Proteger componentes eletrônicos sensíveis contra surtos elétricos é fundamental no design de sistemas eletrônicos modernos. Eventos de sobretensão transitória, comumente chamados de surtos, podem surgir de diversas fontes, como descargas atmosféricas, distúrbios na rede elétrica e até mesmo operações de comutação internas no próprio sistema. Esses picos de tensão súbitos e excessivos associados a esses surtos podem causar danos graves e irreparáveis a dispositivos eletrônicos delicados, resultando em reparos caros, interrupções operacionais e potenciais riscos à segurança.
Como engenheiro de projetos de hardware, é essencial incorporar técnicas e tecnologias eficazes de proteção contra surtos em seus sistemas eletrônicos. Isso aumentará significativamente a confiabilidade, a durabilidade e o desempenho geral de seus projetos, protegendo-os dos efeitos catastróficos de eventos de sobretensão transitória. Este artigo explora diversas técnicas e tecnologias de proteção contra surtos, fornecendo o conhecimento e as ferramentas necessários para garantir a robustez e a resiliência de seus sistemas eletrônicos contra surtos elétricos.
O que é um surto e quais são as fontes de surtos?
Um surto, ou sobretensão transitória, é um aumento temporário de tensão e corrente em um circuito elétrico. Esses aumentos podem variar de alguns volts a vários milhares, com picos de corrente frequentemente ultrapassando centenas de amperes. Os surtos geralmente duram de alguns microssegundos a alguns milissegundos. Esses picos súbitos podem ser causados por diversos fatores, como descargas atmosféricas, problemas no fornecimento de energia pela concessionária ou quando dispositivos deixam de consumir energia repentinamente, redirecionando a tensão excedente para outros aparelhos. Os impactos desses surtos podem ser significativos, resultando em falhas de equipamentos, perda de dados e interrupções operacionais. Os surtos de energia podem ter origens tanto internas quanto externas.
| Fontes internas | Fontes externas |
|---|---|
| A comutação de cargas de alta corrente. Eventos de comutação de bancos de capacitores. Circuitos de ressonância associados a dispositivos de comutação, como tiristores. Falhas, como curtos-circuitos e arcos para o aterramento. Ciclos de funcionamento de geladeiras em ambientes residenciais. | Descargas atmosféricas atingem linhas de energia, induzindo correntes em edifícios. Comutação de rede e bancos de capacitores (lado da concessionária). Danos a linhas de energia ou transformadores. |
Tabela 1: Fontes de surtos (Fonte)
Tipos de técnicas de proteção contra surtos
A proteção contra surtos pode ser implementada utilizando componentes internos na placa de circuito impresso (PCB) ou módulos externos. Os módulos externos são mais comuns para dispositivos que se conectam diretamente à rede elétrica, pois esses componentes tendem a ser grandes demais para integração na PCB. No entanto, componentes integrados à placa ainda devem ser utilizados em locais estratégicos, mesmo quando um componente externo é necessário, para proteger o sistema contra eventos transitórios. Algumas das técnicas mais importantes e populares são:
- Dispositivos de Proteção contra Surtos (SPDs)
- Varistores de Óxido Metálico (MOVs)
- Diodos de Supressão de Tensão Transitória (Diodos TVS)
- Tubos de Descarga a Gás (GDTs)
- Supressor de surtos por tiristor (TSS)
Dispositivos de Proteção contra Surtos (SPDs)
Todo equipamento eletrônico opera dentro de uma faixa de potência específica. Tensões excessivas podem causar danos permanentes, tornando os SPDs (Dispositivos de Proteção contra Surtos) essenciais. Embora os SPDs não possam evitar surtos de tensão completamente, eles mitigam seus efeitos ao criar um caminho de baixa resistência que converte a tensão transitória em corrente e a direciona para o aterramento. Quando instalados no quadro de distribuição, os SPDs atuam como uma linha de defesa inicial, redirecionando a tensão excedente para longe dos equipamentos vulneráveis, prevenindo possíveis danos. Eles são projetados para absorver picos de tensão prejudiciais, priorizando a proteção do sistema elétrico, mesmo em situações críticas. É crucial garantir que o projeto seja seguro para que, em casos raros de falha do SPD, ele não interrompa processos acionando disjuntores, danificando equipamentos próximos ou colocando pessoas em risco.
Tipos de Dispositivos de Proteção contra Surtos:
- SPD Tipo 1
- SPD Tipo 2
- SPD Tipo 3
| SPD Tipo 1 | Posicionado no lado de entrada da linha principal de serviço/quadros de distribuição principal ou fonte de alimentação. Usado em grandes instalações e locais de alto risco. Com uma onda de corrente de 10/350 µs, é ideal para uso externo. A Corrente Máxima de Descarga é de 50 kA e o Nível de Proteção de Tensão é ≤ 2,5 kV. Oferece defesa primária contra surtos de energia externos causados por raios ou comutação de bancos de capacitores da concessionária. Equipado com sistemas de alarme embutidos para indicar a necessidade de substituição com base no seu ciclo de vida. |  |
| SPD Tipo 2 | Posicionado no lado de carga da entrada principal de serviço, quadro de subdistribuição ou painel elétrico. Usado em instalações de médio porte. Apresenta uma onda de corrente de 8/20 µs. A Corrente Máxima de Descarga é de 40 kA e o Nível de Proteção de Tensão é ≤ 1,5 kV. Protege circuitos derivados ou entradas de serviço contra energia residual de raios e surtos induzidos por motores. A função principal é limitar a tensão transitória, protegendo eletrônicos sensíveis e placas baseadas em microprocessadores/microcontroladores. Comumente utilizado em ambientes comerciais e industriais. |  |
| SPD Tipo 3 | Posicionado nas tomadas ou próximo ao equipamento terminal específico. Usado em determinados dispositivos e circuitos. Projetado para suportar ondas de tensão (1,2/50 µs) e ondas de corrente (8/20 µs). A Corrente Máxima de Descarga é de 10 kA e o Nível de Proteção de Tensão é ≤ 1 kV. Desenvolvido para mitigar surtos de baixa intensidade que representam risco para circuitos eletrônicos sensíveis em dispositivos como TVs, PCs e eletrodomésticos. Funciona como a última linha de defesa em uma rede de proteção contra surtos. Frequentemente integrado a réguas de energia para uso conveniente em ambientes residenciais e de escritório. |  |
Tabela 2: Tipos de SPDs
Varistores de Óxido Metálico (MOVs):
O MOV é um tipo de resistor variável não ôhmico e possui uma característica não linear de tensão-corrente. Diferente de resistores ôhmicos, como potenciômetros, a resistência do MOV muda automaticamente com a tensão. Em condições normais, quando a tensão permanece dentro dos limites especificados, o MOV apresenta alta resistência, permitindo que a corrente flua pelo circuito e contorne o MOV. No entanto, durante picos de tensão, especialmente provenientes da fonte primária de energia, a tensão é aplicada diretamente no MOV, já que ele está conectado em paralelo à rede de corrente alternada. Esse surto faz com que a resistência do MOV caia drasticamente, efetivamente simulando um curto-circuito. Embora os MOVs sejam eficazes contra surtos de curta duração, eles não são adequados para surtos prolongados.
Composto principalmente de óxido de zinco e outros óxidos metálicos, como cobalto e manganês, o MOV é estruturado com esses óxidos embutidos em pós cerâmicos entre eletrodos metálicos. Essa configuração forma junções de diodos entre os grãos de óxido adjacentes, criando efetivamente uma rede de diodos conectados em série dentro do MOV.
Diodos de Supressão de Tensão Transitória (Diodos TVS):
Um Supressor de Tensão Transitória (TVS) é um diodo de avalanche projetado para limitar sobretensões e dissipar picos de alta potência transitória. Ele absorve o excesso de energia quando a tensão induzida ultrapassa sua tensão de ruptura por avalanche e, em seguida, se redefine automaticamente após a condição de sobretensão passar. O diodo TVS é uma junção semicondutora p-n que se torna condutiva durante um pico de tensão transitória. Em condições normais, ele possui alta impedância e uma corrente de fuga muito baixa, funcionando efetivamente como um circuito aberto. Quando a tensão excede seu limite, o efeito de avalanche no semicondutor é ativado, fazendo com que a junção p-n conduza e crie um caminho de baixa impedância que desvia a corrente excessiva para longe do dispositivo protegido.
Os diodos TVS respondem de forma extremamente rápida, frequentemente em picosegundos, o que os torna eficazes para desviar pulsos intensos de ESD (descarga eletrostática), mesmo aqueles com tempos de subida rápidos. Comparados aos Varistores de Óxido Metálico (MOVs), os diodos TVS oferecem várias vantagens, como a ausência de efeitos de envelhecimento, garantindo estabilidade e confiabilidade ao longo do tempo. Eles são mais robustos e de qualidade superior aos diodos Zener, que são projetados para baixa tensão DC e não especificados para lidar com surtos.
Tubos de Descarga a Gás (GDTs):
Esses dispositivos de proteção contra surtos utilizam princípios de descarga a gás para conduzir correntes de surto. Inicialmente, os GDTs apresentam alta impedância e pequena capacitância, funcionando como um circuito aberto. Quando uma sobretensão de surto atinge a tensão de ruptura de pulso do GDT, a intensidade do campo elétrico supera a resistência do gás à ruptura, causando ionização e mudando o estado do GDT de aberto para fechado. Isso permite que a corrente do surto seja descarregada para o terra, protegendo os componentes subsequentes do circuito de forma segura.
Os GDTs atuam como interruptores controlados por tensão. Quando a sobretensão ultrapassa a tensão de ignição do GDT, ocorre uma descarga controlada, ionizando o gás e gerando um arco. Esse arco dissipa eficientemente a energia do surto, mantendo uma baixa tensão de arco (aproximadamente 20 a 40V) e evitando o acúmulo de mais sobretensão. Após o surto, o arco se extingue e a resistência interna do GDT aumenta rapidamente para mais de 1000MΩ, restaurando seu estado inicial de alta impedância.
Supressor de Surto por Tiristor (TSS):
Esses dispositivos de proteção contra sobretensão baseiam-se nos princípios do tiristor. Eles utilizam a corrente de ruptura de uma estrutura PN para acionar a condução e descarga, permitindo lidar com grandes correntes de pulso de surto. Quando a tensão em um TSS excede sua tensão de ruptura, ele entra em curto-circuito para manter baixa impedância. O TSS retorna ao estado de alta impedância assim que a corrente cai abaixo da corrente de retenção. Em comparação com dispositivos TVS de tamanho semelhante, o TSS pode suportar correntes de pulso de surto maiores e possui menor capacitância, tornando-o adequado para proteção contra surtos maiores em linhas de sinal.
Os dispositivos TSS alternam de um estado de alta impedância (bloqueado) para um estado de baixa impedância (condução) durante sobrecargas transitórias, protegendo os circuitos contra altas correntes de sobrecarga e prevenindo danos por sobretensão nos terminais do circuito. O TSS oferece várias vantagens em relação aos Tubos de Descarga a Gás (GDTs) tradicionais, incluindo estabilidade a longo prazo, ausência de efeitos de envelhecimento e acionamento sem oscilações parasitas ou ressonâncias. Eles são ideais para aplicações em redes de telecomunicações, como xDSL, T1/E1, Ethernet, EPON, GPON, e proteção de banda de voz em placas de linha e equipamentos de telefonia em instalações de infraestrutura e residenciais.
Aplicando proteção contra surtos em uma rede local (LAN)
Dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) só são eficazes quando instalados corretamente. Esta seção fornece diretrizes para redes onde cabos de LAN percorrem entre edifícios com proteção estrutural contra raios ou com risco negligenciável de descargas diretas:
- Roteamento de cabos LAN: Passe os cabos que conectam edifícios próximos aos quadros de distribuição de energia elétrica, de onde se origina o aterramento da alimentação elétrica de cada edifício.
- Instalação de SPD na rede: Instale um SPD de rede no cabo LAN próximo ao quadro de distribuição de energia em cada edifício. Trate todos os edifícios de forma semelhante, pois a preocupação é com as diferenças potenciais entre os aterramentos de cada edifício.
- Aterramento do SPD: Aterre o SPD no quadro de distribuição de energia utilizando o cabo mais curto possível, com uma seção transversal mínima de 2,5 mm². Para um melhor desempenho, use vários cabos em paralelo elétrico e espaçados entre si. Idealmente, monte o SPD em painéis metálicos aterrados, se disponíveis.
Como distribuidor global, a Newark possui os melhores fornecedores para oferecer uma ampla gama de produtos, incluindo soluções avançadas de proteção contra surtos.
| Produtos | Link |
|---|---|
| Protetores contra surtos coaxiais | Acesse |
| Protetores de Linha de Dados e Sinal | Acesse |
| Protetores contra surtos para Ethernet e POE | Acesse |
| Protetores contra surtos para rede elétrica | Acesse |
| Reatores de Linha | Acesse |
| Condicionadores de Linha | Acesse |
| Régua de Tomadas – com Proteção contra Surto | Acesse |
| Protetores de Derivação para LEDs | Acesse |
| Tiristores TVS | Acesse |
Conclusão
A proteção contra surtos é essencial na indústria para proteger dispositivos eletrônicos valiosos de possíveis danos causados por picos de tensão. Com diversas opções disponíveis, desde réguas de energia básicas até protetores de surto abrangentes para toda a casa, é crucial avaliar as necessidades individuais e as restrições orçamentárias ao selecionar a solução adequada. Dispositivos específicos, como computadores e sistemas de entretenimento doméstico, exigem medidas de proteção contra surtos mais avançadas, incluindo recursos de backup de bateria. Além disso, a manutenção regular e a substituição oportuna dos protetores de surto são necessárias para garantir sua eficácia contínua na mitigação dos efeitos prejudiciais das sobretensões transitórias. A proteção contra surtos representa um investimento prudente para qualquer indústria, oferecendo tranquilidade e economias significativas ao proteger eletrônicos delicados de reparos ou substituições custosos devido a danos causados por surtos de tensão.
Contato da Newark no Brasil
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* Texto originalmente publicado no link, adaptado pela Equipe Embarcados.
