Como selecionar e aplicar IsoMOVs para supressão de surtos de tensão máxima com espaço mínimo

À medida que os dispositivos eletrônicos proliferam e as regulamentações que regem a segurança do usuário evoluem, os projetistas procuram opções para melhorar a proteção do dispositivo, ao mesmo tempo em que minimizam o custo e o espaço na placa. O problema é que a proteção de circuitos é muito parecida com o seguro: pode parecer uma despesa desnecessária até que seja necessária. Esta proteção é necessária contra uma variedade de aberrações e falhas internas e externas, incluindo curto-circuito interno e externo, sobrecorrente e situações de surtos de tensão. Essas ocorrências podem desativar temporária ou permanentemente um sistema; danificar o sistema, seus componentes internos ou a carga; e até mesmo resultar em danos a um usuário.

Nenhuma solução de proteção única funciona para todas as falhas e situações. Por exemplo, quando se trata de implementar a proteção contra sobretensão (OVP), crowbars como os centelhadores a gás ou tubos de descarga de gás (GDTs) são geralmente melhores para falhas de longo prazo, enquanto os grampos baseados em um varistor de óxido metálico (MOV) são mais adequados para eventos transitórios. Entretanto, os GDTs estão sujeitos a corrente de retenção excessiva, e os MOVs podem falhar permanentemente e podem atingir temperaturas perigosamente altas devido à fuga térmica. O uso dos dois componentes conectados em série em uma abordagem híbrida compensa quaisquer problemas potenciais, mas esta abordagem complica o layout da placa e acrescenta custos. Os avanços no projeto são necessários para eliminar este compromisso.

Este artigo descreve a importância da proteção OVP e várias abordagens para consegui-la. Em seguida, introduz a tecnologia IsoMOV, que combina os benefícios dos GDTs e MOVs em um único dispositivo com maior vida útil e nenhuma corrente de retenção. Em seguida, introduzirá dispositivos de exemplo da Bourns Inc., descreverá suas características proeminentes e mostrará como selecioná-los e utilizá-los para uma proteção eficaz, eficiente e de baixo custo.

A proteção tem múltiplas perspectivas

Não existe uma solução única para todos em proteções de circuitos e sistemas. Há duas razões para isso: primeiro, há muitos tipos de falhas e ocorrências contra as quais a proteção é necessária; segundo, a magnitude e a duração da condição de falha determina o tipo e a robustez da proteção necessária.

Entre as muitas situações de falha geral estão:

• Sobrecorrente, onde a carga consome muita corrente devido a uma falha externa, curto-circuito ou falha de componentes internos (incluindo falha de isolação)
• Sobretensão, onde uma parte do sistema sofre fadiga por tensão excessiva devido à conexão incorreta
• Térmico, onde um componente superaquece devido a um projeto ruim, gerenciamento térmico inadequado ou calor ambiente excessivo
• Falha de componente, quando um componente interno falha, o que leva a uma situação de sobrecorrente/sobretensão que danifica outros componentes ou a carga

As falhas também costumam ter consequências além de apenas afetar ou mesmo danificar um sistema, pois podem resultar em um risco de choque para os usuários.

Crowbars e grampos para proteção contra surtos

Entre as condições de falha mais desafiadoras nos circuitos CA e CC está o surto de sobretensão, chamado de evento de sobretensão temporária (TOV). Este pulso curto ou pico é frequentemente devido a descargas atmosféricas próximas ou comutação elétrica que injeta transientes prejudiciais em equipamentos elétricos e sua eletrônica sensível.

Duas classes amplas de dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) são utilizadas para lidar com ocorrências de sobretensão e TOV: o crowbar e o grampo. (Note que estes termos são às vezes usados de forma intercambiável em discussões "casuais", mas não são os mesmos)

Em resumo, um crowbar torna-se um curto-circuito através da linha que está sendo protegida, desviando assim o surto e sua corrente para o potencial terra, impedindo-o de alcançar o circuito (Figura 1). O crowbar é acionado para entrar neste modo de baixa impedância quando ocorre a situação de sobretensão.

Nota interessante: o termo crowbar, "pé-de-cabra" em português, supostamente vem da ação dos trabalhadores industriais nos primeiros tempos da eletricidade, que jogavam um pé-de-cabra real de metal sobre os barramentos de energia elétrica e de terra, quando ocorria uma situação de sobretensão.

Figura 1: Quando a função de proteção crowbar é acionada, torna-se um caminho de baixa impedância entre a linha que está protegendo e o terra, desviando assim o surto de sobretensão para o terra. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

O crowbar permanece em modo de baixa impedância até que a corrente caia abaixo da "corrente de retenção", momento em que retorna ao estado de alta impedância, de operação normal. Ele deve ser capaz de lidar com a corrente que flui através dele durante o tempo em que a alimentação estiver em estado de sobretensão.

Em contraste, um grampo impede que a tensão exceda um nível pré-definido (Figura 2). Quando a tensão transitória atingir o nível limite para o qual o dispositivo de grampeamento foi dimensionado, ele grampeará a tensão até que a falha acabe, momento em que a linha voltará ao seu modo normal de operação. É importante que a tensão de grampeamento dimensionada seja maior do que a tensão normal de operação.

Figura 2: Em contraste ao crowbar, o grampo limita o surto de sobretensão a um valor pré-definido. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Um grampo conduz apenas corrente suficiente para manter a tensão através dela a um valor seguro e desejado, enquanto o transiente está acima da tensão de condução do grampo. Esta corrente, embora pequena, pode levar a alguns problemas relacionados à segurança que devem ser tratados, e que podem exigir proteção adicional, um problema que é discutido mais adiante. Deve ser dimensionado pela potência que terá que dissipar por um tempo específico, o que geralmente é um evento transitório relativamente curto.

Implementação das funções OVP

Uma vez que crowbars e grampos são dispositivos críticos de proteção, é essencial que sejam simples, confiáveis e tenham atributos de desempenho bem compreendidos e consistentes. Desta forma, eles são como o fusível ativado termicamente, o componente clássico de proteção contra sobrecorrente frequentemente usado como uma camada adicional de proteção.

O dispositivo crowbar: O dispositivo crowbar mais comum é o GDT, uma centelha cuidadosamente criada e dimensionada em um alojamento hermético preenchido com um gás inerte. Em operação normal, antes de um evento TOV, parece uma resistência quase infinita (Figura 3). Entretanto, quando o surto de sobretensão ocorre e excede a tensão de projeto GDT, o gás ioniza e o tubo "pisca" como uma centelha, e passa de uma impedância alta para uma impedância muito baixa. Esta mudança causará um curto temporário na linha até que a falha acabe.

Figura 3: O GDT é um sofisticado dispositivo centelhador que conduz somente quando a tensão através de seus terminais excede seu valor de projeto; até então, ele parece um circuito aberto quase perfeito. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

O GDT é comumente usado em circuitos CC, circuitos de telecomunicações e circuitos de sinais, todos eles geralmente com uma corrente bastante baixa de um ampère ou menos. Note que, ao contrário dos dramáticos GDTs vistos nos filmes, o GDT para picos de nível baixo é um componente pequeno, encapsulado, montável em placas de circuito e a centelha de descarga não é visível. Os GDTs menores são oferecidos com dimensionamentos de 75 a 600 volts; os maiores são oferecidos com dimensionamentos de milhares de volts. Um problema com os GDTs é sua corrente subsequente (também chamada corrente de retenção excessiva), que é a corrente que continua a fluir mesmo após a falha ter sido extinta.

O dispositivo de grampeamento: duas das opções mais utilizadas para grampeamento são o diodo de potência supressor de tensão transiente (PTVS) e o varistor de óxido metálico (MOV), ambos comumente utilizados para proteção contra alta corrente em circuitos CA e CC, motores, linhas de comunicação e circuitos de sensoriamento (Figura 4). Os MOVs estão disponíveis com tensões nominais entre dezenas e mais de mil volts.

Figura 4: O varistor de óxido de metal (e supressor de tensão transiente de potência) fornece uma tensão de grampeamento abrangendo uma ampla faixa de projeto. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Os MOVs normalmente conduzem uma pequena quantidade de corrente de fuga, mesmo com tensões aplicadas que estão bem abaixo de sua tensão nominal limite. Se um MOV estiver sujeito a surtos de tensão além do seu dimensionamento, podem ocorrer danos permanentes que causam o aumento da corrente de fuga. Mesmo que esta corrente seja geralmente apenas alguns miliamperes, ela pode apresentar um risco de choque em algumas circunstâncias.

Além disso, um autoaquecimento ocorrerá dentro do MOV se esta corrente de fuga se tornar suficientemente alta. Quando um MOV é conectado continuamente através da rede CA, este autoaquecimento pode criar uma realimentação positiva onde uma corrente de fuga maior leva a um aumento do autoaquecimento, que por sua vez leva a uma corrente de fuga ainda maior. Os surtos subsequentes podem acelerar ainda mais este ciclo.

Em algum momento, o MOV entrará em um modo de fuga térmica que gera um calor considerável e destrói o MOV. Em algumas situações, o calor produzido pelo MOV pode se tornar uma fonte potencial de ignição (PIS) e fazer com que os materiais próximos se inflamem. Este efeito deve ser considerado e tratado para normas básicas de segurança e assuntos relacionados.

Uma solução OVP melhor

A fim de fornecer uma solução OVP que praticamente não tem corrente de fuga e, portanto, vida operacional mais longa, os projetistas frequentemente usam um arranjo de dois componentes. Esta abordagem híbrida combina dois dispositivos discretos: um GDT e MOV ligados em série (Figura 5), com uma curva combinada de tensão versus tempo (Figura 6).

Figura 5: A abordagem híbrida de conectar um GDT e MOV em série fornece uma solução OVP mais eficaz. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Figura 6: A resposta versus tempo do arranjo híbrido GDT + MOV mostra como ele combina os atributos básicos de resposta de cada dispositivo. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Esta é uma maneira eficaz de ter cada dispositivo para compensar as possíveis falhas do outro. No entanto, há custos associados a esta abordagem:

• Exige mais espaço de placas de circuito impresso
• A lista de materiais (BOM) tem outro componente adicionado a ela

Outro desafio é que o layout da placa de circuito na região do MOV e do GDT é complicado pelos requisitos regulatórios que definem as distâncias mínimas de fuga e de folga, onde:

• A folga é a distância mais curta no ar entre duas partes condutoras
• A fuga é a distância mais curta ao longo da superfície de um material isolante sólido entre duas partes condutoras

O problema é que as distâncias de folga e de fuga aumentam com a tensão. Como resultado, a colocação dos componentes MOV e GDT acrescenta outro mandato e restrição ao layout da placa.

Para ajudar os projetistas a resolver essas questões de custo, espaço e regulamentação, a Bourns, Inc. desenvolveu a série IsoMOV de componentes de proteção híbridos. A família oferece uma solução alternativa que combina um MOV e um GDT em um único invólucro, oferecendo a funcionalidade equivalente de um MOV e um GDT discretos em série (Figura 7).

Figura 7: O símbolo esquemático para o IsoMOV (à direita) mostra-o como uma fusão dos símbolos dos padrões individuais GDT (no centro, à esquerda) e MOV (em cima e embaixo, à esquerda). (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Um olhar sobre a construção do IsoMOV mostra que não se trata apenas de um óbvio e simplista co-empacotamento de um MOV e um GDT em um único espaço compartilhado (Figura 8).

Figura 8: A construção física do IsoMOV é uma realização completamente diferente da função híbrida, em vez de apenas um arranjo co-empacotado dos dois dispositivos individuais existentes. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Após a montagem do núcleo, os terminais condutores são fixados e a unidade é revestida com epóxi. O resultado é um invólucro MOV de disco radial familiar que é apenas ligeiramente mais grosso, com um diâmetro menor do que os dispositivos convencionais com dimensionamento semelhante (Figura 9). Além disso, devido ao projeto de patente pendente da tecnologia de óxido metálico, o componente IsoMOV também tem uma corrente nominal mais alta para o mesmo tamanho. Tanto a restrição da pegada/espaço físico como os problemas de fuga e folga são eliminados.

Figura 9: O invólucro de disco radial com terminais do IsoMOV parece um MOV padrão, exceto que ele é menor em diâmetro e tem uma corrente nominal mais alta do que apenas um MOV equivalente. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

O IsoMOV é mais do que apenas "o melhor dos dois mundos", pois há outras vantagens no projeto. As falhas do MOV são geralmente caracterizadas pelo então chamado "buraco de surto" na borda da área metalizada, que normalmente é causado por uma temperatura elevada dentro do MOV durante um surto. A tecnologia EdgMOV exclusiva da Bourns foi projetada para reduzir substancialmente ou eliminar este modo de falha.

Uma olhada em um modelo IsoMOV fornece uma visão mais detalhada. O ISOM3-275-B-L2 apresenta uma tensão máxima de operação contínua (MCOV) nominal de 275 volts eficazes (rms)/350 volts CC; a corrente nominal é de 3 quiloamperes (kA)/15 operações), 6 kA/1 operação (máximo). Também é de especial interesse sua baixa capacitância de 30 picofarads (pF) a 20 quilohertz (kHz) o que o torna uma boa opção para linhas de dados de alta velocidade, além de ter uma fuga baixa de menos de 10 microamperes (µA).

O papel das normas

Os engenheiros de projeto devem implementar várias formas de proteção contra surtos (e outras) por muitas razões que vão desde a prática prudente do projeto até o cumprimento de várias normas regulatórias. Algumas dessas normas são universais e se aplicam a qualquer equipamento que atenda a um cenário de operação geral, como o funcionamento de linha CA; outras são específicas para uma determinada classe de aplicações, como os dispositivos médicos. Entre as organizações que definem normas estão UL, IEEE e IEC; muitas de suas normas são "harmonizadas" e, portanto, são idênticas ou quase idênticas.

Todas estas normas são complexas com numerosos mandatos; elas também incluem exceções que exigem etapas ou características que podem ser eliminadas em algumas circunstâncias, bem como requisitos adicionais que devem ser acrescentados em outras. Por exemplo, tanto a IEC 60950-1, "Information technology equipment – Safety" e UL/IEC 62368-1 e "Standard for Audio/video, information and communication technology equipment - Part 1: Safety requirements" (que substituiu a IEC 60950-1 em 2020), exigem que a tensão nominal do MOV seja de pelo menos 125 % da tensão nominal do equipamento. Como consequência, a tensão nominal de um MOV deve ser de pelo menos 300 volts rms para um circuito de rede de 240 volts rms.

Considere o caso comum do plugue de linha CA, que vem em versões de dois e três pinos. Em teoria, a versão com três fios proporciona um terra de segurança, mas esse terra muitas vezes não está conectado ou disponível na prática. A falta de uma conexão real do terra com o aterramento seguro pode levar a uma condição potencialmente perigosa, quando apenas os fios de fase e neutro estão disponíveis. Nesse caso, é necessário acrescentar componentes de proteção ao projeto para evitar possíveis choques elétricos, caso os usuários tocarem em peças condutoras que supostamente deveriam estar aterradas, mas não estão. Entretanto, neste caso, a pequena quantidade de corrente de fuga do MOV pode se tornar um risco de choque elétrico.

A solução mais comum para evitar que a corrente de fuga do MOV se torne tão perigosa é colocar pelo menos um GDT em série com o MOV (Figura 10). Ao utilizar um dispositivo IsoMOV, as funções tanto do MOV como do GDT estão em um invólucro que economiza espaço. Assim, o IsoMOV é também um componente de solução de problemas que simplifica o cumprimento do requisito de segurança exigido pela UL/IEC 62368-1.

Figura 10: Para eliminar o risco de choque do usuário devido a corrente de fuga inevitável em uma aplicação não aterrada, dois dispositivos — um MOV e um GDT — podem ser colocados em série entre as linhas CA de fase e neutro. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Figura 11: A alternativa ao uso de um MOV e GDT individual é usar um único dispositivo IsoMOV, resultando no mesmo ou melhor desempenho, proporcionando uma solução geral muito menor. (Fonte da imagem: Bourns, Inc.)

Conclusão

Os engenheiros são frequentemente encarregados de decidir qual é a "melhor solução". Na maioria dos casos, existem contrapartidas sem uma resposta única e simples. Em geral, quando se trata de implementar a proteção contra sobretensão, os crowbars são melhores para falhas de longo prazo, enquanto os grampos são mais adequados para eventos transitórios. Entretanto, o uso de ambos os dispositivos aumenta a pegada e complica o layout da placa.

Atualmente, no entanto, não há necessidade de concessões. Os IsoMOVs da Bourns proporcionam uma vida operacional muito mais longa do que apenas um MOV, mas sem os problemas de correntes subsequentes do GDT. Os dispositivos fornecem proteção contra surtos e sobretensão que atende a todas as normas relevantes em uma pegada pequena. Além disso, sua baixa corrente de fuga minimiza problemas subsequentes, enquanto sua baixíssima capacitância os torna adequados para a proteção de circuitos de baixa tensão e alta velocidade.