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Circuitos de proteção contra falhas

Um pouco de proteção ajuda muito

Como engenheiros de design, focamos em operar adequadamente nossos projetos sob condições ideais. Enquanto os designs eletrônicos de baixa voltagem representam pouco perigo para os usuários finais, surtos, picos, descargas eletrostáticas (ESD) e falhas no fornecimento de energia podem danificar equipamentos. Com voltagens mais altas, como eletrodomésticos e dispositivos de corrente alternada de 120 e 220 volts, essas falhas elétricas podem ser letais para o usuário final.

Felizmente, dispositivos de proteção de circuito e práticas de design limitam esses perigos e ajudam a proteger equipamentos e usuários. Neste blog, examinaremos vários tipos de dispositivos de proteção e métodos que os engenheiros de design podem considerar.

Tipos de Ameaças

Várias fontes e tipos de ameaças a equipamentos, eletrodomésticos e pessoas estão associados a falhas de sobretensão e corrente, sendo a ESD a mais comum. A ESD pode ocorrer simplesmente ao andar em um tapete ou piso, e todos já experimentamos o arco elétrico quando nosso dedo se aproxima de um objeto aterrado ou metálico.

As transições rápidas de ESD geralmente têm uma duração muito curta e uma amplitude muito alta, como uma função de impulso. A ESD pode causar estragos em eletrônicos, especialmente em sistemas e processadores modernos de baixa voltagem. A ESD pode perturbar o conteúdo de RAM estática e dinâmica, corrompendo programas e dados. Se a ESD for grave o suficiente, também pode danificar circuitos integrados e componentes discretos.

Falhas de sobrecorrente e sobretensão geralmente ocorrem simultaneamente, mas não necessariamente. Uma fonte de alimentação ou nível de energia de linha pode expor dispositivos a tensões mais altas que podem causar correntes mais elevadas se estiverem fora de sua faixa de regulação. Também pode haver falhas internas que causam condições de sobrecorrente, como um resistor ou retificador com defeito (curto).

Normalmente, as falhas mais dramáticas ocorrem devido a raios. Um raio suficientemente poderoso atingindo em proximidade suficiente pode destruir virtualmente qualquer equipamento. Mesmo que todos os disjuntores estejam abertos durante uma descarga elétrica, o solo ainda se propaga por toda parte em uma casa ou edifício e pode causar riscos de segurança para pessoas e dispositivos. Felizmente, alguns esquemas de proteção podem ajudar a proteger contra ESD, transientes, sobretensão e falhas de sobrecorrente, e até mesmo ajudar a proteger contra raios em muitos casos.

Não Estoure um Fusível

A forma mais simples de proteção é um fusível. Todos nós estamos familiarizados com fusíveis de uma forma ou de outra. Residências mais antigas ainda usam fusíveis na caixa de serviço para proteger todos os equipamentos e pessoas presentes. Muitos dispositivos eletrônicos ainda utilizam fusíveis como último meio de proteção quando protetores contra falhas ou disjuntores upstream falham.

Um fusível simplesmente interrompe o caminho do fluxo de corrente e deve criar uma abertura grande o suficiente para que uma voltagem não faça arco elétrico. Isso é particularmente verdadeiro em dispositivos de maior voltagem, que podem criar arcos através de espaços menores, especialmente se expostos a fatores ambientais como alta umidade ou poeira condutiva.

Os fusíveis estão disponíveis em uma variedade de formatos, desde pequenos tubos de vidro microscópicos geralmente usados em multímetros digitais até fusíveis automotivos de pequeno e médio porte, além de fusíveis de alta voltagem e alta corrente com terminais grandes de parafuso ou pino, como os da série SPFJ da Littelfuse, que são geralmente usados em aplicações de telecomunicações e instalações solares (Figura 1). Embora seja verdade que instalações solares geralmente não enfrentam surtos, já que a intensidade do sol não varia muito (exceto por ejeções de massa coronal catastróficas ou erupções solares), os equipamentos que conectam a energia solar à rede, como inversores, ainda podem causar falhas e incêndios, sendo necessários fusíveis de alta corrente e voltagem.

Figura 1: Os fusíveis de alta tensão e alta corrente reagem rapidamente à sobretensão, o que pode causar falhas de sobrecorrente. Esses fusíveis da série Classe J da Littelfuse, que também oferecem porta-fusíveis, podendo suportar até 1000 volts a 450 Amps. (Fonte: Mouser Electronics)

Disjuntor, Disjuntor

Fusíveis podem ser caros e complicados de acessar. Muitos fusíveis montados em placas de circuito exigem a desmontagem do equipamento para trocar e substituir o fusível. Além disso, se a falha que causou o fusível queimado não for resolvida, ele queimará novamente. Os disjuntores podem ajudar a resolver esse problema.

Os disjuntores geralmente são mais complexos e mais caros do que os fusíveis, mas podem ser reinicializados, tornando-os mais fáceis e seguros de usar. Alternar uma alavanca isolada ou pressionar um botão isolado é mais simples e seguro do que colocar as mãos em uma caixa potencialmente perigosa com alta tensão. Com equipamentos eletrônicos, é fácil remover a energia. No entanto, com a energia da linha AC, o fusível está sempre conectado à energia – a menos que uma chave mecânica de corte de segurança esteja instalada.

Assim como os fusíveis, muitos tipos de disjuntores utilizam diferentes formatos. Todos temos experiência em usar disjuntores em nossas casas e instalações, e muito provavelmente já usamos disjuntores em nossos equipamentos (Figura 2). Disjuntores residenciais e prediais são bem isolados, fáceis de usar e têm instalação direta. Disjuntores de equipamentos pequenos, geralmente localizados em um painel traseiro, também são fáceis de usar, sem a necessidade de desmontar racks ou cabos de equipamentos.

Figura 2: Edifícios e instalações podem usar disjuntores seguros de pólo único, duplo e triplo com altas tensões e correntes. (Fonte: Mouser Electronics)

Os dispositivos reajustáveis PolySwitch são uma tecnologia valiosa para proteção contra sobrecorrente. Esses fusíveis reinicializáveis aquecem para realizar um circuito aberto acionado termicamente. Uma vez resfriados, eles fecham o circuito para permitir que o equipamento volte a operar automaticamente.

Assim como todas as tecnologias de proteção, os dispositivos reinicializáveis PolySwitch têm classificações de sobretensão e sobrecorrente, limites máximos e tempos de reação (Figura 3). Eles funcionam aumentando a resistência conforme a temperatura aumenta, e também estão disponíveis em várias embalagens, incluindo montagem em superfície e através de orifícios.

Figura 3: Os dispositivos reinicializáveis Littelfuse PolySwitch aumentam a resistência à medida que a temperatura aumenta devido ao aumento do fluxo. Projetada para limitar correntes inseguras e ao mesmo tempo permitir níveis de corrente seguros constantes, a resistência será “reiniciada” automaticamente quando a falha for removida e a temperatura retornar a um nível seguro. (Fonte: Mouser Electronics)

Proteção contra Transientes

Circuitos de baixa potência que operam em baixas voltagens precisam de proteção contra transientes e surtos, e felizmente, os engenheiros de design têm opções para isso. Diodos e matrizes supressoras de tensão transitória (TVS), transorbs e varistores são os dispositivos mais comuns usados para proteger sistemas eletrônicos de transientes.

Diodos TVS e transorbs são projetados com determinadas tensões de ruptura. Isso permite que eles fixem a voltagem na linha em um nível seguro e protegido. Versões de canal único e multicanal permitem que os projetistas selecionem as voltagens de fixação e o número de canais. Dispositivos multicanais são ideais para proteger linhas de dados e endereço, por exemplo, em um barramento de microprocessador.

Proteções de polaridade reversa de overshoot e undershoot, mas opções unidirecionais e bidirecionais permitem apenas a proteção contra sobretensão. As várias opções de invólucro podem ser selecionadas para absorver surtos de até 30KW.

Um varistor é um dispositivo semelhante. Ele também é um diodo, mas sua resistência varia com a voltagem de polaridade reversa aplicada. Como os dispositivos TVS, os varistores estão disponíveis em muitos formatos e classificações de potência. Supressores multicamadas e tecnologias de óxido metálico absorvem energia acima de um determinado limite. Varistores reagem muito rapidamente e, como tal, são ideais para ESD e até mesmo surtos de alta velocidade causados por raios. Lembre-se de que varistores só podem absorver uma quantidade específica de energia, e uma vez absorvida, eles se tornam circuitos abertos e devem ser substituídos.

Para designs de alta voltagem, um tubo de descarga de gás é uma boa tecnologia a ser considerada. Aqui, tubos de gás encapsulados em cerâmica são usados para provocar faíscas nas linhas de circuito sendo protegidas. Como uma lacuna de faísca encapsulada, ele limita a voltagem permitindo que a energia elétrica em excesso forme um arco. O tipo de gás e o dispositivo com espaço ativado variam de 75V a pontos de faísca de 7.5KV.

Conclusão

Hoje mais do que nunca, as proteções de circuito são necessárias para garantir confiabilidade em produtos modernos e muitas indústrias ainda não dominam essas proteções. Aparelhos modernos como fornos, lavadoras, secadoras, lava-louças, condicionadores de ar e geladeiras substituíram controladores mecânicos mais antigos, robustos e confiáveis, por controladores eletrônicos. Os controladores eletrônicos mais recentes apresentam taxas de falha muito altas, principalmente devido a transientes fracos e surtos de sobretensão ou subtensão. As tecnologias de proteção da Littelfuse oferecem muitos benefícios aos engenheiros de design que buscam garantir segurança e confiabilidade.

Artigo escrito por Jon Gabay e publicado no blog da Mouser Electronics: Shielding Circuits: Guard Against Surges

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
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