Dispositivos de protección contra sobretensiones: una guía técnica completa

Durante el funcionamiento, los altos voltajes instantáneos (surge) en las fuentes de alimentación de conmutación de LED actúan como "asesinos actuales", que surgen repentinamente de golpes de rayos, conmutación de red, arranques/paradas de motor y operaciones similares.

Aunque estos sobretensiones duran solo una fracción de segundo (típicamente milisegundos a microsegundos), sus voltajes máximos pueden alcanzar decenas o incluso cientos de veces el voltaje normal, suficiente para descomponer o quemar componentes semiconductores, causando daños irreversibles.

La protección contra sobretensiones sirve como la "línea de vida" para los accesorios de iluminación LED contra la inestabilidad de la red y los rayos. Por lo tanto, es crucial seleccionar una fuente de alimentación adecuada del conductor. Cuando sea necesario, se deben agregar protectores contra sobretensiones a los accesorios.

Este artículo proporciona un análisis exhaustivo de los protectores contra sobretensiones, que cubre los principios técnicos, las aplicaciones de ingeniería y las técnicas de instalación.

¿Qué es un dispositivo de protección contra sobretensiones para luces LED?

¿Qué es un protector contra sobretensiones? En pocas palabras, un protector contra sobretensiones “descarga” voltajes repentinos excesivos (sobres) en un circuito, evitando daños al sistema de iluminación. Actúa como una "válvula de seguridad" en el circuito: cuando el voltaje excede los límites, se conduce rápidamente a desviar la corriente y luego se restablece a su estado abierto una vez que el voltaje vuelve a la normalidad, asegurando que los accesorios de LED siempre funcionen dentro de rangos de voltaje seguros.

Los protectores contra sobretensiones abordan principalmente dos escenarios típicos de "sobrevoltaje": sobretensiones de rayos, que requieren SPD tipo I y tipo II, y sobretensiones de conmutación generadas por arranques y apagados de equipos industriales, lo que requiere protección SPD limitante de voltaje. Ambos interceptan fundamentalmente voltajes que superan el rango de tolerancia de un dispositivo, proporcionando una protección integral para los equipos eléctricos.

En resumen, los protectores contra sobretensiones tienen un doble propósito: evitar que los altos voltajes repentinos dañen el equipo y mitiguen frecuentes sobretensiones que aceleran el envejecimiento, proporcionando así una protección integral para los sistemas de iluminación LED.

Para obtener más información sobre los dispositivos de protección contra sobretensiones en aplicaciones de iluminación LED, lea el blog:Dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) para iluminación LED: guía completa para aplicaciones en interiores y exteriores."

¿Qué tipos de dispositivos de protección contra sobretensiones existen?

Clasificado por principio de funcionamiento:

a) SPD de conmutación de voltaje

Alta impedancia durante el funcionamiento normal; cambia abruptamente a baja impedancia durante las sobretensiones de voltaje, permitiendo un alto flujo de corriente. También conocido como "Spd de tipo de interruptor de circuito corto". Típicamente emplea huecos de descarga, tubos de descarga de gas, tiristores o rectificadores controlados por silicio como componentes. Estos protectores contra sobretensiones también se conocen como "tipo croba" debido a sus características discontinuas de voltaje-corriente.

b) SPD limitante de voltaje

Exhibe una alta impedancia en ausencia de sobretensiones. La impedancia disminuye continuamente a medida que aumenta la corriente de sobretensión y el voltaje. Los componentes suelen incluir varistores y diodos de supresión. También conocido como protectores contra sobretensiones de tipo "clamping-type". caracterizado por características de tensión-corriente continua.

c) SPD combinado

Un protector contra sobretensiones que combina componentes de conmutación de voltaje y limitadores de voltaje. Sus características pueden manifestarse como conmutación de voltaje, limitación de voltaje o ambas, dependiendo del perfil de voltaje aplicado.

Los protectores de sobretensión compuestos pueden suprimir los voltajes de sobretensión que superan los 6kV hasta el doble del voltaje máximo de funcionamiento del sistema en una sola operación. Las unidades trifásicas pueden suprimir hasta 800 V, mientras que las unidades monofásicas pueden suprimir por debajo de 600 V. En contraste, los descargadores de sobretensiones modulares requieren tres niveles de protección (clase B, C y D) para lograr la supresión alrededor de 1000 V.

Clasificación por aplicación:

Según la aplicación, los SPD se pueden clasificar en dos tipos: SPD de línea de alimentación y SPD de línea de señal.

La composición del dispositivo de protección contra sobretensiones

La estructura protectora contra sobretensiones consiste principalmente en los siguientes componentes:

• Varistor de óxido metálico (MOV): El componente central del protector contra sobretensiones, hecho de materiales como el óxido de zinc. Cuando se produce una sobretensión en el circuito, el MOV hace una transición rápida a un estado conductivo, absorbiendo la energía de sobretensión y desviando a tierra.

• Protección Circuit Bbicarbonato de sosa: Situado dentro del protector contra sobretensiones, controla y monitorea los cambios de corriente y voltaje. Típicamente compuesto de circuitos integrados, permite la conmutación automática y las funciones de reinicio para el protector contra sobretensiones.

• final Bcabellos: Conecte el protector contra sobretensiones al circuito, con dos terminales, uno para la alimentación de entrada y otro para la potencia de salida.

• Vivienda: Protege los componentes internos del protector contra sobretensiones, normalmente de material aislante para evitar descargas eléctricas y otros peligros.

Diferencias entre SPD y fusibles ordinarios y circuitos de filtro

Diferencias entre SPD y fusibles

‌SPD‌ : diseñado específicamente para disipar las corrientes de sobretensión transitorias (por ejemplo, rayos, conmutación de red). Canaliza sobretensiones de alto voltaje a tierra a través de componentes como varistores de óxido metálico (MOV) o tubos de descarga de gas (GDT), protegiendo el equipo de daños instantáneos de alto voltaje.

‌fundidos‌ : Solo abordar las sobrecargas sostenidas o las corrientes de cortocircuito interrumpiendo el circuito a través de la fusión. No pueden manejar las sobretensiones de nivel de nanosegundos.

El tiempo de respuesta SPD varía de nanosegundos a microsegundos (p. ej., nanosegundos para MOV, microsegundos para GDT), mientras que los fusibles requieren milisegundos para estallar, fallando en proteger el equipo sensible a tiempo. Los SPD degradados pueden filtrar corriente o cortocircuito, lo que requiere su uso con fusibles (no disyuntores) para evitar los peligros de la corriente, los fusibles quemados requieren reemplazo, pero no plantean problemas de corriente posteriores.

Diferencias entre SPD y circuitos de filtro

‌SPD‌ : Protege contra altos voltajes transitorios (nivel de kV), como rayos o sobretensiones de potencia.

‌Circuitos de filtro‌: Eliminar el ruido de alta frecuencia persistente (kHz-MHz), como la interferencia electromagnética en las fuentes de alimentación.

Los SPD funcionan mediante la descarga o el voltaje de sujeción (por ejemplo, los MOV se conducen por encima de 600 V); los circuitos de filtro utilizan inductores y condensadores para formar redes de paso bajo, atenuando el ruido progresivamente. Los SPD protegen contra los rayos y las sobretensiones de redes de servicios públicos; los circuitos de filtro sirven a aplicaciones que exigen una alta pureza de potencia, como equipos médicos y sistemas de comunicación.

Tabla de comparación de resumen

‌Función	SPD	fundir	‌Filtro circundar
‌Función central‌	Sobretensiones transitorias de descarga	Protección contra sobrecarga/cortocircuito	Filtrar ruido de alta frecuencia
‌Tiempo de respuesta‌	Rango de nanosegundos-microsegundos	Rango de milisegundos	operación continua
‌Componentes típicos‌	MOV, GDT, TVS2	estuche de metal	Inductores, condensadores
‌Riesgos de falla‌	Potencial fuga o cortocircuito	Requiere reemplazo	Degradación del rendimiento

Como lo demuestra la comparación anterior, los SPD, los fusibles y los circuitos de filtro cumplen funciones distintas dentro de los sistemas de potencia. Su uso coordinado es esencial para lograr una protección integral.

Principio de funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobretensiones

En condiciones normales, el protector contra sobretensiones presenta un estado de circuito abierto a tierra en el circuito, lo que significa un estado de alta resistencia. Esta característica de alta resistencia minimiza su impacto en el circuito. Funciona como un interruptor, permanece abierto cuando no es necesario para garantizar el funcionamiento normal del circuito sin interferencias. como se muestra en la figura 1 a continuación.

Cuando ocurre un alto voltaje transitorio en el circuito principal, como durante un rayo, el protector contra sobretensiones responde instantáneamente. Bajo esta condición de sobretensión transitoria, el protector contra sobretensiones se comporta como un estado de baja resistencia. Sus componentes internos (p. ej., varistores, tubos de descarga de gas) hacen una transición rápida de estados de alta resistencia a estados de baja resistencia, formando una trayectoria conductora. Desvía instantáneamente la corriente de sobretensión y limita el voltaje de sobretensión a un nivel seguro, protegiendo así el circuito y el equipo de daños. Como se muestra en la Figura 2.

Como se muestra en la Figura 2, el protector contra sobretensiones juega un papel protector crítico durante los eventos de sobretensión transitoria. Actúa como una barrera, protegiendo la fuente de alimentación y las luminarias del impacto de la sobretensión.

¿Por qué es importante la protección contra sobretensiones para los sistemas de iluminación LED?

La protección contra sobretensiones es fundamental para los sistemas de iluminación LED por las siguientes razones principales:

1. Sensibilidad LED a las sobretensiones

Como dispositivos semiconductores, los LED tienen voltajes de avance de solo unos pocos voltios y exhiben una resistencia a sobretensiones extremadamente baja, particularmente una tolerancia de voltaje inversa débil. Las sobretensiones transitorias (que alcanzan miles de voltios) por rayos o conmutación de la red pueden dañar directamente los chips o los conductores LED, causando una falla inmediata o un daño latente.

2. Diversas fuentes de sobretensión

• ‌Inducción de rayos‌ : La descarga de corriente del rayo provoca sobretensiones repentinas de potencial a tierra, entrando en luminarias a través de líneas de alimentación/señal.

• ‌Operaciones de cuadrícula‌: Aparatos, fallos de cortocircuito, etc., generan sobretensiones transitorias.

• ‌electrostático Iinterferencia: La electricidad estática (>10kV) acumulada en las carcasas metálicas puede descomponer los circuitos del conductor.

3. Consecuencias de los daños por sobretensión

Los eventos de sobretensión no solo aceleran el envejecimiento de la fuente de luz LED (eficacia luminosa reducida), sino que también pueden desencadenar fallas en cascada: un solo cortocircuito LED transfiere su caída de voltaje a LED adyacentes, acelerando el quemado de las cadenas de lámparas enteras. Los altos costos de mantenimiento de los sistemas de iluminación exterior significan que la protección inadecuada aumenta significativamente los gastos de mantenimiento.

En una ciudad, 30% de los principales conductores de alumbrado de carreteras fallaron después de una temporada de tormentas debido a la falta de protección contra sobretensiones, incurriendo en más de 500.000 yuanes en reparaciones. La inspección reveló que los impactos de sobretensión múltiples habían envejecido y degradado los varistores de óxido metálico (MOV), permitiendo que los rayos posteriores dañaran directamente los módulos LED.

La protección contra sobretensiones es una medida crítica para garantizar la longevidad y la fiabilidad de los accesorios de iluminación LED, particularmente indispensables en entornos de alto riesgo, como los entornos industriales y al aire libre. Los accesorios LED equipados con protección contra sobretensiones muestran una mayor fiabilidad. La instalación de SPD que cumple con los estándares de prueba como IEC 61000-4-5 reduce sustancialmente los costos de mantenimiento, lo que lo hace vital para los sistemas de iluminación LED.

Métodos de conexión para protectores de sobretensión en luminarias LED

El enfoque más común para conectar protectores contra sobretensiones a accesorios LED consiste en instalarlos en serie o paralelo en los terminales de entrada o salida. Basándose en diferentes ubicaciones y métodos de instalación, estos se pueden clasificar de la siguiente manera:

1. Protectores contra sobretensiones integrados en chofers

Los protectores contra sobretensiones incorporados mitigan el impacto de las sobretensiones transitorias causadas por rayos, operaciones de conmutación o descargas electrostáticas en el sistema. Mantienen la estabilidad de la fuente de alimentación y garantizan el funcionamiento continuo del sistema de iluminación. Al responder y suprimir rápidamente las sobretensiones transitorias, los protectores contra sobretensiones reducen el daño a los módulos de controladores LED y a los módulos de emisión de luz causados por voltajes anormales, lo que prolonga la vida útil total del equipo.

2. Protector de sobretensión instalado en chofer fin delantero

Este enfoque es principalmente adecuado para áreas con frecuentes rayos y alta humedad ambiental. La instalación de un protector contra sobretensiones en el extremo frontal de las farolas, por ejemplo, proporciona una mayor protección contra daños eléctricos por rayos e interferencias electromagnéticas, que sirve como protección dual. También facilita el mantenimiento más adelante. Sin embargo, es esencial asegurarse de que el SPD recién agregado sea compatible y esté emparejado con el método de puesta a tierra del sistema existente.

3. Conexión en serie en la entrada

Conecte el protector contra sobretensiones en serie con la entrada de la fuente de alimentación del driver LED. Cuando se produce una sobretensión en la entrada, el protector contra sobretensiones interrumpe el flujo de corriente, protegiendo así la lámpara LED.

4. Conexión paralela en la entrada

Conecte el protector contra sobretensiones en paralelo con la entrada del controlador LED. Cuando se produce una sobretensión en la entrada, el protector contra sobretensiones conduce la corriente, desviando el exceso de corriente.

Los diferentes tipos de protectores contra sobretensiones tienen ventajas y desventajas distintas, lo que requiere una selección en función de condiciones específicas.

En general, los protectores de sobretensión en serie ofrecen tiempos de respuesta rápidos, una fuerte protección y un impacto mínimo en el funcionamiento normal, pero presentan inconvenientes como la instalación compleja, los requisitos de espacio y la susceptibilidad al daño.

Los protectores contra sobretensiones en paralelo cuentan con una instalación simple, una huella compacta y facilidad de reemplazo, pero sufren tiempos de respuesta más lentos, protección más débil y potencial interferencia con el funcionamiento normal.

¿Qué tipo de SPD se utiliza en la iluminación LED?

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) se clasifican principalmente en función de su capacidad de protección, ubicación de instalación y características de tolerancia de forma de onda. Las normas internacionales suelen clasificarlos en tres tipos, como sigue:

Tipo 1 SPD

Diseñado para rayos directos o sobretensiones de alta energía, instalados en el panel de distribución principal o punto de entrada de energía de un edificio. Cuenta con un nivel de protección de voltaje más alto (ARRIBA) que va de 1,5 kV a 4 kV, con una corriente de descarga nominal (IN) típicamente entre 12,5 kA y 200 kA.

Aplicaciones típicas: ubicaciones de alto riesgo propensas a detectar rayos directos, como plantas industriales y estaciones base de comunicación.

Tipo 2 SPD

Adecuado para rayos indirectos o perturbaciones de la red eléctrica, instaladas en paneles de distribución o armarios de distribución a nivel del piso. En general, es de 5 kA a 20 kA, y UP es típicamente de 1,5 kV a 2,5 kV.

Aplicaciones típicas: aplicaciones de iluminación LED para exteriores y fabricantes de señalización LED y fabricantes de semáforos, incluida la iluminación de carreteras, la iluminación del estacionamiento, la iluminación de la pared, el alumbrado de tráfico, la iluminación de inundación, la señalización digital, la iluminación de flash de calle e iluminación de túneles.

Tipo 3 SPF

Adecuado para protección de dispositivos finales, instalado en la parte delantera de equipos o salidas. Típicamente en ≤10 kA Proporciona una protección fina (hasta ≤1 kV) con tiempos de respuesta más rápidos (nivel de nanosegundo).

Aplicaciones típicas: A menudo integrados en controladores LED para protección de voltaje local.

Los paneles de distribución principales generales utilizan dispositivos de tipo 1 o tipo 2; las cajas de distribución pueden utilizar dispositivos de tipo 2 y tipo 3, con los tipos 2 y 3 también adecuados para aplicaciones de back-end.

Para las líneas de suministro de CA que ingresan a los edificios, instale los protectores contra sobretensiones tipo 1 o tipo 2 como protección primaria en el límite entre las zonas LPZ0A/LPZOB y LPZ1 (por ejemplo, en el panel de distribución principal).

En los límites de las zonas de protección posteriores, como paneles de distribución en líneas de distribución de energía o salas de equipos electrónicos, se pueden instalar protectores contra sobretensiones tipo 2 como protección secundaria. Para dispositivos como accesorios de iluminación LED, se pueden instalar protectores contra sobretensiones tipo 2 o tipo 3 antes del puerto de la fuente de alimentación.

¿Cómo elegir un protector contra sobretensiones correctamente?

En aplicaciones eléctricas, la selección de un protector contra sobretensiones es un problema muy complejo que involucra factores como la configuración de puesta a tierra del sistema, el nivel de exposición, las zonas de protección contra rayos, la longitud del cable, la protección entre niveles, la magnitud de la corriente de cortocircuito en los puntos de protección y el número de circuitos de derivación.

Numerosos fabricantes producen protectores contra sobretensiones en el mercado. Por lo tanto, al seleccionar dispositivos de protección contra sobretensiones, se debe prestar especial atención a los siguientes puntos:

1. Determinar el valor de la UC

La selección del voltaje de funcionamiento continuo (UC) del protector contra sobretensiones requiere una consideración completa del voltaje del sistema, el voltaje de resistencia del equipo y las especificaciones estándar. El valor mínimo de UC debe ser 1,15 veces el voltaje nominal.

Por ejemplo, en un sistema de voltaje de fase de 220 V, UC = 1,15 × 220 V = 253 V. Dado que los voltajes de pico de red CA pueden alcanzar 1,1 veces el valor RMS (253 V × 1,414 = 357 V; aprox. Pico de 350 V para un sistema de 220 V), UC debe superar este valor. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, para evitar la activación frecuente, se recomienda seleccionar un valor más alto como 385V. Simultáneamente, el voltaje de activación del varistor (U1mA) debe coincidir con el rango de fluctuación de la red.

2. Selección de niveles de protección

Los SPD de clase I (por ejemplo, IIMP ≥ 100 kA) se utilizan para la distribución principal, mientras que los SPD de Clase II (en ≥ 40KA) se utilizan para paneles de distribución, formando protección multinivel. Las dimensiones y tipos de instalación de SPD deben cumplir con los requisitos in situ. A continuación se muestran las pautas de selección:

Nivel de protección	Ubicación de instalación	Escenario de aplicación	Parámetros clave
Tipo 1	Panel principal de distribución	Protección directa contra rayos	≥100KA(10/350μs)
Tipo 2	caja de distribución	Sobretensión de rayos/operaciones inducida	40KA(8/20μs)
Tipo 3	Extremo delantero del conductor LED	Protección de terminales de equipos de precisión	Hasta ≤1,5 kV

3. Método de instalación

Seleccione un SPD que esté correctamente posicionado y fácil de instalar según la ubicación de la luminaria. Dado que los SPD suelen estar ocultos en áreas de difícil acceso, como frente a luminarias, pueden desconectar además la luminaria del circuito en caso de falla, facilitando el reemplazo y mantenimiento en el futuro.

4. Adaptación ambiental

Para iluminación exterior, seleccione SPD con una clasificación IP de IP54 o superior. En condiciones de humedad o polvo, utilice SPD con una clasificación IP más alta de IP67.

5. Especificaciones de puesta a tierra

El SPD debe estar conectado a tierra a través de una terminal de PE dedicada, evitando caminos de tierra compartidos con conductores salientes. Prueba de resistencia de continuidad del suelo ≤0.1Ω.

6. Protección multinivel

Más allá de proteger las fuentes de alimentación de 230 V, considere proteger las unidades de control como DALI, segunda fase (control), 1-10 V o DMX. Los SPD combinados de CA y de control son ideales para estos accesorios, y ofrecen una mejor protección coordinada que dos SPD separados.

7 Certificación y seguridad

Seleccione SPD con certificaciones confiables como TUV o UL, probado para cumplir con los requisitos IEC 61643-11 y VDE 0100-534.

Conclusión

Los dispositivos de protección contra sobretensiones sirven como barrera central para los sistemas de iluminación exterior contra rayos y sobretensiones de red. A través de la acción sinérgica de los varistores y los tubos de descarga de gas, desvían las sobretensiones de alto voltaje a tierra en microsegundos mientras sujetan voltajes a los umbrales de equipos seguros.

Sin una protección adecuada, los accesorios LED y sus conductores enfrentan riesgos de daños irreversibles, eficiencia reducida y potencial falla completa. Los dispositivos de protección contra sobretensiones mejoran significativamente la fiabilidad de las farolas LED en entornos de red de red, convirtiéndolos en componentes de protección indispensables para sistemas de iluminación de ciudad inteligente.