Dispositivos de proteção contra surtos: um guia técnico completo

Durante a operação, altas tensões instantâneas (surges) nas fontes de alimentação de comutação de LED agem como “assassinos atuais”, potencialmente decorrentes de relâmpagos, comutação de grade, partidas/paradas do motor e operações semelhantes.

Embora esses surtos durem apenas uma fração de segundo (normalmente milissegundos para microssegundos), suas tensões de pico podem atingir dezenas ou até centenas de vezes a tensão normal - suficiente para quebrar ou queimar componentes semicondutores, causando danos irreversíveis.

A proteção contra surtos serve como “linha de vida” para luminárias de LED contra instabilidade de rede e relâmpagos. Portanto, é crucial selecionar uma fonte de alimentação do driver apropriada. Quando necessário, os protetores contra surtos devem ser adicionados aos acessórios.

Este artigo fornece uma análise abrangente de protetores contra surtos, abrangendo princípios técnicos, aplicações de engenharia e técnicas de instalação.

O que é um dispositivo de proteção contra surtos para luzes LED?

O que é um protetor contra surtos? Simplificando, um protetor contra surtos “descarrega” tensões excessivas repentinas (surge) em um circuito, evitando danos ao sistema de iluminação. Ele age como uma “válvula de segurança” no circuito: quando a tensão excede os limites, ela conduz rapidamente para desviar a corrente e, em seguida, reinicializa seu estado aberto quando a tensão volta ao normal, garantindo que os acessórios de LED sempre funcionem dentro de faixas de tensão seguras.

Os protetores contra surtos abordam principalmente dois cenários típicos de “surtos de tensão”: surtos relâmpagos, exigindo SPDs tipo I e tipo II e surtos de comutação gerados por partidas e desligamentos de equipamentos industriais, exigindo proteção SPD limitante de voltagem. Ambos interceptam fundamentalmente tensões que excedem a faixa de tolerância de um dispositivo, oferecendo proteção abrangente para equipamentos elétricos.

Em resumo, os protetores contra surtos servem a um propósito duplo: evitar que altas tensões repentinas prejudiquem o equipamento e atenuam frequentes pequenos surtos que aceleram o envelhecimento, proporcionando assim uma proteção abrangente para sistemas de iluminação LED.

Para obter mais informações sobre dispositivos de proteção contra surtos em aplicativos de iluminação LED, leia o blog: “Dispositivos de proteção contra surtos (SPD) para iluminação LED: guia completo para aplicações internas e externas.”

Que tipos de dispositivos de proteção contra surtos existem?

Classificado pelo princípio operacional:

a) SPDs de comutação de tensão

Alta impedância durante a operação normal; muda abruptamente para baixa impedância durante os surtos de tensão, permitindo um fluxo de alta corrente. Também conhecido como "switch switch tipo spd". Normalmente, emprega lacunas de descarga, tubos de descarga de gás, tiristores ou retificadores controlados por silício como componentes. Esses protetores contra surtos também são chamados de “tipo croba” devido às suas características de tensão-corrente descontínuas.

b) SPD limitante de tensão

Exibe alta impedância na ausência de surtos. A impedância diminui continuamente à medida que a corrente de surto e a tensão aumentam. Os componentes normalmente incluem varistores e diodos de supressão. Também conhecido como protetores contra surtos do tipo “clamping”. Caracterizado por características contínuas de tensão-corrente.

c) SPD combinado

Um protetor contra surtos que combina componentes de comutação de tensão e limitação de tensão. Suas características podem se manifestar como comutação de tensão, limitação de tensão ou ambos, dependendo do perfil de tensão aplicado.

Os protetores de surto compostos podem suprimir tensões de surto superiores a 6kV até o dobro da tensão máxima de operação do sistema em uma única operação. As unidades trifásicas podem suprimir até 800 V, enquanto as unidades monofásicas podem suprimir abaixo de 600 V. Em contraste, os pára-raios modulares exigem três níveis de proteção (classe B, C e D) para atingir a supressão em torno de 1000 V.

Classificação por aplicativo:

Com base no aplicativo, os SPDs podem ser categorizados em dois tipos: SPDs de linha de energia e SPDs de linha de sinal.

A composição do dispositivo de proteção contra surtos

A estrutura do protetor contra surtos consiste principalmente nos seguintes componentes:

• Vastor de óxido metálico (MOV): O componente central do protetor contra surtos, feito de materiais como óxido de zinco. Quando a sobretensão ocorre no circuito, o MOV transita rapidamente para um estado condutor, absorvendo a energia de sobretensão e desviando-a para o solo.

• Proteção Circuit Bmanejar: Localizado dentro do protetor contra surtos, ele controla e monitora as mudanças de corrente e tensão. Normalmente composto por circuitos integrados, ele permite a comutação automática e as funções de reset para o protetor contra surtos.

• terminal Bfechaduras: Conecte o protetor contra surtos ao circuito, geralmente com dois terminais - um para alimentação de entrada e outro para potência de saída.

• Habitação: Protege os componentes internos do protetor contra surtos, normalmente feitos de material isolante para evitar choques elétricos e outros perigos.

Diferenças entre os SPDs e os fusíveis comuns e os circuitos de filtro

Diferenças entre SPDs e fusíveis

‌SPD‌ : Projetado especificamente para dissipar as correntes de surto transientes (por exemplo, relâmpagos, comutação de grade). Ele canaliza surtos de alta tensão para o terra por meio de componentes como varistores de óxido metálico (MOV) ou tubos de descarga de gás (GDT), protegendo o equipamento contra danos instantâneos de alta tensão.

‌fusando‌ : Somente endereçar sobrecargas sustentadas ou correntes de curto-circuito interrompendo o circuito por meio de fusão. Eles não conseguem lidar com surtos de nível de nanossegundos.

O tempo de resposta do SPD varia de nanossegundos a microssegundos (por exemplo, nanossegundos para MOVs, microssegundos para GDTs), enquanto os fusíveis exigem milissegundos para explodir, falhando em proteger o equipamento sensível com o tempo. Os SPDs degradados podem vazar corrente ou curto-circuito, necessitando de ser usado com fusíveis (não disjuntores) para evitar riscos de corrente de seguimento; fusíveis queimados requerem substituição, mas não apresentam problemas de corrente subsequentes.

Diferenças entre os SPDs e os circuitos de filtro

‌SPD‌ : Protege contra altas tensões transitórias (nível KV), como relâmpagos ou surtos de energia.

‌circuitos do filtro‌: Remova o ruído persistente de alta frequência (kHz-MHz), como interferência eletromagnética nas fontes de alimentação.

Os SPDs funcionam por descarga ou tensão de fixação (por exemplo, MOVs conduzem acima de 600 V); os circuitos de filtro utilizam indutores e capacitores para formar redes passa-baixa, atenuando o ruído progressivamente. Os SPDs protegem contra raios e surtos de rede elétrica; os circuitos de filtro servem aplicações que exigem alta pureza de energia, como equipamentos médicos e sistemas de comunicação.

Tabela de comparação de resumos

‌Recurso	spd	meter em eriços	‌Filtro circuito
‌função central‌	Descarga surtos transientes	Proteção contra sobrecarga/circuito	Filtrar ruído de alta frequência
‌tempo de resposta‌	Faixa de nanossegundos-microssegundo	intervalo de milissegundos	Operação contínua
‌Componentes típicos‌	MOV, GDT, TVS2	fusível de metal	indutores, condensadores
‌riscos de falhas‌	Potencial vazamento ou curto-circuito	requer substituição	degradação de desempenho

Conforme demonstrado pela comparação acima, os SPDs, os fusíveis e os circuitos de filtro têm funções distintas nos sistemas de energia. Seu uso coordenado é essencial para obter uma proteção abrangente.

Princípio de funcionamento dos dispositivos de proteção contra sur

Em condições normais, o protetor contra surtos apresenta um estado de circuito aberto para aterrar no circuito, o que significa um estado de alta resistência. Esta característica de alta resistência minimiza o impacto no circuito. Funciona como um interruptor, permanecendo aberto quando não for necessário para garantir a operação normal do circuito sem interferência. Conforme mostrado na Figura 1 abaixo.

Quando ocorre uma alta tensão transitória no circuito principal - como durante um relâmpago - o protetor contra surtos responde instantaneamente. Sob essa condição de sobretensão transitória, o protetor contra surtos se comporta como um estado de baixa resistência. Seus componentes internos (por exemplo, varistores, tubos de descarga de gás) fazem a transição rápida de estados de alta resistência para baixa resistência, formando um caminho condutor. Ele instantaneamente desvia a corrente de surto e limita a tensão de surto a um nível seguro, protegendo assim o circuito e o equipamento contra danos. Conforme mostrado na Figura 2.

Conforme mostrado na Figura 2, o protetor contra surtos desempenha um papel protetor crítico durante eventos de sobretensão transitória. Ele atua como uma barreira, protegendo a fonte de alimentação e as luminárias do impacto da sobretensão.

Por que a proteção contra surtos é importante para sistemas de iluminação LED?

A proteção contra surtos é fundamental para sistemas de iluminação LED pelas seguintes razões principais:

1. Sensibilidade do LED a surtos

Como dispositivos semicondutores, os LEDs têm tensões de avanço de apenas alguns volts e apresentam uma resistência extremamente baixa, particularmente uma fraca tolerância à tensão reversa. Sobretensões transitórias (atingindo milhares de volts) de relâmpagos ou comutação de grade podem danificar diretamente os chips ou drivers de LED, causando falha imediata ou dano latente.

2. Diversas fontes de surto

• ‌Indução de relâmpagos‌ : A descarga de corrente para raios causa surtos repentinos de potencial de solo, entrando nas luminárias por meio de linhas de alimentação/sinal.

• ‌Operações da rede‌: aparelhagem, falhas de curto-circuito, etc., geram sobretensões transitórias.

• ‌Eletrostático EUintelencia: Eletricidade estática (>10kV) acumulada em caixas de metal pode quebrar os circuitos do driver.

3. Consequências de danos causados por

Os eventos de surto não apenas aceleram o envelhecimento da fonte de luz LED (redução da eficácia luminosa), mas também podem desencadear falhas em cascata: um único LED de curto-circuito transfere sua queda de tensão para os LEDs adjacentes, acelerando o esgotamento de todo o cordão da lâmpada. Os altos custos de manutenção para sistemas de iluminação externa significam que a proteção inadequada aumenta significativamente as despesas de manutenção.

Em uma cidade, 30% dos principais motoristas de iluminação rodoviária falhou após uma temporada de tempestades devido à falta de proteção contra surtos, incorrendo em mais de 500.000 yuans em reparos. A inspeção revelou que os impactos de múltiplos surtos envelheceram e degradaram os varistores de óxido metálico (MOVs), permitindo que os relâmpagos subsequentes danificassem diretamente os módulos LED.

A proteção contra surtos é uma medida crítica para garantir a longevidade e confiabilidade das luminárias LED, particularmente indispensáveis em ambientes de alto risco, como ambientes externos e industriais. Os acessórios LED equipados com proteção contra surtos apresentam confiabilidade aprimorada. A instalação de SPDs em conformidade com padrões de teste, como IEC 61000-4-5, reduz substancialmente os custos de manutenção, tornando-o vital para os sistemas de iluminação LED.

Métodos de conexão para protetores contra surtos em acessórios de LED

A abordagem mais comum para conectar protetores contra surtos aos acessórios de LED envolve a instalação em série ou paralela nos terminais de entrada ou saída. Com base em diferentes locais e métodos de instalação, eles podem ser categorizados da seguinte forma:

1. Protetores de surtos integrados em motoristas

Protetores de surtos integrados mitigam o impacto das sobretensões transitórias causadas por relâmpagos, operações de comutação ou descarga eletrostática no sistema. Eles mantêm a estabilidade da fonte de alimentação e garantem a operação contínua do sistema de iluminação. Ao responder rapidamente e suprimir sobretensões transitórias, os protetores contra surtos reduzem os danos aos módulos de driver de LED e módulos de emissão de luz causados por tensões anormais, prolongando assim a vida útil geral do equipamento.

2. Protetor contra surtos instalado em motorista extremidade dianteira

Esta abordagem é principalmente adequada para áreas com relâmpagos frequentes e alta umidade ambiental. A instalação de um protetor contra surtos na extremidade dianteira das luzes da rua, por exemplo, oferece proteção aprimorada contra danos elétricos causados por raios e interferências eletromagnéticas, servindo como uma proteção dupla. Também facilita a manutenção mais tarde. No entanto, é essencial garantir que o SPD recém-adicionado seja compatível e corresponda ao método de aterramento do sistema existente.

3. Conexão em série na entrada

Conecte o protetor contra surtos em série com a entrada da fonte de alimentação do driver LED. Quando ocorre um surto na entrada, o protetor contra surtos interrompe o fluxo de corrente, protegendo assim a lâmpada LED.

4. Conexão paralela na entrada

Conecte o protetor contra surtos em paralelo com a entrada do driver de LED. Quando ocorre um surto na entrada, o protetor contra surtos conduz a corrente, afastando o excesso de corrente.

Diferentes tipos de protetor contra surtos têm vantagens e desvantagens distintas, exigindo seleção com base em condições específicas.

Geralmente, os protetores contra surtos em série oferecem tempos de resposta rápidos, proteção forte e impacto mínimo na operação normal, mas apresentam desvantagens, como instalação complexa, requisitos de espaço e suscetibilidade a danos.

Os protetores de surto paralelos apresentam instalação simples, pegada compacta e facilidade de substituição, mas sofrem com tempos de resposta mais lentos, proteção mais fraca e interferência potencial na operação normal.

Que tipo de SPD é usado na iluminação LED?

Os dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) são classificados principalmente com base em sua capacidade de proteção, localização de instalação e características de tolerância à forma de onda. Os padrões internacionais normalmente os classificam em três tipos, como segue:

tipo 1 spd

Projetado para relâmpagos diretos ou surtos de alta energia, instalados no painel de distribuição principal ou no ponto de entrada de energia de um edifício. Apresenta um nível de proteção de tensão mais alto (UP) variando de 1,5 kV a 4 kV, com uma corrente nominal de descarga (IN) normalmente entre 12,5 kA e 200 kA.

Aplicações típicas: locais de alto risco propensos a relâmpagos diretos, como plantas industriais e estações de base de comunicação.

tipo 2 SPD

Adequado para relâmpagos indiretos ou distúrbios da rede elétrica, instalados em painéis de distribuição ou armários de distribuição no piso. Em geralmente é de 5KA a 20KA, e geralmente é de 1,5kV a 2,5kV.

Aplicações típicas: aplicações de iluminação LED ao ar livre e fabricantes de sinalização LED e sinalização LED, incluindo iluminação rodoviária, iluminação de estacionamento, iluminação de parede, iluminação de trânsito, iluminação digital, sinalização digital, iluminação de rua e iluminação de túnel.

tipo 3 spf

Adequado para proteção de dispositivo final, instalado na extremidade frontal de equipamentos ou tomadas. Normalmente em ≤10KA. Fornece proteção fina (até ≤1 kV) com tempos de resposta mais rápidos (nível de nanossegundos).

Aplicações típicas: frequentemente integrados em drivers de LED para proteção local de tensão.

Painéis de distribuição principais gerais usam dispositivos do tipo 1 ou do tipo 2; as caixas de distribuição podem usar os dispositivos do tipo 2 e do tipo 3, com o tipo 2 e o tipo 3 também adequados para aplicações de back-end.

Para linhas de alimentação CA que entram em edifícios, instale os protetores de surto tipo 1 ou tipo 2 como proteção primária no limite entre as zonas LPZ0A/LPZOB e LPZ1 (por exemplo, no painel de distribuição principal).

Nas fronteiras das zonas de proteção subsequentes, como painéis de distribuição em linhas de distribuição de energia ou salas de equipamentos eletrônicos, os protetores contra surtos tipo 2 podem ser instalados como proteção secundária. Para dispositivos como luminárias de LED, os protetores de surto tipo 2 ou tipo 3 podem ser instalados antes da porta da fonte de alimentação.

Como escolher um protetor contra surtos corretamente?

Em aplicações elétricas, selecionar um protetor contra surtos é um problema altamente complexo, envolvendo fatores como configuração de aterramento do sistema, nível de exposição, zonas de proteção contra raios, comprimento do cabo, proteção entre níveis, corrente de curto-circuito nos pontos de proteção e número de circuitos de derivação.

Vários fabricantes produzem protetores contra surtos no mercado. Portanto, ao selecionar dispositivos de proteção contra surtos, deve-se prestar especial atenção aos seguintes pontos:

1. Determine o valor de UC

A seleção da tensão máxima de operação contínua (UC) do protetor contra surtos requer uma consideração abrangente da tensão do sistema, do equipamento, da tensão e das especificações padrão. O valor mínimo de UC deve ser 1,15 vezes a tensão nominal.

Por exemplo, em um sistema de tensão de fase de 220V, UC = 1,15 × 220V = 253V. Uma vez que as tensões de pico da rede CA podem atingir 1,1 vezes o valor RMS (253V × 1,414 = 357V; aprox. 350 V de pico para um sistema de 220 V), UC deve exceder esse valor. No entanto, em aplicações práticas, para evitar a ativação frequente, é recomendada a seleção de um valor mais alto, como 385V. Simultaneamente, a tensão de ativação do varistor (U1MA) deve corresponder à faixa de flutuação da rede.

2. Selecionando os níveis de proteção

SPDs de classe I (por exemplo, IIMP ≥ 100ka) são usados para distribuição principal, enquanto os SPDs de classe II (em ≥ 40Ka) são usados para painéis de distribuição, formando proteção multinível. As dimensões e tipos de instalação do SPD devem atender aos requisitos do local. As diretrizes de seleção são mostradas a seguir:

Nível de proteção	Local de instalação	Cenário de aplicação	Parâmetros-chave
tipo 1	Painel de distribuição principal	Proteção direta contra relâmpagos	≥100Ka(10/350μs)
tipo 2	caixa de distribuição	Surto de relâmpagos/operacionais induzidos	40kA (8/20μs)
tipo 3	dianteiro do driver de led	Proteção do terminal do equipamento de precisão	Até ≤1,5 kV

3. Método de instalação

Selecione um SPD que esteja posicionado corretamente e fácil de instalar com base na localização da luminária. Como os SPDs são normalmente escondidos em áreas de difícil acesso, como na frente de luminárias, eles também podem desconectar a luminária do circuito em caso de falha, facilitando a substituição e manutenção futura.

4. Adaptação Ambiental

Para iluminação externa, selecione SPDs com uma classificação IP de IP54 ou superior. Em condições úmidas ou empoeiradas, use SPDs com uma classificação IP mais alta de IP67.

5. Especificações de aterramento

O SPD deve ser aterrado por meio de um terminal PE dedicado, evitando caminhos de terra compartilhados com condutores de saída. Teste de resistência à continuidade do solo ≤0,1Ω.

6. proteção multinível

Além de proteger as fontes de alimentação de 230 V, considere proteger as unidades de controle, como DALI, segunda (controle) fase, 1-10V ou DMX. Os SPDs combinados de CA e controle são ideais para esses acessórios, normalmente oferecendo uma proteção melhor coordenada do que dois SPDs separados.

7 . Certificação e segurança

Selecione SPDs com certificações confiáveis como TUV ou UL, testados para atender aos requisitos IEC 61643-11 e VDE 0100-534.

Conclusão

Os dispositivos de proteção contra surtos servem como barreira central para sistemas de iluminação externa contra relâmpagos e surtos de rede. Por meio da ação sinérgica de varistores e tubos de descarga de gás, eles desviam surtos de alta tensão para o terra em microssegundos enquanto prendem as tensões para os limites do equipamento seguro.

Sem proteção adequada, os acessórios de LED e seus drivers enfrentam riscos de danos irreversíveis, eficiência reduzida e falha completa potencial. Os dispositivos de proteção contra surtos aumentam significativamente a confiabilidade das luzes de rua LED em ambientes de grade, tornando-os componentes de proteção indispensáveis para sistemas de iluminação de cidades inteligentes.