Varistor, fusible y filtro en un circuito impreso

Gracias a los muchos asesoramientos de compatibilidad electromagnética (CEM) realizados, he podido analizar y recomendar muchas mejoras de tipo electromagnético en bastantes esquemas y en sus correspondientes circuitos impresos. He podido ver un aspecto al que, a veces, se le da poca importancia es el posicionamiento de los protectores de sobretensión, con respecto al fusible y al filtro de red de CEM en la entrada de la alimentación de alterna de 230V del equipo. El circuito de protección contra sobretensiones puede incluir diversos tipos de componentes como varistores, TVS (Transient Voltage Supressor), o descargadores de gas. 

 

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El circuito de protección más usual consiste en un simple varistor, aunque sólo protege contra sobretensiones en modo diferencial entre las líneas L y N en un sistema

monofásico y no protege en modo común entre una de las líneas (L o N) y tierra. Una buena recomendación para la protección del equipo en los dos modos a la vez, con un solo componente, sería usar la referencia de DEHN VC 280 2 (figura 1). Internamente está formado por dos varistores y un descargador de gas, más un circuito de autoprotección e indicación de estado. El modo diferencial se protege con los dos varistores en serie dispuestos entre L y N y el modo común se protege con los dos varistores y el descargador de gas en serie conectado a tierra


LAS CUATRO ALTERNATIVAS DE POSICIONAMIENTO DEL PROTECTOR

 

Hay cuatro alternativas para posicionar el protector de sobretensión con respecto al filtro de red de un equipo. Los diseñadores más puristas defienden la primera alternativa: el protector (varistor o TVS) no es necesario y es el filtro de red el que debe atenuar los impulsos de sobretensión. Esto podría ser cierto si los componentes internos en el filtro se diseñan para atenuar los impulsos de sobretensión. En este caso, las inductancias en el filtro deben estar diseñadas para soportar el valor de sobretensión y duración del impulso completo sin dejar saltar arcos voltaicos entre sus espiras. Los condensadores deben soportar la sobretensión sin explotar. Los condensadores dispuestos después de las inductancias deben resistir como mínimo el doble de la tensión del impulso.

 

Las inductancias deben devanarse con suficiente espaciado entre espiras o con un hilo esmaltado con un aislamiento muy alto. Para calcular esto, se debe conocer el número total de espiras y la tensión máxima de pico del impulso. Por ejemplo: pico máximo (Vmax) = 10 kV y número de espiras (N) = 50. Los voltios por espira son: Vmax / N = 10 kV/50 = 200 V/espira. La mayoría de los hilos esmaltados soportan unos 500 V de aislamiento. Con ello no se debería requerir un aislamiento especial y las espiras se podrían tocar entre sí. ¿Qué pasaría si la inductancia tuviera solo 10 espiras? La tensión por espira sería: Vmax / N = 10kV/10 = 1kV/espira. Se debería usar un aislamiento especial con un margen adicional de aislamiento de seguridad, donde las espiras no podrían tocarse en una bobina de una sola capa. El hilo esmaltado debería soportar 1kV entre espiras, pero sería demasiado arriesgado. Además, el devanado debería estar separado del núcleo con una lámina suficientemente aislante, todo para evitar el arco voltaico. 

 

 

En la segunda alternativa se desea proteger el equipo y no el filtro de red, por lo que el varistor se coloca en la salida del filtro de red (figura 2). De este modo el varistor solo debe limitar los impulsos de mayor tensión porque el filtro atenúa todos los impulsos que llegan desde la red de CA, 230V. Pero ¿qué ocurre si un gran impulso destruye el filtro? ¿el equipo podría seguir funcionando? Se podría responder a estas preguntas con otra pregunta: si el varistor se dispone delante del filtro y explota, ¿el equipo podría seguir funcionando?


La respuesta a esta pregunta podría ser positiva, por dos razones:

  1. Los varistores suelen fallar quedando cortocircuitados; luego, con la alta corriente de cortocircuito, se abren. Si el varistor queda abierto, el equipo aún puede funcionar (pero queda desprotegido para futuros impulsos).
  2. Es conveniente colocar el varistor en la parte exterior en la entrada del filtro de red (sería la tercera alternativa). Con el acceso adecuado, el varistor destruido, en cortocircuito o abierto, se puede cortar y el equipo puede seguir funcionando hasta que se pueda sustituir por uno nuevo.

 

 

La tercera alternativa ubica el varistor en la entrada del filtro de red para proteger conjuntamente en el equipo y el filtro (figura 3), siguiendo los comentarios anteriores sobre la destrucción del varistor. Cuando el impulso alcanza el varistor, la tensión aumenta rápidamente en sus terminales y el varistor entra en conducción, limitando la sobretensión. La corriente de línea inicial continúa en la línea de red y el impulso se disipa entre el varistor y la impedancia de la red. La tensión que ve el filtro es la tensión de limitación del varistor (clamping voltage). El condensador de entrada del filtro debe resistir al menos el doble de la tensión de limitación del varistor.


Se puede aplicar una cuarta alternativa usando dos varistores, uno en cada extremo del filtro de red. Esta solución sería para impulsos muy altos, del orden de 100 kV. El filtro de red filtrará la energía restante no limitada por el varistor en la entrada y la repartirá con el tiempo, alargando el tiempo de duración del impulso, y reduciendo el pico de energía. El segundo varistor en la salida del filtro limitará la energía restante del impulso ya filtrado.

 

De las cuatro alternativas, la más recomendable y usual, es seleccionar la tercera alternativa, disponiendo el varistor en la entrada del filtro de red. También es bueno que el varistor se monte fuera del filtro (sobre todo si es un filtro con blindaje), con acceso para poder cambiarlo si fuera necesario. También se podría sustituir el varistor por un TVS (Transient Voltage Supressor), con la suficiente energía. Los TVS tienen una respuesta más rápida que los varistores.

 

 

  EL FUSIBLE Y EL PROTECTOR EN LA ENTRADA

Cuando se usa un fusible junto con un varistor (o un TVS) para la protección de la entrada de red en un equipo hay dos opciones de protección. En la primera opción (figura 4) se dispone primero el fusible, pero se debe ser cuidadoso con la selección del fusible con respecto al impulso, debido al hecho de que el varistor, dispuesto después del fusible, da como resultado una circulación de alta corriente por el fusible, cuando limita el impulso. El resultado es un gran valor I²t en el fusible. Si no se selecciona bien el fusible, la probabilidad de fundirse aumenta, dejando el equipo sin funcionar hasta que se sustituye.


La segunda opción es más universal (figura 5) y por el fusible solo circulan pequeñas corrientes, debido a que los impulsos de sobretensión quedan limitados por el varistor dispuesto en la entrada. En este caso, el diseñador tiene mucho más margen de maniobra para seleccionar las características y el tamaño del fusible. Siempre debe tenerse en cuenta que el comportamiento del fusible se va a ir modificando como resultado de los impulsos de corriente. A menudo el hilo en el interior del fusible tiene un recubrimiento que se difunde cada vez más profundamente en el material base. Cuando esto sucede de forma continua se produce una nueva aleación, que a su vez implica a un cambio de la corriente nominal y un debilitamiento continuo del fusible.


UNO O DOS FUSIBLES

 

Una pregunta que debe abordarse es: ¿Qué protección al fallo proporciona el fusible? Hay dos tipos de fallos: (1) fase a neutro y (2) fase a tierra. Debemos tener en cuenta que un fusible no puede proporcionar protección para un fallo de neutro a tierra porque, por definición, el neutro está conectado a tierra en la estación transformadora. En un fallo (cortocircuito) de neutro a tierra, los conductores de neutro y de tierra quedan conectados en paralelo. Por lo tanto, en el neutro aparece una corriente menor y un fusible no puede proporcionar protección.

 

Un solo fusible en el conductor de la fase (L) proporciona protección para los fallos de fase a neutro (N) y de fase a tierra. Un solo fusible en el conductor el neutro solo proporciona protección para fallos de fase a neutro, pero no para fallos de fase a tierra. Esta es una razón por la cual no se permiten un fusible en el neutro.

 

La segunda pregunta que debe abordarse es: ¿Bajo qué condiciones el doble fusible proporciona la misma o una mejor protección que un solo fusible? Ya hemos determinado que un único fusible en el conductor de la fase proporciona una protección adecuada contra ambos tipos de fallos, y que un fusible en el conductor de neutro no. Si se emplean los dos fusibles, el equipo estará protegido contra ambos fallos, pero el fusible en el neutro será redundante para fallos de fase a neutro, y no funcionará para fallos de fase a tierra.

 

La única condición en la que los dos fusibles dispuestos en los conductores de fase y de neutro (figura 6) ofrecen una protección no redundante contra ambos fallos, es en equipos donde es posible la inversión de la polaridad. Es decir, donde los conductores de fase y de neutro pueden intercambiarse porque el enchufe no tiene una polaridad obligada. Si la inversión de polaridad es posible, el doble fusible garantiza que el conductor de fase siempre estará provisto de un fusible. Con doble fusible, se proporciona protección contra ambos fallos en las dos posiciones del enchufe.


La última pregunta que debe hacerse es: ¿la ubicación del fusible (es decir, la fase o en el neutro) es constante o variable? Si se trata de instalar un cableado o un equipo conectado permanentemente a la red, la ubicación del fusible no es variable y no es posible invertir la polaridad. En este caso un fusible, en el conductor de fase, proporciona protección para los fallos de fase a neutro y de fase a tierra.

 

La normativa de cableado prohíbe específicamente disponer el fusible en el neutro en el cableado del edificio y en los equipos conectados permanentemente. Si se trata de un equipo conectado a la red mediante enchufe, debemos examinar la configuración de la red eléctrica, la configuración del enchufe base, la configuración del enchufe aéreo y los códigos de cableado para determinar si la ubicación del fusible es variable o no.

 

En Europa continental, el cableado del enchufe para el enchufe común de 230 V, 16 A no está polarizado, y la ubicación del fusible del equipo es variable. En el Reino Unido, las tomas de corriente y los enchufes están polarizados, y la ubicación del fusible del equipo es constante. Cada enchufe aéreo, base de enchufe y cableado del edificio es una situación independiente que debe evaluarse por separado para determinar si es posible la inversión de la polaridad. Esto, a su vez, hace que la ubicación del fusible del equipo sea constante o variable.

 

Para equipos monofásicos de una sola tensión conectados a enchufes y bases de enchufe, un único fusible proporciona protección para ambos fallos cuando la inversión de polaridad no es posible. Si es posible la inversión de polaridad, con un único fusible solo se puede proporcionar protección contra fallos de fase a tierra en el 50% de las dos posibilidades de conexión.

 

Para equipos monofásicos, de una sola tensión, conectados a enchufes y bases, el doble fusible SIEMPRE proporciona protección para ambos tipos de fallos, independientemente de si la inversión de polaridad es posible o no. Sin embargo, hay dos obstáculos para disponer dos fusibles. En primer lugar, cuando se opera en un sistema polarizado, algunas autoridades de seguridad insisten en que solo se use un fusible en el conductor de la fase, de modo que todo el equipo se quede sin energía para la protección del técnico de servicio cuando manipula el equipo internamente. Esto requiere solo un fusible. Sin embargo, esto puede ser adaptado usando dos fusibles de valores diferentes. Seleccionar el fusible para el conductor de fase (cuando está conectado a un sistema polarizado) para una protección de sobreintensidad adecuada y seleccionar el fusible para el conductor de neutro para que sea de una corriente mayor que el fusible en el conductor de fase. Por lo tanto, cuando se conecta a un sistema polarizado, el fusible más pequeño se funde correctamente para el fallo de fase a neutro y para los fallos de fase a tierra. Cuando se conecta a un sistema no polarizado y con polarización inversa, el fusible más pequeño proporciona protección para los fallos de fase a neutro, y el fusible de valor más alto proporciona protección para los fallos de fase a tierra.

 

Por último, algunas autoridades de seguridad insisten en que solo se use un fusible en el conductor de fase, como se requiere para el cableado del edificio. Cualquier fusible en el neutro es causa de incumplimiento de la norma correspondiente.

REFERENCIAS                                                   

·        Richard Lee Ozenbaugh, “EMI Filter Design”, Marcel Dekker Inc, 2001.
·        “Surge Protection Lighthing Protection Guide”, DEHN & SÖHNE GmbH, 2014
·        VC 280 2 DEHN international Data Sheet
·        Ronald B. Standler, “Protection of Electronic Circuits from Overvoltages”, Dover Publications, 1989
·        “Transient Overvoltage Protection”, TND335/D, On Semiconductor, 2008
·        Tomáš Zedníček, “Primary Fuse Protection Against Overvoltage Events”, European Passive Components Institute
·        Richard Nute, “Double Fusing or Fusing Both Sides of the Line”, In Compliance, February 2014

 

 

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Comentarios: 2
  • #1

    T-llo (miércoles, 05 septiembre 2018 08:47)

    Hola, la figura 5 no está el documento artículo. Un saludo

  • #2

    Cemdal (miércoles, 05 septiembre 2018 10:19)

    Gracias por detectarlo, ya lo hemos solucionado.

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