Tipi di dispositivi di protezione contro le sovratensioni: spiegati di tipo 1, tipo 2 e tipo 3

Nel mondo di oggi altamente elettrizzato e digitalizzato, la nostra società si basa su dispositivi elettronici fragili, dalle smart TV e computer nelle case alle centrali di precisione in ambienti industriali.

Eppure una minaccia invisibile si nasconde all'interno della rete elettrica: i picchi elettrici. Questi possono infliggere danni ingenti entro un milione e mezzo di secondo. Dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPDS) fungono da difesa critica contro questa minaccia. Ma non tutti gli SPD sono creati uguali.

Comprendere le distinzioni tra SPD di tipo 1, di tipo 2 e tipo 3 è essenziale per costruire un sistema di protezione contro le sovratensioni completo ed efficace. Questo articolo esamina i ruoli, gli standard e le applicazioni di queste tre categorie SPD, fornendo una guida completa per costruire una solida difesa elettronica.

Che cos'è un dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD)?

Da dove vengono le sovratensioni?

Un picco, noto anche come sovratensione transitoria, si riferisce a un impulso di corrente elettrica con durata astronomica (microseco a millisecondi) ma un'ampiezza di tensione di gran lunga superiore ai livelli operativi normali. Può essere ampiamente classificato in due tipi: sovratensioni esterne e sovratensioni interne.

Surge esterni (minaccia primaria)

a) Fulmini diretti: Le reti elettriche che colpiscono i fulmini o le strutture vicine iniettano milioni di volt, lo scenario più estremo.

b) Fulmine indotto: Più comune. Anche quando i fulmini colpiscono a centinaia di metri di distanza, il suo potente campo elettromagnetico induce sovratensioni su linee di alimentazione e segnaletiche interne, che poi si propagano in apparecchiature.

Surges interni (frequenze)

Le operazioni di commutazione di apparecchiature ad alta potenza all'interno degli edifici, come ascensori, compressori di condizionamento dell'aria e saldatrici, generano frequenti transitori di commutazione nella rete elettrica. Anche le operazioni come fotocopiatrici e macchine da caffè producono frequenti sovratensioni transitorie a bassa energia.

L'effetto cumulativo di questi picchi si comporta come un "martello in miniatura" componenti elettronici che colpiscono continuamente, causando gradualmente il degrado delle prestazioni, la corruzione dei dati e la durata della vita delle apparecchiature ridotta. Un singolo evento di sovratensione, tuttavia, è simile a un "attacco cardiaco elettronico", in grado di causare istantaneamente danni permanenti all'apparecchiatura o persino innescare incendi.

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) sono dispositivi di sicurezza elettronici specificamente progettati per contrastare queste minacce. Le loro funzioni principali possono essere riassunte come "monitor, deviazione e morsetto".

In condizioni di tensione normali, gli SPD presentano un'elevata impedenza, senza alcun impatto sul circuito. Dopo aver rilevato una sovratensione, passa a uno stato di bassa impedenza entro nanosecondi, stabilendo un percorso di scarica sicuro a terra per le sovracorrenti limitando la tensione attraverso i suoi terminali (la tensione di bloccaggio) a un intervallo sicuro entro la tolleranza dell'apparecchiatura protetta.

Pertanto, gli SPD non sono un lusso ma un componente essenziale in qualsiasi moderno sistema elettrico che cerca di salvaguardare le risorse, garantire la continuità aziendale e proteggere i dati.

Come funziona un SPD?

In condizioni normali, un SPD non ha alcun effetto sul circuito e rimane in uno stato di alta impedenza. Dopo aver rilevato un aumento pericoloso, reagisce entro i nanosecondi, passando a uno stato di bassa impedenza. Questo crea un percorso a bassa resistenza per la corrente di sovratensione, "distogliendola" rapidamente a terra limitando contemporaneamente la tensione attraverso i suoi terminali (noti come tensione di bloccaggio) a un intervallo di sicurezza. Questo protegge l'apparecchiatura collegata in parallelo da danni.

È possibile visualizzarlo come una valvola di limitazione della pressione intelligente per il flusso d'acqua ad alta tensione, come mostrato di seguito: Quando la pressione dell'acqua è normale, la valvola rimane ben chiusa. Quando la pressione aumenta improvvisamente (sovracasa), la valvola si apre istantaneamente, rilasciando il flusso d'acqua in eccesso (corrente di sovratensione) per garantire la sicurezza delle apparecchiature a valle (i vostri elettrodomestici).

Quali danni possono causare gli sovratensioni agli apparecchi di illuminazione a LED?

Molte persone ritengono che, poiché i dispositivi di illuminazione a LED sono di lunga durata ed efficienti dal punto di vista energetico, sono intrinsecamente "durevoli e robusti". Tuttavia, la realtà è esattamente l'opposto: i dispositivi di illuminazione a LED sono estremamente sensibili alle sovratensioni, principalmente a causa del loro componente principale: l'alimentatore del driver.

1. Danni alla commutazione di alimentazione

Come mostrato di seguito, i chip a LED stessi funzionano a bassa tensione CC (ad es. 3V) e corrente costante. L'alimentazione a 220 V CA che utilizziamo quotidianamente deve essere convertita attraverso un componente chiamato "alimentatore del driver". Questo driver è essenzialmente un alimentatore a commutazione di precisione ricco di componenti sensibili a semiconduttore (come MOSFET, controller IC, diodi raddrizzatori, ecc.).

Questi componenti a semiconduttore sono estremamente fragili, con tolleranza di tensione molto al di sotto di quella delle tradizionali lampadine a incandescenza o fluorescenti. Anche un piccolo picco di tensione può farli rompere. Pertanto, un'alimentazione di commutazione protetta da sovratensioni è fondamentale per prolungare la durata dei dispositivi di illuminazione.

2. Bruciare i chip LED

Correnti elevate possono separare direttamente le connessioni del filo d'oro o danneggiare i chip LED, causando annerimento parziale o completo e guasto dei chip.

3. Degrado progressivo dei componenti

Questo tipo di danno è più sottile e diffuso. Ripetute picchi di lieve entità che non distruggono immediatamente l'apparecchio causano danni cumulativi ai suoi materiali semiconduttori interni. Nel tempo, gli infissi possono inspiegabilmente attenuare, sfarfallare, sperimentare la deriva del colore o emettere rumori anomali dal driver.

La durata prevista degli infissi precipita da 50.000 a 100.000 ore a solo uno o due anni, o anche meno. Potresti presumere di aver acquistato un "prodotto scadente", ma il vero colpevole è probabilmente un aumento delle frequenti sovratensioni interne.

Vantaggi dell'aggiunta di SPD agli apparecchi di illuminazione

Gli apparecchi di illuminazione a LED, in particolare in applicazioni commerciali, industriali o esterne (come lampioni, proiettori e luci industriali/minatori), comportano costi di approvvigionamento e installazione significativamente più elevati rispetto ai tradizionali apparecchi. Il danno a un singolo apparecchio comporta non solo il costo della sostituzione dell'unità stessa, ma anche le spese di manodopera sostanziali per la manutenzione/sostituzione, soprattutto in ambienti ad alta quota o complessi.

Il costo dell'installazione di un SPD è significativamente inferiore alle spese a lungo termine sostenute sostituendo frequentemente i driver LED o interi dispositivi a causa di danni da sovratensione. Rappresenta una salvaguardia cruciale per gli investimenti di illuminazione.

Pertanto, l'equipaggiamento di sistemi di illuminazione a LED, in particolare l'illuminazione esterna, commerciale e industriale, con dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) non è un lusso opzionale ma una misura di protezione necessaria. abilita:

• Prevenire guasti improvvisi e costosi delle apparecchiature.
• Evita il degrado delle prestazioni nascoste e graduali e la durata della vita ridotta.
• Ridurre le spese di manutenzione e migliorare l'affidabilità del sistema di illuminazione.
• Per i singoli apparecchi domestici: utilizzare prese multiple di alta qualità con protezione da sovratensione di base incorporata.

• Per interi edifici o ville: installare SPD di tipo 2 nel pannello di distribuzione principale per fornire protezione del tronco per tutti i circuiti domestici.

• Per apparecchi a LED per esterni (acceleria, lampade paesaggistiche) e grandi circuiti di illuminazione di fabbrica/centro, devono essere installati appositamente per i circuiti di illuminazione all'interno dei corrispondenti pannelli di distribuzione di zona. Per apparecchi particolarmente costosi o critici, si consiglia di aggiungere SPD di tipo 3 all'interno del dispositivo o al terminale per una protezione granulare.

Investendo in SPD, garantite che il vostro investimento di illuminazione a LED offra la sua longevità e le prestazioni elevate, offrendo così un vero rapporto qualità-prezzo.

Come capire la valutazione SPD?

Potresti chiedere: se esistono SPD, perché classificarli in tipi diversi? La risposta è che nessun singolo SPD può gestire in modo indipendente tutti i tipi di minacce di sovratensione.

L'energia generata dai fulmini differisce notevolmente in grandezza da quella prodotta dalle operazioni di commutazione interne. Pertanto, un'efficace strategia di protezione implica la creazione di un sistema di difesa a strati e sinergico. Questo concetto è noto come "coordinamento energetico" o "scarico a più livelli". Immaginalo come il sistema di difesa di un castello:

• Il tipo 1 funge da robusto muri e cancelli esterni, progettati per resistere agli assalti frontali più intensi.

• Tipo 2: la pattuglia si protende all'interno del castello, rivolgendosi a ritardatari che violano le mura esterne e i disturbi interni.

• Tipo 3: le guardie personali alla porta della camera da letto del re, fornendo l'ultimo e raffinato strato di protezione.

Solo quando queste tre linee di difesa lavorano insieme, il castello (il tuo sistema elettrico) può ricevere la protezione più completa.

Tipo 1 SPD: la prima linea di difesa contro i picchi esterni

Gli SPD di tipo 1 sono i dispositivi di maggior valore, progettati per deviare porzioni di correnti di fulmine causate da colpi diretti. Secondo gli standard internazionali (ad es. IEC 61643-1), devono resistere ai test con una forma d'onda di corrente di fulmine simulata da 10/350 µs. Questa forma d'onda rappresenta l'immensa energia di un fulmine diretto, caratterizzato da una durata estremamente lunga che sottopone le apparecchiature a forti stress. Posizione di installazione: installata all'interno del quadro di distribuzione principale dell'edificio (MDB), in genere presso il punto di ingresso di alimentazione.

Caratteristiche: scarica massicce correnti di fulmini (spesso decine di kiloampere). Il suo scopo principale non è limitare la tensione a livelli molto bassi, ma "assorbire" in sicurezza lo sciopero iniziale più letale.

Componenti tipici: In genere impiega spinterometri o tubi di scarico del gas, poiché questi componenti possono resistere a impatti energetici estremamente elevati.

Scenari applicabili: utilizzato principalmente in edifici dotati di sistemi di protezione contro i fulmini esterni (ad es. parafulmini) o quelli forniti da linee elettriche aeree. Costituisce la base dell'intero sistema di protezione da sovratensioni.

SPD di tipo 2: protezione primaria, protezione dei sistemi di distribuzione

Gli SPD di tipo 2 sono gli SPD più utilizzati, fungendo da livello di protezione primario nei sistemi di protezione da sovratensioni. Sono testati utilizzando una forma d'onda di corrente di 8/20 µs, che simula i picchi residui trasmessi dopo essere stati limitati da SPD di tipo 1, nonché sovratensioni generate da operazioni di commutazione interne.

Posizione di installazione: Installato all'interno di schede di sottodistribuzione per fornire protezione per pavimenti, zone o gruppi di carico specifici.

Caratteristiche: Ulteriori limiti sovratensioni e scarica Correnti non completamente gestite da SPD di tipo 1, insieme a sovratensioni generate internamente. Limita la tensione a livelli sicuri per la maggior parte degli elettrodomestici domestici e commerciali (ad es., al di sotto della resistenza alle calibrazioni delle apparecchiature).

Dispositivo tipico: più comunemente un varistore di ossido di metallo (MOV) grazie alla sua eccellente velocità di risposta e alle caratteristiche di tensione di serraggio.

Scenario di applicazione: un dispositivo di protezione quasi indispensabile in tutte le installazioni elettriche. In piccoli edifici senza sistemi di protezione contro i fulmini esterni, può fungere anche da protezione di primo livello.

Tipo 3 SPD: protezione di precisione per dispositivi finali

Type 3 SPD offre il livello di protezione più raffinato, specificamente progettato per la protezione di dispositivi finali altamente sensibili o costosi. Viene testato utilizzando onde composite (onda di tensione 1,2/50µs e onda di corrente 8/20 µs), con valori di corrente di prova significativamente inferiori rispetto al tipo 2.

Il tipo 3 SPD sopprime ulteriormente le sovratensioni residue minuscole che bypassano i primi due livelli di protezione. Sebbene a basso contenuto di energia, questi picchi di tensione possono degradare la durata della vita delle apparecchiature o causare la corruzione dei dati attraverso un accumulo prolungato. Non deve mai essere utilizzato da solo e deve essere installato a valle di un SPD di tipo 2.

Posizioni di installazione:

– all'estremità dell'apparecchiatura, comprese le prese di corrente con funzionalità SPD (ad es. alcune avanzate power strip).

– SPD plug-in dedicati.

– Moduli SPD incorporati all'interno dell'apparecchiatura.

Unità combinate: Sul mercato sono disponibili anche SPD combinati Type 2+3. Questi integrano entrambi i livelli di protezione in un unico modulo, fornendo una soluzione conveniente ed efficiente per scenari in cui l'installazione di più SPD autonomi non è pratica.

Come selezionare e distribuire il tuo sistema SPD?

La selezione dell'SPD appropriato e la costruzione di un sistema coordinato è fondamentale negli ambienti soggetti a frequenti fulmini o fluttuazioni di potenza significative. Una corretta selezione e installazione dell'SPD non solo impedisce riparazioni costose, ma garantiscono anche continuità nella produzione e nella vita quotidiana, rendendola una decisione tecnica che richiede un'analisi completa.

Innanzitutto, valuta l'ambiente del tuo edificio: frequenza di fulmini, stato di isolamento, alimentazione elettrica sotterranea o sotterranea, presenza di parafulmini nella struttura e valore e sensibilità delle apparecchiature interne. Questo determinerà se è necessaria una protezione di tipo 1 o se una combinazione di tipo 2+3 è sufficiente.

• seguire il principio gerarchico:

– Edifici con sistemi di protezione contro i fulmini esterni o zone ad alto rischio: implementare un'architettura completa di tipo 1 → Tipo 2 → Tipo 3.

– Edifici commerciali o residenziali standard: installare almeno un SPD di tipo 2 all'ingresso principale del servizio e supplemento con SPD di tipo 3 nei punti critici dell'attrezzatura.

– Piccoli edifici o unità abitative: installare un SPD di tipo 2 ad alte prestazioni all'interno del pannello di servizio e utilizzare prese elettriche di tipo 3 protetti da sovratensioni per apparecchiature di valore.

• Livello di protezione della tensione (su): Questo rappresenta la tensione di serraggio dell'SPD. Valori più bassi indicano una migliore protezione. Assicurarsi che sia inferiore alla tensione nominale di resistenza dell'apparecchiatura protetta.

• Corrente di scarica nominale (In) e corrente massima di scarica (Imax): Questi indicano la capacità dell'SPD di dissipare le correnti di picco. Valori più alti indicano una maggiore resilienza.

• Per gli SPD di tipo 1, concentrarsi sulla corrente di impulso (IIMP).

• Garantire un'installazione corretta: Le prestazioni SPD sono fortemente dipendenti dall'installazione. La riduzione al minimo della lunghezza del cavo di messa a terra è fondamentale, poiché i cavi eccessivamente lunghi generano una tensione indotto che degrada significativamente la protezione. Utilizzare strumenti dedicati o sbarre per collegare direttamente e con una lunghezza minima al sistema di messa a terra.

• Manutenzione e durata della vita: Gli SPD sono dispositivi di consumo. Gli SPD basati in particolare su MoV si degradano gradualmente dopo ripetuti eventi di sovratensione. Seleziona SPD con contatti di segnale remoto o finestre di allarme visivo per monitorare il loro stato e facilitare la sostituzione tempestiva.

La scelta del tipo SPD appropriato e la costruzione di un sistema di protezione coordinato sono fondamentali per garantire la sicurezza delle apparecchiature elettriche e prolungarne la durata. Comprendere le loro distinzioni e interconnessioni ti aiuterà a stabilire una "linea di difesa elettronica" davvero solida per la tua casa o la tua azienda. L'appendice fornisce parametri di riferimento per la selezione di diversi tipi di SPD:

Valori consigliati per i sovratensioni Corrente e scarica nominale Parametri dei protettori di sovratensione di linea elettrica

Conclusione

In sintesi, gli SPD di tipo 1, tipo 2 e tipo 3 svolgono ciascuno ruoli distinti, formando un sistema di difesa a strati da macro a micro livelli. Investire in un sistema di protezione contro le sovratensioni ben progettato non riguarda solo la salvaguardia dell'hardware, ma anche un investimento strategico nella sicurezza dei dati, nella continuità aziendale e nella protezione di vite e proprietà. Comprendendo le rispettive funzioni e implementandole in modo sinergico, puoi stabilire una solida barriera per le tue risorse elettroniche contro le minacce elettriche imprevedibili.