Como utilizar dispositivos híbridos de proteção contra surtos de CA para uma melhor proteção contra surtos

Os dispositivos eletrônicos são abrangentes e estão crescendo rapidamente, com circuitos cada vez mais sensíveis que dependem muito da proteção front-end à medida que acessam a infra-estrutura elétrica, que pode ou não ter a proteção mais atualizada contra surtos e transientes de tensão. Esses transientes podem ser o resultado de descargas atmosféricas, chaveamento ou incidentes similares de surtos de tensão que podem causar sobretensão e sobrecorrente, e podem danificar ou degradar de outra forma dispositivos eletrônicos sensíveis.

As tecnologias de baixo custo existentes de proteção contra surtos, tais como tubos de descarga de gás (GDTs) e varistores de óxido metálico (MOVs), desviam ou limitam a energia de surto, impedindo assim que ela atinja o dispositivo protegido. Cada um tem suas respectivas vantagens, mas ambos os dispositivos têm limites para o número de transientes que podem lidar antes que falhem. Além disso, os GDTs podem não interromper a corrente completamente, enquanto os MOVs podem estar sujeitos a falhas devido à fuga térmica após uma série de ativações de eventos transientes.

Para obter o melhor tanto dos GDTs quanto dos MOVs e, ao mesmo tempo, mitigar suas deficiências, surgiram componentes de tecnologia híbrida em um único dispositivo integrado com um tamanho físico comparativamente menor para um determinado nível de proteção contra surtos. Embora a natureza complementar dos componentes integrados melhore o desempenho de ambos e prolongue sua vida operacional, para ser eficaz, é necessária uma combinação cuidadosa dos elementos GDT e MOV. Implementados corretamente, esses protetores híbridos contra surtos IsoMOV™ são especialmente úteis para garantir a conformidade com a IEC/UL62368-1, uma norma baseada em perigos para tecnologia da informação e equipamentos áudio/visuais.

Este artigo discute brevemente como os protetores contra surtos GDT e MOV operam antes de examinar as características de exemplos reais de protetores híbridos IsoMOV da Bourns. Conclui mostrando como implementar a tecnologia IsoMOV para atender a IEC/UL62368-1.

Como funcionam os SPDs?

Os componentes de proteção contra surtos operam de uma de duas maneiras — podem operar como um interruptor, desviando o surto para o terra (às vezes chamado de "crowbarring") ou podem limitar a tensão de surto, fixando a tensão máxima a um nível reduzido, absorvendo e dissipando a energia transitória.

O GDT é um exemplo de um limitador crowbar. Consiste em uma centelha em um gás não reativo como o argônio e é ligado em paralelo à linha de energia. Se o nível de tensão estiver abaixo da tensão de ruptura do GDT, o dispositivo está basicamente em um estado "desligado" de alta impedância. Se um transiente aumenta o nível de tensão acima da tensão de ruptura do GDT, o GDT entra num estado condutor ou "ligado" (Figura 1).

Figura 1: São mostradas as formas de onda de tensão e corrente para um GDT sendo acionado. Quando a tensão de ruptura é excedida, a tensão cai para cerca de 10 volts e a corrente aumenta significativamente. (Fonte da imagem: Bourns)

Uma vez que o GDT é ligado em paralelo à entrada de energia, ele basicamente curto-circuita a fonte de energia. Isso aciona um fusível, disjuntor ou outro dispositivo de proteção em série, protegendo assim os circuitos a jusante do GDT. Observe que no estado desligado, a tensão é alta, e a corrente é baixa. No estado “ligado” ocorre o oposto e a potência dissipada é muito pequena, exceto na transição entre estados. O restabelecimento do estado do GDT exige que a tensão de entrada seja reduzida abaixo da tensão de ruptura. Caso a entrada da linha de alimentação não caia o suficiente, o GDT pode não reiniciar e continuar a conduzir uma corrente "de continuação", mantendo-o ligado. A possibilidade do GDT permanecer ligado é uma limitação significativa para esse tipo de tecnologia de proteção contra surtos.

O MOV é um dispositivo de grampeamento. Assim como o GDT, ele é colocado em paralelo à linha de alimentação. Em operação normal, o MOV está em um estado de alta impedância e conduz apenas uma pequena corrente de fuga (Figura 2).

Figura 2: As características de tensão e corrente de um MOV mostram a ação de grampeamento bipolar. (Fonte da imagem: Bourns)

No caso de um surto de tensão, a impedância do MOV cai e drena mais corrente, dissipando a energia; isso reduz e limita a tensão do transiente. Quando o transiente termina, a impedância do MOV aumenta e retorna ao seu estado normal. Os MOVs são classificados com base no número de tais eventos transientes que podem tolerar. Após uma série de eventos transientes, a corrente de fuga do MOV pode aumentar. Isso aumenta a potência dissipada pelo dispositivo, fazendo com que ele aqueça. O aquecimento aumenta a corrente de fuga e pode fazer com que o MOV entre em fuga térmica, resultando em uma falha catastrófica do dispositivo.

Nenhuma dessas tecnologias de proteção contra surtos por si só é ideal. Entretanto, se um GDT e um MOV em série forem colocados paralelamente à linha de alimentação, seu comportamento complementar se torna claro. Em operação normal, o GDT fica desligado e não há fluxo de corrente de fuga no MOV. Durante um transiente de tensão, o GDT dispara, colocando assim o MOV no circuito. O MOV, então, grampeia o pico de tensão transiente. Quando o transiente tiver passado o MOV desliga-se, reduzindo a corrente através do GDT, permitindo que ele também se desligue.

Para que o GDT e o MOV sejam colocados em série, é necessária uma correspondência cuidadosa de suas características para que se complementem de forma precisa. As implementações discretas estão sujeitas a uma ampla gama de variáveis, desde o projeto até a fabricação, testes e invólucro — o que torna desafiador para os projetistas encontrar boas combinações. Para enfrentar os desafios, os protetores híbridos IsoMOV da Bourns combinam um conjunto cuidadosamente casado de MOVs e um elemento GDT em um único invólucro que é muito menor que os componentes individuais (Figura 3).

Figura 3: O SPD IsoMOV é formado pela incorporação de um GDT entre dois MOVs (a). O símbolo do esquema composto é mostrado à direita em (b). (Fonte da imagem: Bourns)

A resposta da tensão transitória composta do protetor híbrido IsoMOV na Figura 4 mostra como ambos os elementos trabalham em conjunto.

Figura 4: A resposta de tensão do protetor híbrido IsoMOV mostra a ruptura do componente GDT para ativar os componentes MOV, protegendo os circuitos a jusante. (Fonte da imagem: Bourns)

Ambos os elementos do protetor híbrido IsoMOV são projetados para suportar independentemente a tensão máxima de operação contínua (MCOV). Como mencionado, o GDT bloqueia as correntes de fuga do MOV quando não há um transiente presente. Mesmo após muitos transientes, o GDT corta os níveis crescentes de corrente de fuga do MOV. O MOV impede a corrente de continuação após um surto transiente, protegendo assim o GDT. A geometria do dispositivo IsoMOV aumenta a capacidade de surto por área da unidade em comparação com um único MOV.

Do ponto de vista de um engenheiro de projeto, os dispositivos IsoMOV oferecem proteção aprimorada em um pequeno invólucro integrado que minimiza tanto a quantidade de componentes quanto o tamanho das placas. Por exemplo, o ISOM3-175-B-L2 é um protetor híbrido IsoMOV com um MCOV de 175 volts eficazes (V_RMS), capaz de lidar com pelo menos quinze surtos nominais de 3 quiloampere (kA) com uma tensão máxima de grampeamento de 470 volts (Figura 5). Tem um diâmetro de 13,2 milímetros e uma espessura de 6,1 mm. O diâmetro varia de acordo com a capacidade máxima de corrente, e a espessura aumenta de acordo com o aumento do MCOV.

Figura 5: O ISOM3-175-B-L2 é um exemplo do fator de forma compacto do protetor híbrido IsoMOV. Embora inclua dois MOVs e um GDT, ele mede apenas 13,2 mm de diâmetro com uma espessura de 6,1 mm. (Fonte da imagem: Bourns)

A família IsoMOV da Bourns inclui três classificações de correntes nominais distintas com 3 kA, 5 kA e 8 kA, e classificações de tensão do MCOV de 175 a 555 V_RMS. Os dispositivos de médio alcance incluem o ISOM5-300-B-L2, um dispositivo de 300 V_RMS, 5 kA com um diâmetro de 17 mm e uma espessura de 7,1 mm. Na extremidade de alta corrente está o ISOM8-555-B-L2 que é um dispositivo de 8 kA com um MCOV de 555 V_RMS. Tem um diâmetro de 13,2 mm e uma espessura de 9,4 mm. Todos esses dispositivos têm uma faixa de temperatura operacional de -40 °C a +125 °C.

Os protetores híbridos IsoMOV da Bourns oferecem essas classificações de surto de última geração com um fator de economia de espaço em comparação com o uso de MOVs e GDTs separados. Eles têm correntes de fuga ultra-baixas, e o GDT em série prolonga a vida útil do MOV. Além disso, todos os SPDs IsoMOV estão listados como componentes UL1449 tipo 4, tornando mais fácil seu projeto em dispositivos de proteção contra surtos.

Implementando proteção nos níveis IEC/UL62368-1

Os componentes IsoMOV são soluções úteis para alcançar a conformidade com a IEC/UL62368-1. O novo padrão de segurança IEC/UL 62368-1 para equipamentos áudio/visuais e de tecnologia de comunicações e informações baseia-se nos princípios da Engenharia de Segurança Baseada no Risco (HBSE) para a segurança física dos usuários de equipamentos e a realização de medidas de segurança. Ele identifica as fontes de energia potencialmente perigosas e os processos nos quais a energia pode ser transmitida a um usuário, tanto em operação normal quanto em condições de falha.

O projeto de proteção da entrada de energia recomendado na Figura 6 inclui dispositivos de proteção da linha para o neutro, da linha para o terra de proteção, e do neutro para o terra de proteção.

Figura 6: O projeto de proteção da entrada de energia recomendado na Figura 6 inclui dispositivos de proteção da linha para o neutro, da linha para o terra de proteção, e do neutro para o terra de proteção. (Fonte da imagem: Bourns)

Os GDTs em série com MOVs ou IsoMOVs entre linha e terra ou neutro para o terra são necessários para proteger contra choques elétricos que poderiam ocorrer se um MOV fosse usado sozinho. Se o aterramento de proteção não fosse conectado, a corrente de fuga do MOV sozinha poderia ser alta o suficiente para causar ferimentos se o usuário tocasse o caminho de aterramento isolado. A colocação do GDT em série elimina essa corrente de fuga.

Os perigos associados aos MOVs e dispositivos que contêm MOVs incluem choques devido a correntes de fuga excessivas e a possibilidade de incêndio. Devido a seu modo de falha, os MOVs são considerados fontes potenciais de ignição (PIS), exigindo que o projeto inclua passos para reduzir a possibilidade de ignição e bloquear a propagação de qualquer incêndio.

Os protetores contra surtos ajudam a aumentar a confiabilidade do produto e devem estar em conformidade com testes específicos exigidos pela norma. Por exemplo, o MCOV de um MOV deve ser pelo menos 1,25 vezes o limite superior da tensão da faixa de tensão do equipamento. Para equipamentos com uma faixa de entrada de alimentação de 85 a 250 volts CA, o MCOV mínimo para uma linha de proteção MOV nesses equipamentos deve ser de 313 volts. Os circuitos de proteção de linha que incluem um MOV em paralelo com a linha estão sujeitos a um teste baseado em uma tensão de linha do dobro da nominal. A corrente de entrada é sequencialmente limitada por resistores a valores de 0,125, 0,25, 0,5, 1 e 2 A. Como o MOV é uma fonte potencial de incêndio, os testes continuam até que o MOV falhe. Esse teste não é necessário para MOVs com MCOV maior que duas vezes a tensão nominal máxima da linha devido à possibilidade muito baixa de falha de MOV sob essas condições.

Conclusão

Os protetores híbridos IsoMOV oferecem uma proteção melhor e mais compacta para sistemas eletrônicos à medida que avançam, diminuem e proliferam a um ritmo acelerado, contra um pano de fundo de infra-estrutura envelhecida ou mal protegida e padrões de proteção ao usuário em constante evolução. Além de desempenho excepcional e economia de espaço, eles têm uma faixa de temperatura estendida, baixa fuga e alta capacidade de manuseio de energia. Embora sejam especialmente vantajosos para aplicações industriais expostas a altos surtos, podem ser prontamente implementados em equipamentos de tecnologia de comunicações e informações e áudio/visuais, e para atender à norma IEC/UL62368-1 baseada em Engenharia de Segurança Baseada no Risco (HBSE).