Tipos de dispositivos de protección contra sobretensiones: explicado Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3

En el mundo altamente electrificado y digitalizado de hoy, nuestra sociedad se basa en dispositivos electrónicos frágiles, desde televisores inteligentes y computadoras en hogares hasta unidades de control de precisión en entornos industriales.

Sin embargo, una amenaza invisible se esconde dentro de la red eléctrica: las sobretensiones eléctricas. Estos pueden infligir un daño masivo dentro de las millonésimas de segundo. Dispositivos de protección contra sobretensiones (SPDs) sirven como la defensa crítica contra esta amenaza. Pero no todos los SPD son creados iguales.

Comprender las distinciones entre SPD de tipo 1, tipo 2 y tipo 3 es esencial para construir un sistema de protección contra sobretensiones completo y efectivo. Este artículo revisa los roles, estándares y aplicaciones de estas tres categorías SPD, brindándole una guía completa para construir una defensa electrónica robusta.

¿Qué es un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)?

¿De dónde vienen las sobretensiones?

Un sobretensión, también conocido como sobretensión transitoria, se refiere a un pulso de corriente eléctrica con una duración astronómica (microsegundos a milisegundos) pero con una amplitud de tensión que supera con creces los niveles normales de funcionamiento. Se puede clasificar en términos generales en dos tipos: oleadas externas y oleadas internas.

Asaltos externos (amenaza primaria)

a) Casquillos directos de rayos: Las redes eléctricas o las estructuras cercanas que golpean los rayos inyectan millones de voltios, el escenario más extremo.

b) Rayo inducido: más común. Incluso cuando un rayo cae a cientos de metros de distancia, su potente campo electromagnético induce sobretensiones en líneas de energía y señales interiores, que luego se propagan al equipo.

Sobretensiones internas (sucesos frecuentes)

Las operaciones de conmutación de equipos de alta potencia dentro de edificios, como ascensores, compresores de aire acondicionado y máquinas de soldadura, generan transitorios de conmutación frecuentes en la red eléctrica. Incluso las operaciones como fotocopiadoras y cafeteras producen sobretensiones transitorias de menor energía.

El efecto acumulativo de estas sobretensiones actúa como un "martillo en miniatura" continuamente golpeando componentes electrónicos, causando gradualmente la degradación del rendimiento, la corrupción de datos y una vida útil reducida del equipo. Sin embargo, un solo evento de oleaje importante es similar a un "ataque al corazón electrónico", capaz de causar instantáneamente daños permanentes al equipo o incluso activar incendios.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) son dispositivos de seguridad electrónicos diseñados específicamente para contrarrestar estas amenazas. Sus funciones centrales se pueden resumir como “Monitor, Desviar y Abrazar”.

En condiciones de voltaje normal, los SPD presentan una alta impedancia, sin impacto en el circuito. Al detectar sobretensiones, pasa a un estado de baja impedancia en nanosegundos, estableciendo una ruta de descarga segura a tierra para corrientes de sobretensión y limita el voltaje a través de sus terminales (el voltaje de sujeción) a un rango seguro dentro de la tolerancia del equipo protegido.

Por lo tanto, los SPD no son un lujo sino un componente esencial en cualquier sistema eléctrico moderno que busca salvaguardar los activos, garantizar la continuidad del negocio y proteger los datos.

¿Cómo funciona un SPD?

En condiciones normales, un SPD no tiene efecto en el circuito y permanece en un estado de alta impedancia. Al detectar una sobretensión peligrosa, reacciona en nanosegundos, cambiando a un estado de baja impedancia. Esto crea una trayectoria de baja resistencia para la corriente de sobretensión, desviándola rápidamente a tierra y, al mismo tiempo, limita el voltaje a través de sus terminales (conocido como voltaje de sujeción) a un rango seguro. Esto protege el equipo conectado en paralelo de daños.

Puede visualizarlo como una válvula de alivio de presión inteligente para el flujo de agua de alto voltaje, como se muestra a continuación: Cuando la presión del agua es normal, la válvula permanece cerrada. Cuando la presión se dispara repentinamente (sobre sobretensión), la válvula se abre instantáneamente, liberando el exceso de flujo de agua (corriente de sobretensión) para garantizar la seguridad de los equipos aguas abajo (sus electrodomésticos).

¿Qué daños pueden causar las sobretensiones de energía a los accesorios de iluminación LED?

Muchas personas asumen que debido a que los accesorios de iluminación LED son duraderos y energéticamente eficientes, son inherentemente "duraderos y robustos". Sin embargo, la realidad es todo lo contrario: los accesorios de iluminación LED son extremadamente sensibles a las sobretensiones de energía, principalmente debido a su componente central: la fuente de alimentación del conductor.

1. Daños a las fuentes de alimentación de conmutación

Como se muestra a continuación, los propios chips LED funcionan bajo voltaje de CC bajo (por ejemplo, 3V) y corriente constante. La potencia de CA de 220 V que utilizamos diariamente debe convertirse a través de un componente llamado “fuente de alimentación del conductor”. Este controlador es esencialmente una fuente de alimentación de conmutación de precisión empaquetada con componentes semiconductores sensibles (como MOSFET, controladores IC, diodos rectificadores, etc.).

Estos componentes semiconductores son extremadamente frágiles, con tolerancia al voltaje muy por debajo de las bombillas tradicionales incandescentes o fluorescentes. Incluso un pico de voltaje menor puede hacer que se descompongan. Por lo tanto, una fuente de alimentación de conmutación protegida contra sobretensiones es crucial para extender la vida útil de los accesorios de iluminación.

2. Quemaduras LED

Las corrientes altas pueden cortar directamente las conexiones de cables de oro o dañar los chips LED, lo que provoca un ennegrecimiento parcial o completo y una falla de los chips.

3. Degradación progresiva de los componentes

Este tipo de daño es más sutil y generalizado. Las repeticiones menores que no destruyen inmediatamente el dispositivo causan daño acumulativo en sus materiales semiconductores internos. Con el tiempo, los accesorios pueden atenuar inexplicablemente, parpadear, experimentar una deriva de color o emitir ruidos anormales del conductor.

La vida útil esperada de los accesorios se desploma de 50.000 a 100.000 horas a solo uno o dos años, o incluso menos. Puede suponer que ha comprado un "producto deficitario", pero el verdadero culpable es probablemente las subidas internas frecuentes.

Beneficios de agregar SPD a los accesorios de iluminación

Los accesorios de iluminación LED, particularmente en aplicaciones comerciales, industriales o al aire libre (como farolas, focos y luces industriales/minería), tienen costos de adquisición e instalación significativamente más altos que los accesorios tradicionales. El daño a un solo dispositivo implica no solo el costo de reemplazar la unidad en sí, sino también los gastos de mano de obra sustanciales para el mantenimiento/reemplazo, especialmente en entornos de gran altitud o complejos.

El costo de instalar un SPD es significativamente menor que los gastos a largo plazo incurridos al reemplazar con frecuencia a los controladores LED o los accesorios completos debido a un daño por sobretensión. Representa una salvaguardia crucial para las inversiones en iluminación.

Por lo tanto, equipar los sistemas de iluminación LED, especialmente la iluminación exterior, comercial e industrial, con dispositivos de protección contra sobretensiones (SPDS) no es un lujo opcional sino una medida de protección necesaria. Permite:

• Evitar fallas repentinas y costosas del equipo.
• Evite la degradación del rendimiento gradual y oculta y una vida útil reducida.
• Reduzca los gastos de mantenimiento y mejore la fiabilidad del sistema de iluminación.
• Para accesorios domésticos individuales: utilice regletas de alta calidad con protección básica de sobretensión integrada.

• Para edificios o villas enteros: Instale SPD tipo 2 en el panel de distribución principal para proporcionar protección de tronco para todos los circuitos domésticos.

• Para accesorios de LED exterior (luces de calle, luces de paisaje) y grandes circuitos de iluminación de fábrica/mall, se deben instalar SPD tipo 2 específicamente para circuitos de iluminación dentro de los paneles de distribución de zona correspondientes. Para accesorios particularmente costosos o críticos, considere agregar SPD tipo 3 dentro del dispositivo o en el terminal para protección granular.

Al invertir en SPDS, se asegura de que su inversión en iluminación LED ofrezca su prometida longevidad y alto rendimiento, ofreciendo así una verdadera relación calidad-precio.

¿Cómo entender la calificación SPD?

Podrías preguntar: si existen SPD, ¿por qué categorizarlos en diferentes tipos? La respuesta es que ningún SPD puede manejar de forma independiente todo tipo de amenazas de sobretensión.

La energía generada por los rayos difiere enormemente en magnitud de la producida por las operaciones de conmutación interna. Por lo tanto, una estrategia de protección efectiva implica establecer un sistema de defensa sinérgico en capas. Este concepto se conoce como "coordinación energética" o "descarga en capas". Imagínelo como el sistema de defensa de un castillo:

• El Tipo 1 actúa como las resistentes paredes y puertas exteriores, diseñadas para soportar los ataques frontales más intensos.

• Tipo 2: Los guardias de patrulla dentro del castillo, abordando a los rezagados que rompen las paredes exteriores y las perturbaciones internas.

• Tipo 3: Los guardias personales en la puerta del dormitorio del rey, proporcionando la capa de protección final y más refinada.

Solo cuando estas tres líneas de defensa funcionen juntas el castillo (su sistema eléctrico) recibe la protección más completa.

Tipo 1 SPD: La primera línea de defensa contra las sobretensiones externas

Los SPD de tipo 1 son los dispositivos de mayor calificación, diseñados para desviar porciones de corrientes de rayos causadas por golpes directos. Según las normas internacionales (por ejemplo, IEC 61643-1), deben soportar pruebas con una forma de onda de corriente de iluminación simulada de 10/350 µs. Esta forma de onda representa la inmensa energía de un rayo directo, con una duración extremadamente larga que somete el equipo a un estrés severo. Ubicación de instalación: instalado dentro del tablero de distribución principal del edificio (MDB), normalmente en el punto de entrada de energía.

Características: descarga corrientes de rayos masivas (a menudo decenas de kiloamperios). Su propósito principal no es limitar el voltaje a niveles muy bajos, sino "absorber" con seguridad el golpe inicial más letal.

Componentes típicos: Por lo general, emplea huecos de chispa o tubos de descarga de gas, ya que estos componentes pueden soportar impactos de energía extremadamente altos.

Escenarios aplicables: Se utiliza principalmente en edificios equipados con sistemas de protección contra rayos externos (por ejemplo, pararrayos) o los suministrados por líneas eléctricas aéreas. Forma la base de todo el sistema de protección contra sobretensiones.

Tipo 2 SPD: Protección primaria, protección de sistemas de distribución

Los SPD de tipo 2 son los SPD más utilizados, que sirven como el nivel de protección principal en los sistemas de protección contra sobretensiones. Se prueban utilizando una forma de onda de corriente de 8/20 s, que simula las sobretensiones residuales transmitidas después de estar limitada por SPD de tipo 1, así como sobretensiones generadas por operaciones de conmutación interna.

Ubicación de instalación: Instalado dentro de placas de subdistribución para proporcionar protección para pisos, zonas o grupos de carga específicos.

Características: limita aún más las sobretensiones y descargas de corrientes de sobretensión no manejadas completamente por SPD de tipo 1, junto con sobretensiones generadas internamente. Restringe el voltaje a niveles seguros para la mayoría de los electrodomésticos comerciales y comerciales (por ejemplo, debajo de las clasificaciones de voltaje de resistencia al equipo).

Dispositivo típico: Más comúnmente un varistor de óxido metálico (MOV) debido a su excelente velocidad de respuesta y características de voltaje de sujeción.

Escenario de aplicación: Un dispositivo de protección casi indispensable en todas las instalaciones eléctricas. En edificios pequeños sin sistemas de protección contra rayos externos, incluso puede servir como protección de primer nivel.

Tipo 3 SPD: protección de precisión para dispositivos finales

El SPD Tipo 3 ofrece el nivel de protección más refinado, diseñado específicamente para proteger dispositivos finales de alta sensibilidad o costosos. Se prueba utilizando ondas compuestas (onda de voltaje de 1,2/50 µs y onda de corriente de 8/20 µs), con valores de corriente de prueba significativamente más bajos que el tipo 2.

El SPD de tipo 3 suprime aún más las sobretensiones residuales mínimas que pasan por alto los dos primeros niveles de protección. Aunque son bajas en energía, estos picos de voltaje pueden degradar la vida útil del equipo o causar daños en los datos a través de una acumulación prolongada. Nunca debe usarse solo y debe instalarse aguas abajo de un SPD de Tipo 2.

Ubicaciones de instalación:

– En el extremo del equipo, incluidas las tomas de corriente con funcionalidad SPD (por ejemplo, algunas regletas de alimentación avanzadas).

– SPDs de plug-in dedicados.

– Módulos SPD integrados en el interior de equipos.

Unidades de combinación: Los SPD combinados de tipo 2+3 también están disponibles en el mercado. Estos integran ambos niveles de protección en un solo módulo, proporcionando una solución conveniente y eficiente para escenarios en los que la instalación de múltiples SPD independientes no es práctico.

¿Cómo seleccionar e implementar su sistema SPD?

Seleccionar el SPD apropiado y construir un sistema coordinado es crucial en entornos propensos a frecuentes rayos o fluctuaciones de energía significativas. La selección e instalación adecuadas de SPD no solo evitan las costosas reparaciones, sino que también garantizan la continuidad en la producción y la vida diaria, lo que la convierte en una decisión técnica que requiere una consideración integral.

Primero, evalúe el entorno de su edificio: frecuencia de golpe de rayos, estado de aislamiento, fuente de alimentación aérea o subterránea, presencia de pararrayos en la estructura y el valor y la sensibilidad del equipo interno. Esto determinará si necesita protección tipo 1 o si una combinación de tipo 2+3 es suficiente.

• Siga el principio jerárquico:

– Edificios con sistemas de protección contra rayos externos o zonas de alto riesgo: Implementar una arquitectura completa de tipo 1 → Tipo 2 → Tipo 3.

– Edificios comerciales o residenciales estándar: Instale al menos un SPD de tipo 2 en la entrada principal de servicio y complemente con SPDS Tipo 3 en puntos críticos de equipo.

– Edificios pequeños o unidades de apartamentos: Instale un SPD Tipo 2 de alto rendimiento dentro del panel de servicio y utilice regletas de energía protegidas contra sobretensiones tipo 3 para equipos valiosos.

• Nivel de protección de voltaje (arriba): Esto representa el voltaje de sujeción del SPD. Los valores más bajos indican una mejor protección. Asegúrese de que UP esté por debajo de la clasificación de voltaje de resistencia del equipo protegido.

• Corriente de descarga nominal (in) y corriente de descarga máxima (Imax): Estos indican la capacidad del SPD para disipar las corrientes de sobretensión. Los valores más altos significan una mayor resiliencia.

• Para SPD de tipo 1, concéntrese en la corriente de impulso (IIMP).

• Garantice una instalación adecuada: El rendimiento del SPD depende en gran medida de la instalación. La minimización de la longitud del cable de puesta a tierra es fundamental, ya que los cables excesivamente largos generan voltaje inducido que degrada significativamente la protección. Utilice herramientas o barras colectoras dedicadas para conectar el SPD directamente y con una longitud mínima al sistema de puesta a tierra.

• Mantenimiento y vida útil: Los SPD son dispositivos consumibles. En particular, los SPD basados en MOV se degradan gradualmente después de eventos de sobretensión repetidos. Seleccione SPD con contactos de señal remota o ventanas de alarma visual para monitorear su estado y facilitar el reemplazo oportuno.

La selección del tipo de SPD y la construcción de un sistema de protección coordinado son clave para garantizar la seguridad de los equipos eléctricos y prolongar su vida útil. Comprender sus distinciones e interconexiones lo ayudará a establecer una "línea de defensa electrónica" verdaderamente sólida para su hogar o negocio. El apéndice proporciona parámetros de referencia para seleccionar diferentes tipos de SPD:

Valores recomendados para la corriente de sobretensión y corriente de descarga nominal Parámetros de los protectores de sobretensión de la línea de alimentación

Conclusión

En resumen, los SPD de Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3 cumplen cada uno roles distintos, formando un sistema de defensa en capas desde macro hasta microniveles. Invertir en un sistema de protección contra sobretensiones bien diseñado no se trata solo de salvaguardar el hardware, sino también de una inversión estratégica en seguridad de datos, continuidad comercial y protección de vidas y propiedades. Al comprender sus respectivas funciones y desplegarlas sinérgicamente, puede establecer una barrera sólida para sus activos electrónicos contra amenazas eléctricas impredecibles.