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A proteção de componentes sensíveis (ART004)

Equipamentos de radiocomunicações e muitos outros são extremamente sensíveis a pulsos de alta tensão que tanto podem vir pela rede de energia como pelos próprios cabos que os interligam. Descargas estáticas de diversos tipos podem induzir pulsos que chegam a mais de 10 000 volts, os quais são fatais para os sensíveis componentes das placas desses equipamentos. Muitas proteções são possíveis. Neste artigo falamos das principais tecnologias usadas na proteção contra transientes.

 

Quando uma descarga elétrica atinge uma linha de distribuição de energia, telefônica, de antenas ou ainda de uma rede de computadores, tensões muito altas que duram frações de segundo são induzidas. Quem já não teve um modem ou mesmo a placa mãe de um PC destruída depois de uma tempestade com muitos raios. Estes picos de tensão são denominados transientes e são extremamente perigosos pois causam a destruição dos sensíveis componentes eletrônicos das placas dos equipamentos.

   Até mesmo o simples ligar e desligar de um motor ou de qualquer carga indutiva numa rede de energia gera transientes que podem causar problemas aos equipamentos ligados na mesma rede e que estejam próximos.Quando os transientes se repetem por um curto intervalo de tempo, formando assim "trens" de pulsos de alta tensão de duração limitada, a denominação dada é surto.

   Para proteger os equipamentos eletrônicos sensíveis que estejam sujeitos à queima de seus componentes pela entrada de um pulso de alta tensão, existem diversas tecnologias, algumas das quais bastante antigas.

AS PROTEÇÕES

a)faiscadores
   Em equipamentos telefônicos antigos, do tipo que já usa componentes eletrônicos sensíveis como, por exemplo, transistores, a proteção contra transientes que se propagam pela linha era feita por faiscadores, como o mostrado na foto abaixo.


Este componente é formado por duas pontas muito próximas de tal forma que se a tensão entre elas supera um determinado valor "pula" uma faísca que curto-circuita esta tensão. O funcionamento é baseado na rigidez dielétrica do ar que é da ordem de 10 000 V/cm. Assim, se a separação entre as pontas for de 0,2 mm, isso significa uma tensão de 2 000 V. Qualquer transiente de mais de 2 000 volts de pico vai provocar o faiscamento que o coloca em curto, evitando assim sua passagem para o circuito.

   Este tipo de proteção apresenta alguns inconvenientes que o tornam impróprios para a proteção de equipamentos modernos. Um deles, é que os circuitos integrados CMOS, como os encontrados na maioria dos equipamentos eletrônicos, é sensível a tensões muito mais baixas. Algumas dezenas de volts já são suficientes para causar sua queima.

  Outro problema é a sua velocidade de resposta que pode não ser suficiente para evitar que uma parte da alta tensão passe para o circuito que deve ser protegido. Também podemos colocar como inconveniente o fato de que a tensão de ruptura deste dispositivo depende da umidade do ar. Tipos instalados em invólucros herméticos evitam este último problema.



b)  protetores à gás
   Uma outra forma de se fazer a proteção, usando o processo de se ligar em paralelo com a linha telefônica ou de dados algum tipo de componente que se torne condutor quando a tensão superar um certo valor é a que faz uso de um dispositivo semelhante a uma lâmpada neon ou da própria lâmpada neon, conforme mostra a foto abaixo.

   Neste caso, o que temos é uma ampola que é cheia de um gás que se ioniza quando a tensão aplicada aos seus terminais atinge certo valor. Para uma lâmpada neon, por exemplo, a tensão é da ordem de 80 V. Assim, quando um transiente cuja tensão supere este valor atinge o componente, ele se torna condutor "curto-circuitando" o pulso de transiente, que transforma sua energia em luz (e calor).

   A vantagem deste dispositivo é que podemos fabricá-lo com tensões nominais menores do que a dos faiscadores de ponta. As próprias lâmpadas neon podem ser encontradas em alguns equipamentos com esta finalidade, se bem os tipos que fazem uso de gases raros sejam mais eficientes pela energia que podem absorver.


c)varistores
  De uso mais moderno são os varistores de óxido de silício ou VDRs (Voltage Dependent Resistor ou resistores dependentes da tensão), cuja estrutura é mostrada o desenho abaixo.
                          


Estes componentes consistem num aglomerado de uma substância formada por grânulos que são isolados uns dos outros de um modo crítico. Quando a tensão aplicada aos seus terminais supera um determinado valor, a corrente pode vencer o isolamento crítico entre os grânulos circulando sem encontrar muita resistência. A principal vantagem destes componentes é que eles podem ser fabricados com praticamente qualquer tensão e são bastante eficientes na absorção de energia de transientes.

   Encontramos os varistores em tomadas protegidas com a função de evitar que surtos e transientes vindos pela rede de energia atinjam equipamentos sensíveis como por exemplo os computadores.

   Um dos problemas básicos dos VDRs ou varistores é que cada vez que eles possuem uma vida útil limitada. Em outras palavras, cada pulso que ele absorve altera levemente suas características, tornando-o menos eficiente na absorção do pulso seguinte até que finalmente ele não pode mais ser usado.



d)diodos zener
   Os diodos zener são dispositivos semicondutores que têm uma curva característica como a mostrada o gráfico abaixo.
                   

   Quando submetidos a uma tensão inversa denominada “de ruptura” (breakdown voltage ou Vbr) eles se tornam condutores, apresentando uma baixa resistência. Na verdade, todos os diodos de silício como os usados em fontes e mesmo outras funções apresentam esta característica, mas os diodos zener são construídos de tal forma que podem trabalhar polarizados no sentido inverso sem queimar, o que não acontece com os diodos comuns. Os diodos zener são então ligados em circuitos sujeitos a transientes onde eles protegem os semicondutores contra transientes externos e gerados no próprio circuito.

  Os diodos zener podem ser fabricados com uma faixa de tensões muito grandes mas têm algumas limitações que impedem seu uso de uma forma mais efetiva como elementos de proteção. Uma das limitações é a quantidade de energia que podem absorver, o que quer dizer que transientes muito intensos não passam para o circuito protegido, mas não podem ser totalmente absorvidos causando a queima do componente.



e)TVS
  O TVS ou Transient Voltage Suppressor é um componente com características semelhante a de um diodo zener, mas construído para agir rapidamente num circuito e absorver quantidades bem maiores de energia. Ndesenho abaixo temos o símbolo adotado para representar este componente.
                                            

   
   Lembramos que, mesmo que nas placas existam outros elementos de proteção, tais como diodos, o acréscimo do TVS melhora sua capacidade de proteção, já que eles podem absorver muito mais energia.
   


   CONCLUSÃO
   Os transientes têm durações muito pequenas, medidas em milésimos de segundo, mas um transiente que tenha apenas 1 milissegundo de duração e uma tensão de 10 000 volts pode representar uma potência da ordem de milhares de watts, capaz de destruir os componentes sensíveis de qualquer aparelho.Neste intervalo de tempo, uma energia medida em Joules deve ser absorvida pelo supressor, devendo ser transformada em calor e dissipada. Esta energia de alguns Joules é o ponto crítico na escolha de um supressor de transientes. O componente deve ser construído de modo a absorver rapidamente toda a energia do transiente e o mais rapidamente possível transferi-la para o meio ambiente antes de se aquecer o suficiente para ser destruído. Como os equipamentos ligados a redes de energia, interligados por cabo e linhas de transmissão aumentam em quantidade dia a dia, e por serem mais complexos também se tornam mais sensíveis, a tecnologia de proteção é muito importante.


 

Artigo publicado no Boletim da AERESP em 2009.

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