Protectores contra sobretensiones internos versus externos: ¿Cuál es mejor para la protección total de PCB?

Cuando miramos las medidas para protegernos contra sobretensiones y transitorios, los diodos TVS reciben la mayor atención. No hay nada malo en los diodos TVS ya que son un componente excelente de bajo costo y poco espacio para proteger equipos contra sobretensiones y eventos ESD. Sin embargo, esos diodos no son la única opción para lidiar con las sobretensiones. En su lugar, hay componentes que se pueden usar dentro y fuera del PCB como parte de una estrategia integral para resistir sobretensiones y transitorios.

¿Qué tipo de protección contra sobretensiones se necesita?

Se necesita protección contra sobretensiones cuando existe el peligro de que ocurra una sobretensión en la entrada de alimentación principal que llega a un dispositivo. Hay requisitos en las regulaciones EMC y normas industriales sobre productos específicos, que luego exigen la colocación de componentes y circuitos de protección contra sobretensiones. El nivel de protección contra sobretensiones depende del nivel de sobretensión esperado y la corriente de arranque que se experimentaría durante el evento. Si se diseña según una norma específica, el valor mínimo descrito en la norma debería guiar el diseño y puede dictar la selección de componentes.

La protección contra sobretensiones también puede encontrarse internamente en el PCB como un conjunto de componentes, o externamente a la placa como un módulo preempaquetado. Este último es más común para dispositivos que se conectan directamente a la red eléctrica (sin una fuente de alimentación intermedia) a voltajes muy altos. Esos componentes tienden a ser simplemente demasiado grandes para caber en un PCB. Los componentes a bordo también deben usarse en ubicaciones específicas, incluso si se requiere un componente externo para que el sistema funcione. Juntos, permiten que un sistema resista eventos transitorios con diferentes magnitudes que pueden estar asociados con fuertes sobretensiones.

Protección contra Sobretensiones Interna (a Bordo)

Resistor Limitador de Corriente de Arranque - Las sobretensiones, y el encendido de la alimentación desde la red eléctrica en general, pueden permitir corrientes de arranque que pueden dañar dispositivos durante la fase inicial de encendido. Las corrientes de arranque pueden reducirse y amortiguarse con un resistor fijo. Para dimensionar un resistor limitador de corriente, use la corriente máxima que puede esperar en el arranque y el voltaje de entrada máximo para calcular la clasificación de potencia del resistor. La resistencia se calcula luego usando esos valores en la ley de Ohm. Esto permitirá que el limitador de arranque establezca la corriente al nivel requerido sin quemarse durante la fase de arranque.

Varistor - Los varistores son resistores controlados por voltaje no lineales. En otras palabras, son componentes cuya resistencia en corriente continua es una función del voltaje de entrada que experimentan. Estos componentes operan de manera similar a los diodos, ya que inicialmente tienen una alta resistencia, pero por encima de cierto umbral de voltaje de trabajo, su resistencia puede disminuir. Esto les permite reducir la magnitud de un evento de sobrevoltaje al amortiguar el transitorio de sobretensión en su borde ascendente. Estos componentes están construidos sobre materiales semiconductores populares, o pueden ser varistores de óxido metálico (MOVs).

Tubo de Descarga de Gas - Estos componentes se colocan a través de las entradas de energía. Pueden proporcionar protección contra voltajes transitorios muy altos cuando se colocan aguas arriba de diodos TVS bidireccionales/unidireccionales en los pines de los componentes. En esta configuración, un tubo de descarga de gas se enfocará en los transitorios de voltaje más altos y sobretensiones de potencia, mientras que la parte más lenta/de menor voltaje de un transitorio será manejada con los diodos TVS. Los tubos de descarga de gas más pequeños son el componente típico utilizado en protectores contra sobretensiones para tiras de alimentación de CA y fuentes de alimentación.

Termistores NTC - Un termistor con coeficiente de temperatura negativo (NTC) puede ser utilizado como sensor o como protector contra sobretensiones. El componente experimenta una reducción en su resistencia a medida que su temperatura aumenta. Esto significa que, cuando ocurre un pico de tensión y comienza la entrada de corriente, inicialmente se disipa cierta energía a través del termistor y se convierte en calor. La resistencia del termistor entonces disminuye y permite que el resto de la energía pase aguas abajo hacia otro componente de protección contra sobretensiones, típicamente diodos TVS. Estos a veces se utilizan en serie con un tubo de descarga de gas.

Diodo TVS - Por último, pero no menos importante, he incluido diodos TVS. Estos son las fuentes preferidas para la protección contra sobretensiones en buses de baja tensión y líneas de datos. En buses de baja tensión, como la línea de +5 V que proviene de un conector USB, se pueden seleccionar pequeños diodos TVS para proporcionar una protección muy precisa contra sobrevoltajes que pueden manejar picos fuertes y transitorios rápidos. Para aprender más sobre el uso de diodos TVS, lee este artículo.

Interruptor de Circuito Montado en PCB - Finalmente, existen interruptores de circuito miniatura que pueden montarse en PCB, típicamente como componentes de montaje a través de orificio. Estos interruptores pueden tener calificaciones de corriente altas (decenas de Amperios); tienden a tener un perfil alto y deben montarse en el borde para acceder al interruptor del interruptor. Estos dispositivos funcionan de la misma manera que sus contrapartes montadas en gabinete o carcasa.

Protección Externa Contra Sobretensiones

Los dispositivos externos que se pueden usar para la protección contra sobretensiones incluyen módulos que realizan las funciones mencionadas anteriormente, así como interruptores de circuito. Estos componentes pueden montarse en una carcasa, o en un rack o gabinete, simplemente porque son demasiado grandes para montarse directamente en un PCB. Estos componentes pueden entonces conectarse a terminales de tornillo grandes en el PCB a través de cableado de bajo calibre, dependiendo de las corrientes involucradas. Estos componentes típicamente se usarán con voltajes de línea AC y/o voltajes DC altos, como el arrestador de sobretensiones Allen-Bradley mostrado a continuación.

¿Vale la Pena Pagar Más Por un Arrestador de Sobretensiones Externo?

La respuesta a esta pregunta depende de dónde se vaya a desplegar un dispositivo. Es probable que estos arrestadores se utilicen en sistemas más grandes como los que se encuentran en entornos industriales, marinos (grandes embarcaciones) e incluso en aeronaves. Para los despliegues y sistemas más conservadores, que deben tener el mayor tiempo de actividad posible y resistir sobretensiones muy altas, los arrestadores externos valen el costo adicional del componente.

Incluso si usas un arrestador de sobretensión externo, también se deben incluir componentes a bordo. El costo total involucrado en la incorporación de estos componentes en un diseño es mínimo, incluso si se toman todas las precauciones anteriores. Todos estos componentes juntos protegen contra una gama de fallas, sobretensiones y transitorios en todo un sistema, no solo una sobretensión en la conexión principal o en la entrada de alimentación.

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