Componentes e circuitos de proteção

Quando ocorrem sobretensões transitórias, os equipamentos e cabos abrangidos entram em curto-circuito com a compensação de potencial em muito pouco tempo. Por isso, estão disponíveis diferentes componentes com características correspondentes. Estes componentes distinguem-se essencialmente pelo seu comportamento de resposta e pela sua capacidade de descarga.

Díodos supressores

Símbolo gráfico e características U/I de um díodo supressor  

Símbolo gráfico e características U/I de um díodo supressor

Características:

  • Em termos gerais, a função é definida como uma proteção fina.
  • Reage muito rapidamente.
  • Limitação de tensão mínima.
  • Versão padrão com capacidade de condução de corrente reduzida e uma elevada capacidade.
    • No caso de uma tensão nominal de 5 V, a capacidade de descarga máxima é de aprox. 750 A.
    • Quando as tensões nominais são mais elevadas, a capacidade de descarga diminui consideravelmente.

Particularidades:

Também existem díodos com tensão nominal mais elevada e maior capacidade de descarga. No entanto, estas versões são claramente maiores e, portanto, são raramente utilizadas em circuitos de proteção combinados.

Legenda:

UR = Tensão inversa
UB = Tensão de rutura
UC = Tensão de limite
IPP = Impulso de pico de corrente
IR = Corrente inversa

Varístores

Símbolo gráfico e características U/I de varístores de óxido metálico  

Símbolo gráfico e características U/I de varístores de óxido metálico

Características:

  • Em termos gerais, a função é definida como uma proteção central.
  • Os tempos de resposta situam-se na gama inferior dos nanossegundos.
  • Reagem mais rapidamente do que os dispositivos de proteção a gás.
  • Não provocam quaisquer correntes de seguimento.

Particularidades:

Os varístores com corrente de descarga nominal de até 2,5 kA são utilizados como nível de proteção central na tecnologia MCR. No domínio da fonte de alimentação, os varístores com corrente de descarga nominal de até 3 kA constituem uma parte essencial dos circuitos de proteção em dispositivos de proteção de tipo 3 para a proteção de equipamentos. Os varístores utilizados nos dispositivos de proteção de tipo 2 são claramente mais eficazes. Neste âmbito de aplicação, a versão padrão domina correntes de descarga nominal de até 20 kA. No entanto, para aplicações especiais, também existem dispositivos de proteção de tipo 2 com até 80 kA.

Legenda:

A = Gama de funcionamento de alta impedância
B = Gama de funcionamento de baixa impedância/limiar

Dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás

Símbolo gráfico e mapa de ignição de um dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás  

Símbolo gráfico e mapa de ignição de um dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás

Características:

  • Em termos gerais, a função é definida como uma proteção central.
  • Os tempos de resposta situam-se na gama central dos nanossegundos.
  • As variantes padrão derivam correntes de até 20 kA.
  • Apesar da elevada capacidade de descarga, o componente tem dimensões muito reduzidas.

Particularidades:

Neste componente, o comportamento de ignição que depende do tempo de tensão conduz a tensões residuais que ainda atingem 100 V.

Legenda:

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

Spark gaps

Símbolo gráfico e mapa de ignição de um spark gap  

Símbolo gráfico e mapa de ignição de um spark gap

Características:

  • Elemento central de um dispositivo de proteção contra raios
  • Elevada capacidade de extinção de correntes de seguimento
  • Velocidade de resposta relativamente elevada
  • Comportamento de ignição dependente da subida de tensão ao longo do tempo

Particularidades:

O elemento central de um dispositivo de proteção contra raios eficaz é, na maioria dos casos, um centelhador. Neste componente, existem dois condutores de faísca com pouca distância entre si. As sobretensões transitórias provocam um relâmpago entre os condutores de faísca, originando um arco elétrico. A sobretensão transitória provoca curtos-circuitos nesta secção de plasma. Desta forma, circulam correntes muito elevadas e que sobem rapidamente com valores de kA que chegam aos três dígitos. Existem spark gaps abertos e fechados. No domínio da física, a capacidade de descarga e de extinção dos spark gaps é maior.

A tecnologia Arc-Chopping demonstrou ser particularmente eficaz para os spark gaps. Neste caso, além dos elétrodos, existe também a chamada placa defletora. O arco elétrico fica preso entre os elétrodos no sentido desta placa defletora, onde é destruído. Consequentemente, formam-se fragmentos de arco elétrico que são extintos da área do spark gap e, em seguida, ligeiramente eliminados. Desta forma, o spark gap pode entrar novamente em alta impedância, caso não haja mais nenhuma sobretensão transitória.

Legenda:

UZ = Tensão de resposta/tensão de ignição
tZ = Tempo de resposta

Circuitos de proteção combinados para interfaces de sinais

Consoante o caso de aplicação, são utilizados diferentes componentes. Estes podem ser combinados individualmente entre si ou em circuitos de proteção complexos.

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

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

Ao combinar diferentes componentes, agrupam-se as vantagens específicas dos componentes desejados. Por exemplo, as combinações de circuitos de descarregadores de gás e díodos supressores representam um circuito de proteção padrão para interfaces de sinais sensíveis. Esta combinação oferece uma proteção eficaz e de rápida resposta com o melhor nível de proteção.

Os componentes são ligados como níveis de proteção de forma indireta e paralela. Ou seja, os elementos de desacoplamento óhmicos ou indutivos são intercalados entre os componentes. Tal provoca uma resposta desfasada dos níveis de proteção organizados progressivamente.

Os circuitos de proteção distinguem-se essencialmente por:

  • Número de níveis de proteção
  • Sentido de ação do circuito (proteção de tensão longitudinal/proteção de tensão em modo normal)
  • Tensão nominal
  • Efeito de atenuação nas frequências de sinais
  • Nível de proteção (tensão de limite)

Função de circuitos de proteção de vários níveis

Distribuição de tensão num circuito de proteção de dois níveis  

Distribuição de tensão num circuito de proteção de dois níveis

Quando surge uma sobretensão transitória, o díodo supressor corresponde inicialmente ao componente mais rápido. A corrente de descarga flui pelo díodo supressor e pela resistência de desacoplamento a montante. Através da resistência de desacoplamento, a tensão diminui. Esta corresponde ao valor diferencial entre as várias tensões de resposta do díodo supressor e do dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás.

Assim, a tensão de resposta do descarregador de gás é alcançada antes de o pico de corrente sobrecarregar o díodo supressor. Isso significa que, quando o dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás responde, a corrente de descarga flui quase totalmente pelo descarregador de gás. A tensão residual através do descarregador de gás é de 20 V no máximo, de modo que o díodo supressor seja descarregado. Quando uma corrente de descarga não sobrecarrega o díodo supressor, o dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás não responde.

O circuito ilustrado oferece as vantagens de uma resposta rápida em caso de uma limitação de tensão mínima e possui ao mesmo tempo uma elevada capacidade de descarga. O circuito de proteção de três níveis com desacoplamento indutivo funciona segundo o mesmo princípio. No entanto, a comutação é feita em duas etapas: primeiro, do díodo supressor para o varístor e, depois, para o dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás.

Por norma, o princípio da distribuição de tensão também funciona nos diferentes níveis de proteção no campo da fonte de alimentação. Assim, a UW diminui através do cabo entre os dispositivos de proteção de tipo 1 e tipo 2, bem como entre os dispositivos de proteção de tipo 2 e tipo 3. Porém, também existem abordagens de descarga para a fonte de alimentação em que é possível uma coordenação sem comprimentos de cabos entre os níveis de proteção.

Legenda:

UG = Tensão de resposta do dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias a gás
UD = Tensão de limite do díodo supressor
UW = Tensão diferencial através da resistência de desacoplamento

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