COMPARATIVO DE TECNOLOGIAS DE SUPRESORES DE VOLTAJE

TECNOLOGIAS DE SUPRESORES.

Diversas tecnologías son utilizadas bajo la categoría “Sobrevoltage transitorio ó supresión de energía”. Cualquier supresor o sistema de supresión  utilizado para proteger equipos computarizado u otra calse de equipos que se basen en microprocesadores deberían ser medidos contra los siete criterios enlistados.

TUBOS DE DESCARGA DE GAS (120Vrms)

Tiempo de respuesta . ..... ..... ..... ..... ....      ..... ..... ..... ..... 10 - 500 µsec

Nivel de protección de voltage      ..... ..... .. ..... ..... ..... ..... 400 - 1200 Volts

Poder de disipación          .. .. .... ... .. ..... .. ..... ..... ..... ..... aceptable

Operación libre de disturbios         ..... ..... ..... ..... … … No:  cortos DE línea  ( Crowbar)

Confiabilidad  . .... . ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... … ..    Degradaciones por uso

Vida operativa        .... ..... ..... . ..... .. ..... ..... ..... .....  ..  25 - 2 500 de energías

VARISTORES DE OXIDO DE METAL (120Vrms)

Tiempo de respuesta . ..... ..... ..... ..... ....      ..... ..... ..... ..... 35 - 50 nanosegundos

Nivel de protección de voltage..... ..... .. ..... ..... ..... ..... 300 - 1000 Volts

Poder de disipación.. .. .... ... .. ..... .. ..... ..... ..... ..... aceptable

Operación libre de disturbios..... ..... ..... ..... … … aceptable

Confiabilidad. .... . ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... … ..  Degradación por uso

Vida operativa.... ..... ..... . ..... .. ..... ..... ..... .....  ..       Degradación por uso

DIODOS DE AVALANCHA DE SILICIO  (120Vrms)

Tiempo de respuesta. ..... ..... ..... ..... ....       ..... ..... ..... ..... 5 nanosegundos

Nivel de protección de voltage..... ..... .. ..... ..... ..... ..... 220 - 400 Volts

Poder de disipación.... .. .... ... .. ..... .. ..... ..... ..... ..... aceptable

Operación libre de disturbios..... ..... ..... ..... … … aceptable

Confiabilidad.. .... . ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... … ..  aceptable

Vida operativa........ ..... ..... . ..... .. ..... ..... ..... .....  ..  Excelente, no hay degradación

DEFINICIONES:

SOBREVOLTAJE TRANSITORIO:

Impulsos u oscilaciones de altos voltages en la curva sinoidal AC, de menos de ½ ciclo (8.3 ms, 60Hz)  de duración.  Generalmente  corriente alta y  sobrevoltage alto, no tienen repeticiones en la frecuencia de la formas de onda.

Causas:

A.        capacidad del encendido de la carga:

Cambios rápidos del voltage que atraviesa  un capacitor, produce una alta corriente. El nivel de corriente depende sobre el tamaño de los capacitores y de la tasa de cambio de el voltaje

I C = C dv

                                                   dt

FUENTES:

Cargas electrónicas, cargas computadas, Capacitores de Corrección de factor de poder, relámpagos.

B.         CARGA INDUCTIVA EN ENCENDIDO ,  Switching:

Rápidamente cambiando el voltage que cruza un inductor  produce un alto voltage. El  nivel de voltage depende de la medida del inductor y  la tasa de cambio de la corriente a través de la carga inductiva.

V L = -L di

             Dt

fuentes:

Encendido de cargas de motor, cargas de relámpagos, etc.

DESCRIPCION DE TRANSCIENTE:

Los sobrevoltajes transitorios son de alta velocidad y superpuestos en la curva sinoidal  de la AC. Están caracterizados por una rapidísimo tiempo-onda , típicamente en la región de los microsegundos (µs) a la región de los milisegundos (ms) con una capacidad de descarga.

(l) Alto voltaje  (en exceso de 50 volts);

(2) Alta-corriente (amperes a kiloamperes); y

(3) Patrones de frecuencia no repetibles.

UNIPOLAR Y BIPOLAR

Los transitorios pueden ser unipolares y bipolares. Un transitorio unipolar será siempre un impulso positivo o negativo  cayendo en la curva sinoidal. Un transitorio bipolar será el que tenga ambos componentes negativos y positivos. Esta es la característica de la oscilación de el transitorio (un capacitor encendido, iluminación).

UNIDERECCIONAL Y BIPOLAR

Los transitorios pueden ser unidireccionales (ejemplo. Moviéndose  en solo una dirección en la  línea de corriente),  línea de datos o poder.  Son también bi-direccionales (ejemplo, moviéndose en ambas direcciones al mismo tiempo).

Los sobrevoltages transitorios bidireccionales pueden ser causados por la iluminación induciendo corrientes moviéndose en ambas formas en la fuente o en la línea de datos desde el punto  de inducción.  Serían también por la carga creada, moviéndose hacia la línea de la carga, o la línea creada, moviéndose desde la línea hacia la carga.

LIMITANDO  (Clamp “RESTRICCION DEL NIVEL DE PROTECCION DE VOLTAGE”)

Restringir significa limitar el voltage, asi que no podrá alcanzar cierto nivel. El Voltage puede ser restringido ya sea en el nivel positivo o negativo, o ambos. Una fuente DC o sobrevoltage transitorio restringido limitaría el voltage de DC a cierto nivel o valor llamado el Nivel de Protección de Voltage.

SUPRESOR DE TRANSITORIOS DE VOLTAGE.

Un aparato limitante de AC, limitará el voltage transitorio de AC al Nivel de Protección de Voltage (VL). Cuando el voltage transitorio caiga a este nivel, el aparato limitante  asegurará que el voltage no alcanze mayor nivel, pero permitirá que la fuente de voltage no se interrumpa.

Un aparato de limitación de voltage AC es usado para restringir el nivel de las fuentes que  alcanzan las líneas de corriente en AC y necesitan ser bipolares, significando que limitarán o restringirán a ambos niveles positivos y negativos como se mencionó ya. Pueden ser bi-direccionales,  porque proveen   la misma restricción característica para la línea que origina los transitorios o para la carga que también los origina.

Deben ser designados para limitar un voltage, que no interferirá con el pico de la curva sinoidal, no permitiendo un alto voltage también, que dañe o interrumpa la fuente de poder electrónico o sistema.

encendiendo la carga

La carga en  el sistema de distribución de equipos, es primeramente inductiva: transformadores, motores, etc.  Encendéndo estas cargas ahí o apagándolas generarán voltages transitorios,  debido a los rápidos cambios de corriente. La red encendida, si no es en  fase,  y con pequeños cambios pueden tener resultados similares. Encéndiendo capacitores de  corrección de factores de poder resultará en un sobrevoltage transitorio en el sistema. En una prueba de un capacitor  de 1200KVAR  estuvo cerca de  25KV  línea.

relampagos  (Inducida)

Otra fuente de  línea de corriente con transitorios son los relámpagos. Aunque es la ultima causa frecuente de transitorios, el resultado aún en la distancia frecuentemente inducirá corrientes a la línea  en una muy alta amplitud, resultando en alto voltage transitorio en el sistema.

Utility Users  (usuarios de computadoras)

En el sistema de distribución de computadoras, los efectos de transitorios son raramente problemas a las computadoras, hasta que el voltage alcance o exceda el corte de corriente del voltage para el aislamiento en el cableado, transformadores, etc. Como sea, el efecto en el sistema de distribución del cliente (hospital, industria, oficina, etc.) y el equipo conectado a ese sistema puede ser devastado, resultando en errores en base de datos y computadoras, malfucionamiento, fallas en componentes y extenso (cara) tiempo perdido.

TRANSITORIOS DENTRO DE LAS INSTALACIONES

La primera causa de los transitorios dentro de los hospitales, fábricas, oficianas, casas, etc,  NO ES desde el equipo utilitario, PERO SI, si de las actividades  dentro de las instalaciones o de un cercano vecino en la misma porción del sistema de distribución a los equipos. La causa es también por el encendido de cargas inductivas o capacitativas. Elevadores, motores, grandes máquinas, motores para manejar, aire acondicionado y sistemas de refrigeración, balastras de iluminación, copiadoras, cafeteras, motores de encendido y capacitores de corrección de factores de poder son todos los ejemplos de cargas que han sido y son fuentes de problemas por sobrevoltages transitorios. El vasto número de causas significa que están ocurriendo y en una u otra forma  todo el tiempo.

LA NECESIDAD DE SUPRESION DE VOLTAGE

Las fuentes de transitorios han existido desde hace varios años y han sido una pequeña preocupación, entonces porque son  semejante preocupación y a la vez causantes de tantos problemas ahora?

Los aparatos de estado sólido son diseñados para ser ejecutados por  un indefinido período. Pero cuando estos aparatos son utilizados en el campo, sus actuales resultados característicos, frecuentemente los hacen no llegan a las expectativas de vida útil confiable. Muchas veces,  esto es causado por la degradación de sus componentes, resultado del stress del voltage transitorio .

SENSIBILIDAD DEL CIRCUITO INTEGRADO AL STRESS DEL VOLTAGE.

Hace cerca de 25 años que el circuito integrado (IC) fue desarrollado. Cerca de 1977, los fabricantes habían planenado 380 componentes de circuitos electrónicos (transitorios, resistores, capacitores, etc),  en una pequeña ¼ y cerca de ¼  pulgada, de chip e instalado en un  “dual in-line pack” (DIP)  “paquete dual en línea”.

El número de componentes se han incrementado anualmente y  aún hacia tras de 1987, estos IC chips habían sido fabricados con un millon de componentes en ellos.  Hoy un IC podría contener varios millones de componentes. Como la densidad de los componentes se incrementa, el espacio entre ellos decrece y su susceptibilidad y vulnerabilidad a los sobrevoltajes transitorios dañinos  se  incrementa. La densidad incrementada ha resultado en requerir la reducción en la fuente de poder de voltaje DC de  5 VDC a 2.5 VDC y aún a 1.5 VDC.

El circuito de memoria en un chip puede ser perturbado y requiere una pequeña reprogramación tan pequeña como un billonesima parte de un joule (10-9 joules) de energía. El chip  puede ser destruído por solo uno de 100,000 de un joule (10-5 joules) de energía. Caminando, cruzando  un suelo alfombrado y después manipulando  el DIP puede hacer esto. En general, como sea, los técnicos y personal de campo de  servicio están preocupados por este factor y toman necesariamente precauciones para prevenir las causas de los daños. Como sea, estos e incluso altos niveles de energía son enteramente el IC chip y el circuito que esté en el camino de la AC/DC fuente de poder de los usuarios del sistema de distribución de corriente. Las líneas de datos son otra razón, donde los transitorios pueden entrar al IC.

PRUEBAS DE SOBREVOLTAGE  DE TRANSITORIOS

Por años, los aparatos de supresión de transitorios (supresores) han sido probados por su capacida de supresion de “impulso transitorio” , utilizando ondas de forma de transitorios que han sido dados por ANSI/IEEE Práctica recomendada C62.41-1991. Estas formas de onda son 1.2/50µs para el voltage en la punta de la onda y 8/20µs para la corriente de la punta de la onda.

La IEEE reconoce ahora que son mucho mas largos los  filos de la onda, son más comunes en las fuentes de distribución y han sido incluso recomendados para pruebas de las fuentes.

HALLAZGOS DE LA IEEE

Un estudio independiente, reportó que en el papel de un IEEE (artículo 4 en un sección referenciada),  se  descubre que 88.5% de las perturbaciones de las líneas de poder son por transitorios tipicos: oscilaciones que decaen e impulsos. Un promedio de 113 de estos transitorios fueron registrados por mes.

Un segundo papel de IEEE (artículo 2, referenciado en su sección), reportó los resultados de 2 años de estudio  y determina  el sobrevoltage por transitorios se ve también (ejem sus filos en las ondas), en el ambiente eléctrico. Ambos voltages y la corriente fueron medidos simultáneamente.

Un total de 277,612 correlaciones ocurridas fueron registradas en 9 localidades diferentes de 48 estados contiguos. Para ser “un evento correlacionado”, ambos, el evento del voltage y la corriente  tenían que ocurrir dentro de 50 microsegundos por cada uno.

De los 277,612 hechos correlacionados, 89.4% fueron entre  ± 10% de estos. No solo indica que hay un largo número de energía  contenida en las fuentes (transiente  de sobrevoltage y corrientes), pero los filos de cada  uno de ellos indican una  presencia extremadamente ancha en rango de frecuencias. El rápido tiempo en el ascenso del voltage, 1 microsegundo (10-6 segundos) para el valor del pico, es el resultado de la alta frecuencia de componentes en el rango de megahertz. El lento decaimiento, 1 millosegundo (10-3  segundos) de 50% del pico, muestra la presencia de componentes de frecuencia debajo del rango de kilohertz.

LOS EFECTOS DEL STRESS DE VOLTAGE EN EQUIPOS ELECTRONICOS.

Cuando un transitorio de voltage alcanza a una computadora o alguna otra pieza electrónica sensible del equipo, el fenómeno del alto voltage genera de uno a tres tipos de fallas.

1.      Perturbaciones – errores

Pueden tener un inmediato efecto que resultará en un error  en la base de datos del sistema o una alteración de la memoria. Esta perturbación es causada por un bajo nivel  transitorio de voltage, amplitud suficientemente intensa para causar cambios en el estado del componente, por lo tanto causando un daño ligero.

2. Daño

Este puede ser inmedianto y notado en un componente dañado. Es  el resultado de una falla dura causada por un transitorio en el voltage de nivel alto que el componente no lo puede sobrevivir y se quema.

3. Erosion -   Falla de largo plazo

El tercer efecto (mostrado en la figura 7-18) podría no convertirse en tal, hasta por un tiempo aparentemente. Es producido cuando un transitorio de voltage coloca stress en un componente. El resultado es una degradación en el componente o también dicho erosión. Este tipo de falla puede exhibirse a si misma inicialmente como una falla ligera o perturbación. Como el proceso de erosión continúa, provocará una falla dura en unas cuantas horas, días o semanas.

SOLUCIONES A TRANSITORIOS DE SOBREVOLTAGE.

Eliminando o reduciendo los efectos de estos transitorios de sobrevoltages en equipos computarizados, resultará en una marcada reducción de errores, malfuncionamiento y fallas que resultan en tiempo perdido. Esta reducción significa incrementar la productividad de la operación del sistema. Las tecnologías en uso para proteger los daños de transitorios del equipo, están puestas en dos categorías.

1. Frecuencia dependiente

2. Frecuencia no dependiente

FRECUENCIA DEPENDIENTE — MAGNETICA

- LC FILTROS

- Transformadores de aislamiento

- Reguladores

- Acondicionadores de línea - Ferro y otros

FRECUENCIA NO DEPENDIENTE — NO-MAGNETICA

- Tubos de gas

- Metal Oxide Varistors (MOVs)   Varistores de óxido de metal

- Silicon Avalanche Suppressor Diodes (SASD),  Supresores de diodos de avalancha de silicio

-          Combinación de ambos

FRECUENCIA DEPENDIENTE

Aparatos magnéticos semejantes a los transformadores blindados Faraday, transformadores de voltage constante, filtros, acondicionadores de línea, etc, todos son circuitos sintonizados. Mientras que filtran algunas frecuencias o rango de frecuencias, pueden actualmente ampliar otras frecuencias. Los transitorios contienen un extremado rango de frecuencias (desde la más baja en el rango de kilohertz, hasta la región de los megahertz) y sus frecuencias contenidas y amplitudes, varían de transitorio a transitorio.

Luego entonces, los aparatos magnéticos, con sus limitadas ancho de banda, no pueden hacer un adecuado trabajo de reducción de amplitudes de transitorios y no pueden tampoco amplificar el pico del voltage transitorio.

La fuente de poder ininterrumpible (UPS) es una forma de frecuencia dependiente de la proteccion transitoria, con la batería activa que es como un capacitor en el  filtro del circuito. Otra vez estamos negociando con un circuito sintonizado, como en el párrafo anterior.  Los sistemas UPS son diseñados para proveer una constante fuente de poder a los equipos computarizados y son normalmente empleados para salvaguardar contra pérdidas temporales de energía, semejantes como apagones o cortes de energía.

Las fuentes de poder ininterrumpibles, como sea, pueden ser muy caras. Porque son unidades de estado sólido (circuitos controlados, etc), pueden dañarse o quedar fuera de servicio por los transitorios. Adicionalmente, se sabe que las UPS  pasan transitorios a travéz de su rectificador e inverten con suficiente voltage y energía, dañando el equipo que están protegiendo. Esto es especialmente verdad, donde las baterías que están localizadas con cierta distancia  de la electrónica de las UPS. Los transitorios han sido también documentados, de que pasan a través del estado sólido del circuito bypass.

 FRECUENCIA NO DEPENDIENTE.

El único adecuado y confiable equpo que protege equipos computarizados de los transitorios es un supresor de corriente. Los supresores de corriente son tipicamente no magnéticos,  sin frecuencia,   aparatos de voltage dependiente diseñados para limitar (restringir) el voltage o corto (palanca) de la línea. Responden a las subidas de voltage arriba de sus valores predeterminados. Limitando los tipos de supresores que son diseñados para “turn  on”  -encender- a aproximadamente 120% del voltage de pico nominal y limitar (restringir) el voltage a un nivel seguro para la duración del evento de energía para proteger el equipo. Hay además, una combinación de supresores de energía que limitan o cortan la línea.

CARACTERISTICAS DEL TRABAJO DE LOS SUPRESORES

Cuando se escoge un supresor de transitorios para proteger computadoras o cualquier microprocesador ubicado en una pieza del equipo, hay 8  importantes  trabajos característicos que considerar:

1. Tiempo de respuesta -- Este es el tiempo de respuesta que toma al supresor encender y comenzar a absorber la corriente transitoria que está entrando. Un supresor de transientes deberá ser 100 veces más rápido que el transitorio. Por la forma de la onda característicade los transitorios (1 - 10µs rise time), un supresor deberá  poder responder dentro de pocos nanosegundos (un nanosegundo es una billonésima parte de un segundo). Una respuesta lenta puede permitir pasar, alto voltage al equipo antes de que se encienda para responder.

Voltage Protection Level (VPL) Nivel de protección de voltage--

Recordando  la magnitud del voltage transitorio entrante, un supresor debe activarse a este, y controlar el nivel de voltage a una región segura. Si no hace esto, entonces el supresor dejará pasar suficiente de corriente transitoria a través de él, resultando en la degradación o daño de los microcircuitos.

Para proveer satisfactoriamente un buen resultado, un supresor de transientes debe empezar a limitar el sobrevoltage transitorio de120-150 % del valor del voltage pico nominal de la curva sinoidal o señal de la base de datos. Si representamos en curvas  el nivel de protección de voltage versus la  corriente transitoria para comparar SASD y la tecnología  MOV.  Las curvas de ambos 120 VRMS y 240 VRMS aplicaciones que son presentadas, bajo las condiciones de  baja energía transitoria, los protectores MOV restringen más alto que los SASD  pero en  una relativa región segura. En  niveles más altos de energía transitoria, incluyendo relámpagos, los protectores MOV dejan un significado y potencial dañino voltage pasar a los equipos protegidos.

2.      Fuentes de corriente –

Algunos fabricantes de supresores tiene altos valores de corriente de energía, sin referencia de un Nivel de Protecciond de Voltage en estos valores. Estos altos rangos de corriente son tipicamente determindados, sumando un múltiple, rangos individuales de componentes juntos con la suposición de que operan juntos en un perfecto sistema combinado.

Esto es dificil de lograr, especialmente con componentes que tienen inicialmente una tolerancia arriba de 10% o experimentan degradación en varios niveles durante la operación. Algunas fuentes de  corriente son fijadas a niveles que son tan altos que poniendo fusibles al  supresor o diseñando un  circuito trazado apropiado  se vuelve de suma importancia. Ambas pueden fallar si no son del tamaño corrrecto para energías tan bajas como 3KvA. La cantidad de corrriente eléctrica puede ser desviada por un supresor si también es limitada por la parte física del Voltage (kV) de  la distribución del sistema eléctrico.

4.  Poder de disipación --

Generalmente mediciones hechas en joules o watts-segundos,  el poder de disipación se refiere a la habilidad del supresor de absorber la energía en el transiente, sin exceder el nivel de protección de voltage para el supresor o los equipos que están siendo protegidos. Mientras es muy importante saber que el punto de voltage limitado del supresor es a su máximo de capacidad de corriente,  una de las claves del problema es manejarlo solo en niveles de joules como una forma de indicador de su ejecución si es débil en tiempo puede perder direccionamientos en restricción de voltage (limitantes). Un supresor hecho a una tasa de 12 Joules podría manejar 12,000 watts de energía de transiente por 1 milisegundo o 12,000,000 de watts por 1 microsegundo, así que midiendo en watts por si mismo es irrelevante. Para resolver este problema, los grupos de estándars semejantes a la IEEE y IEC han requerido amplitudes específicas de corriente y picos de onda asociados, más que una tasa de energía o poder (como en watts o en joules), es aplicado a aparatos de protección de energía que significa proveer aparatos de restricción o limitación de voltages.

5.  Libre de perturbaciones –Un supresor sería capaz de operar sin apagarse, de otra manera interrumpiendo la operación del sistema protegido. La acción limitada no debe  interrumpir la energía del sistema protegido. Un aparato que corte (palanca) no cumple con este requisito.

6.  Ejecución confiable -- Esto se refiere a la habilidad del supresor de manejar un transiente después de otro, sin alterar sus características de operación. El punto del voltage limitado no debe cambiar con el uso (ejemplo: el aparato no debe deteriorarse con el uso).

7. vida Operativa -- La vida del supresor se refiere a el número de veces que absorberá transitorios sin degradarse o descomponerse. Obviamente, entre más larga sea la vida del supresor, tendrá una relación costo-beneficio.