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Componentes de proteção contra sobretensões (ART712)

Grande parte das falhas que ocorrem em equipamentos eletrônicos se devem a sobretensões. Essas sobretensões podem ter diversas origens, sendo a principal a própria rede de energia e a linha que eventualmente transmita um sinal para o equipamento. Como proteger os equipamentos contra as sobretensões, que componentes usar é o que analisaremos neste artigo em que veremos os diversos tipos de tecnologias usadas para essa finalidade. Na atualização em 2012 podem ser incluídos diversas outras configurações de circuitos de proteção, muitas das quais acessíveis no site do autor. Estas configurações incluem componentes novos. Assim, nesta revisão, será conveniente sempre verificar se existem componentes equivalentes mais novos, mais apropriados à sua aplicação.

Quando um pulso de sobretensão atinge um circuito, seus componentes podem não suportar sua presença e com isso queimar.

Conforme indicamos na introdução essas sobretensões podem entrar num equipamento de diversas maneiras: pela linha de alimentação, pela linha de transmissão de sinais ou mesmo pelos cabos que acoplam sensores.

A idéia básica para se proteger um equipamento contra sobretensões é ligar em paralelo com o ponto em que essa sobretensão pode aparecer um dispositivo capaz de atuar no momento em que ela esta presente, estabelecendo um percurso para ela, conforme mostra a figura 1.

 

 

Figura 1 - Ligação de dispositivo de proteção em paralelo na entrada do circuito.
Figura 1 - Ligação de dispositivo de proteção em paralelo na entrada do circuito.

 

Existem diversos componentes disponíveis para realizar essa tarefa e é deles que vamos tratar a partir de agora.

 

Supressores à Gás

Esses dispositivos consistem em ampolas cheias com um gás que, ao receber a sobretensão se ioniza, passando de um estado de alta resistência para baixa resistência, conforme mostra a figura 2.

 

Ampola com gás ionizante.
Ampola com gás ionizante.

 

Tipos comuns podem apresentar dois ou três eletrodos, como os mostrados na figura 3, de modo a apresentar uma proteção tanto longitudinal como transversal.

 

Figura 3
Figura 3

 

A velocidade de ação e a resistência para a condução do transiente, são as principais características desse tipo de proteção.

Tipos com resistências da ordem de 100 m? capazes de conduzir correntes de 40 000 A podem ser encontrados para aplicações industriais.

Na condição de desligado (alta impedância) a resistência é da ordem de 10 G? e a capacitância da ordem de 1,5 pF.

Esse tipo de proteção é usada para descarga de surtos de alta energia e sobrecargas diretamente a partir da rede de energia.

Como esse tipo de proteção não limita o surto até o momento em que a tensão de ruptura seja atingida, é necessário usar elementos adicionais de proteção.

Devem ser usados dispositivos adicionais de proteção depois de sua entrada de alimentação.

 

Diodos de Ruptura (Breakover)

Os diodos de ruptura ou breakover são tiristores bidirecionais com uma

alta capacidade de condução de corrente.

Esses componentes podem ser usados para proteger circuitos do lado da alimentação, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 - Proteção bidirecional de circuitos (lado da alimentação).
Figura 4 - Proteção bidirecional de circuitos (lado da alimentação).

 

Os diodos de ruptura disparam independentemente do tipo de crescimento da tensão, pois são muito rápidos, com uma taxa de crescimento típica de 5 kV/us.

A tensão de ruptura típica para esses componentes está na faixa de 100 V a 290 V.

Os diodos de ruptura operam segundo um processo que tem duas etapas. Numa primeira etapa os transientes de alta tensão são cortados segundo as mesmas características de um diodo zener.

No entanto, quando a ação de avalanche termina depois que a tensão de ruptura é alcançada o circuito passa a funcionar como um tiristor que passa para o estado de condução.

Nessa condição a queda de tensão é muito baixas, da ordem de 3 V e os diodos podem manusear picos de corrente de mais de 200 A tipicamente.

Quando a corrente no dispositivo cai abaixo do valor de manutenção, da ordem de 150 mA, o diodo volta ao seu estado de não condução (desligado) apresentando resistências da ordem de 5 M ? ou mais.

A capacitância apresentada é da ordem de 100 a 200 pF.

Da mesma forma que os supressores a gás os diodos de ruptura são usados para eliminar surtos de alta tensão e alta energia.

Se bem que eles possuam uma capacidade menor de proteção que os supressores à gás eles apresentam a grande vantagem de sua ação ser independente da taxa de crescimento da tensão.

A Corona Brasil é um fabricante desse tipo de diodo em nosso país (www.coronabrasil.com.br).

Essa empresa dispõe de tipos com tensões de ruptura de 600- Va 1 600 V.

 

Diodos Supressores

Os diodos supressores também são denominados diodos TAZ (Transiente Absorption Zeners - Diodos Zener de Absorção de Transientes) ou diodos de avalanche.

Esses componentes são usados nos circuitos eletrônicos depois do transformador e antes dos chips que devem ser protegidos.

Eles não são indicados para proteção na entrada do circuito dada sua baixa capacidade de dissipação, da ordem de 5 W no máximo.

Nesses componentes, as correntes de fuga são da ordem de 1 mA, e a corrente de pico máxima que eles podem suportar por poucos milisegundos é da ordem de 100 A ou mais. Nessas condições podemos ter picos de dissipação de 1 500 W.

Esses diodos são componentes especialmente desenvolvidos para a proteção de circuitos contra surtos, dada sua alta velocidade de resposta.

Com componentes bidirecionais pode-se proteger circuitos contra pulsos de qualquer polaridade.

No entanto, ao se usar esse tipo de supressor deve-se tomar cuidado com sua corrente de fuga que pode carregar linhas de sinais de alta impedância. Os sinais transmitidos podem então sofrer distorções com a presença desse componente.

Um diodo desse tipo é o 1N5908 fabricado pela Microsemi, SGS e ST Microelectronics que tem sua curva de ação mostrada na figura 5.

 

Curva típica de ação de um diodo supressor (1N5908)
Curva típica de ação de um diodo supressor (1N5908)

 

Esse componente é usado em circuitos de 5 V com uma potência de pico de dissipação de 1500 W e uma corrente de fuga de 300 uA.

 

Diodos retificadores

Diodos retificadores comuns, como o 1N4004, também podem ser usados em circuitos de proteção contra transientes.

Esses componentes podem ser usados em linhas de sinal devido à sua corrente de fuga muito baixa. Sua alta velocidade permite que transientes muito rápidos que consigam passar através do transformador sejam cortados.

Na figura 6 mostramos como usar diodos retificadores em circuitos de proteção.

 

Figura 6
Figura 6

 

 

Diodos Schottky

Os diodos Schottky, pela sua baixa tensão de condução no sentido direto, da ordem de 0,3 V podem ser usados na proteção dos circuitos depois dos transformadores ou do lado dos chips.

No entanto, dada sua baixa dissipação eles não são indicados para os casos em que a proteção seja exigida para surtos de grande duração.

A alta velocidade de ação desses diodos, menor do que 100 picosegundos, permite que eles respondam a pulsos de duração muito curta.

 

Diodos Zener

Na prática, os diodos zener não são muito indicados para proteção contra sobretensões dada sua impedância diferencial elevada, acima de 4 ? tipicamente.

Essa impedância tem como resultado uma dissipação elevada que limita a aplicação do diodo nos circuitos de proteção que estejam sujeitos a surtos prolongados.

Com essa impedância, os pulsos mais intensos podem ainda desenvolver uma tensão elevada no circuito, o que impede sua ação como dispositivo protetor eficiente.

 

Outros Componentes

Existem diversos outros componentes que podem ser usados na proteção contra transientes.

Os resistores PTC (Positive Temperature Coefficient) podem ajudar nos circuitos protegidos por fusíveis, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Nos circuitos em que existam outros sistemas de proteção que resultem em correntes instantâneas muito elevadas, capazes de queimar o fusível, um PTC pode ajudar na sua limitação, evitando a queima do fusível quando o circuito de proteção atuar.

Os capacitores também podem ser usados em alguns casos, do lado da rede de energia para reduzir as componentes de alta freqüência, incluindo transientes, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

No entanto, nas linhas de sinal, eles não são recomendados pois podem afetar o próprio sinal.

Os Varistores também podem ser usados na proteção de circuitos, se bem que suas características limitem bastante este tipo de aplicação.

Os varistores possuem tempos de resposta pequenos , limitam a tensão independentemente de sua polaridade e podem dissipar uma boa potência.

 

Figura 9 - Varistores comuns
Figura 9 - Varistores comuns

 

No entanto, os varistores manifestam entre seus terminais uma tensão que depende da corrente que estão conduzindo, o que pode causar o aparecimento de sobretensões remanescentes no circuito.

Finalmente temos os triacs que são usados em algumas aplicações, mas que tem uma ação bastante limitada no circuito.

Os triacs são destruídos se um surto muito rápido, maior do que 100 V/s aparecer, e além disso não podem conduzir muito mais do que alguns ampères de pico.

 

Conclusão

As impurezas da rede de energia podem afetar muito os equipamentos eletrônicos, devendo haver uma preocupação muito grande não só por parte dos projetistas como os instaladores de equipamentos eletrônicos.

Se bem que a maioria dos equipamentos modernos possua um ou mais recursos para a proteção contra sobretensões pode haver a necessidade do profissional implementar um.

Mais do que isso, a solução adotada num determinado equipamento pode não ser conveniente para a aplicação o que exige a adoção de novas medidas de proteção.

Neste artigo demos algumas dessas soluções mostrando as características dos principais componentes usados para essa finalidade, para que o leitor saiba escolher aquele que melhor se adapte ao seu caso.

* Transientes em circuitos com tiristores (ART215)

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