluso de unos 100 V.

Leyenda:

1) comportamiento de respuesta estático
2) comportamiento de respuesta dinámico

Descargadores de arco

Símbolos electrónicos y curva característica de encendido de un descargador de arco  

Símbolos electrónicos y curva característica de encendido de un descargador de arco

Características:

  • Pieza esencial de un descargador de corrientes de rayo
  • Alta capacidad de eliminación de corrientes de seguimiento de red
  • Velocidad de reacción relativamente alta
  • Comportamiento de encendido dependiente de la subida de tensión a lo largo del tiempo

Particularidades:

La pieza esencial de un descargador de corrientes de rayo eficiente suele ser un descargador de arco. En este componente hay dos brazos del arco voltaico situados en frente con una pequeña distancia. Las sobretensiones provocan una descarga entre los brazos del arco voltaico y se produce un arco voltaico. La línea de plasma pone en cortocircuito la sobretensión. De este modo, fluyen corrientes muy altas y que aumentan bruscamente, con valores hasta un rango de kA de tres cifras. Hay descargadores de arco abiertos y cerrados. En lo relativo a lo físico, la capacidad de derivación y de eliminación de los descargadores de arco abiertos es mayor.

La tecnología Arc Chopping ha demostrado ser especialmente potente para los descargadores de arco. En ella se sitúa una placa de rebotamiento de manera adicional frente a los electrodos. El arco voltaico se introduce entre los electrodos en dirección a esta placa de rebotamiento y allí se destruye. De este modo, se forman fragmentos del arco voltaico que se soplan del área del descargador de arco y luego se extinguen con facilidad. Así el descargador de arco puede volver a tener una impedancia alta si ya no queda sobretensión.

Leyenda:

UZ = tensión de actuación/tensión de encendido
tZ = tiempo de reacción

Circuitos de protección combinados para interfaces de señales

Según el caso de aplicación se emplean diferentes componentes. Se pueden emplear individualmente o combinar entre sí en complejos circuitos de protección.

Circuito de protección de dos niveles con desacoplamiento óhmico (izquierda) y circuito de protección de tres niveles con desacoplamiento inductivo (derecha)

Circuito de protección de dos niveles con desacoplamiento óhmico (izquierda) y circuito de protección de tres niveles con desacoplamiento inductivo (derecha)

Mediante una combinación de diferentes componentes se pueden concentrar las ventajas deseadas específicas del elemento constructivo. Por ejemplo, las combinaciones de conmutación de descargadores de gas y diodos supresores representan un circuito de protección estándar para interfaces de señales sensibles. Esta combinación ofrece una protección efectiva y de reacción rápida con el mejor nivel de protección posible.

Los componentes se conectan en paralelo y de forma indirecta como niveles de protección. Es decir, entre los componentes se establecen miembros de desacoplamiento óhmicos o inductivos. Esto provoca una reacción desplazada en el tiempo de los niveles de protección dispuestos de forma escalonada.

En principio, los diferentes circuitos de protección se diferencian por:

  • número de niveles de protección
  • sentido de efecto de la conmutación (protección de tensión longitudinal/transversal)
  • tensión nominal
  • efecto de amortiguación en frecuencias de señales
  • nivel de protección (tensión de limitación)

Función de circuitos de protección de varios niveles

Distribución de la tensión en un circuito de protección de dos niveles  

Distribución de la tensión en un circuito de protección de dos niveles

Cuando aparece una sobretensión el diodo supresor responde en primer lugar como el componente más rápido. La corriente de derivación fluye a través del diodo supresor y de la resistencia de desacoplamiento conectada en serie. Mediante la resistencia de desacoplamiento disminuye una tensión. Esta corresponde al valor de diferencia entre las diferentes tensiones de actuación del diodo supresor y del dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas.

De esta forma se alcanza la tensión de actuación del descargador de gas antes de que la sobrecorriente momentánea sobrecargue el diodo supresor. Esto significa que si el dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas ha reaccionado, la corriente de derivación fluye casi completamente a través del descargador de gas. La tensión residual a través del descargador de gas es de 20 V como máximo, de forma que el diodo supresor está descargado. En el caso de una corriente de derivación pequeña que no sobrecargue el diodo supresor, el dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas no reacciona.

El circuito representado anteriormente ofrece las ventajas de una reacción rápida con una limitación de tensión baja y al mismo tiempo posee una alta capacidad de derivación. Un circuito de protección de tres niveles con desacoplamiento inductivo funciona según el mismo principio. Sin embargo, la conmutación se realiza en tres pasos, primero desde el diodo supresor al varistor y después sigue en el dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas.

El principio de la distribución de tensión también actúa principalmente entre los distintos niveles de protección en el ámbito de la fuente de alimentación. Para ello, UW disminuye mediante el cable entre los descargadores de tipo 1 y tipo 2 así como entre el tipo 2 y el tipo 3. Sin embargo, también hay conceptos de descargadores para la fuente de alimentación en los que es posible una coordinación sin longitudes de cable entre los niveles de protección.

Leyenda:

UG = tensión de actuación de dispositivo de protección contra sobretensiones relleno de gas
UD = tensión de limitación de diodo supresor
UW = tensión diferencial a través de la resistencia de desacoplamiento

PHOENIX CONTACT, S.A.U.

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