Protectores contra sobrecargas eléctricas

Los dispositivos y equipos electrónicos, incluidas las herramientas de red y telecomunicaciones, son susceptibles a daños causados por sobrecargas o sobretensiones. Una subida de tensión es un aumento inesperado de los parámetros de potencia que puede ser causado por una descarga electrostática, un suministro de energía irregular, un cableado deficiente y la fuente más común de los rayos cercanos.

Los rayos pueden causar una grave subida de tensión en los delicados equipos de comunicación, como puntos de acceso, puentes, antenas y transmisores, a través de Ethernet y cables de antena. Se ha demostrado que los protectores contra sobretensiones de rayos brindan un nivel aceptable de protección contra sobretensiones de rayos, evitando el mal funcionamiento del equipo e incluso daños.

Los protectores contra sobretensiones de rayos funcionan eliminando los picos de potencia a lo largo de los cables de transmisión. Están conectados al cable en una unión espalda con espalda, ya sea Ethernet o cable coaxial. El protector contra sobretensiones desvía cualquier carga transitoria a través de un semiconductor a una referencia a tierra.

Los protectores contra sobretensiones están disponibles para conectores Ethernet RJ45 y una variedad de conectores coaxiales, incluidos los populares tipo N, SMA y RP-SMA en sus frecuencias nominales.

Los protectores contra sobretensiones de rayos están clasificados con un voltaje de sujeción específico. Este es el voltaje máximo que puede pasar a través de un protector contra sobretensiones. También tienen una clasificación de absorción de energía expresada en julios, esta es la cantidad máxima de energía que el dispositivo puede absorber en su vida útil antes de un mal funcionamiento o una falla permanente. Los protectores contra rayos típicos para equipos de telecomunicaciones tienen una potencia nominal de 70 V y 400-600 julios.

Las monturas L de Data Alliance  son compatibles para montar descargadores de sobretensiones de rayos con  conectores tipo N, SMA y RP-SMA.

Protectores contra sobretensiones de rayos para equipos inalámbricos

Un protector contra sobretensiones contra rayos, un supresor de sobretensiones, un supresor de sobretensiones transitorias o  un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) es un dispositivo eléctrico que se instala en sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicación o redes para protegerlos de sobretensiones causadas por rayos y otros eventos. A pesar de que los rayos son poco frecuentes, el daño que se produce cuando ocurren puede ser devastador. Si no se instala un SPD para desviar el voltaje dañino del equipo, pueden producirse daños irreparables en el equipo.

Estos dispositivos generalmente se conectan en línea con el elemento conductor o cable antes de la entrada del conductor al dispositivo que se va a proteger. El SPD utiliza un mecanismo de varistor para separar el exceso de voltaje, luego dirige esta energía del rayo a tierra y lejos del dispositivo aguas abajo.

Son un componente esencial en los circuitos eléctricos y en las infraestructuras de redes y telecomunicaciones. El dispositivo trabaja para limitar el pico de voltaje desviando el exceso de voltaje lejos de los dispositivos y componentes posteriores y limitando cualquier sobrevoltaje a un nivel que no dañe el equipo conectado.

Los rayos son una causa bien conocida de sobretensiones o sobretensiones eléctricas. La frecuencia de ocurrencia de tormentas eléctricas variará según la ubicación. Los rayos pueden golpear directamente componentes eléctricos y electrónicos como antenas (lo que se conoce como impacto directo) o transferir energía a un sistema eléctrico al ocurrir cerca (un impacto indirecto). En ambos casos, sin la protección adecuada, el rayo causa inmediatamente los siguientes 4 problemas:

1. Interrupción: La sobretensión de los rayos no daña físicamente el equipo, pero hay una interrupción de las funciones analógicas o de procesamiento de los dispositivos posteriores. Los efectos se experimentan como pérdida de datos, corrupción de software y bloqueos de la computadora. En la mayoría de los casos, un reinicio del sistema corregirá el problema sin ningún problema persistente.
2. Degradación: Los episodios recurrentes de sobretensión transitoria pueden descomponer los componentes eléctricos de un dispositivo o sistema, acortando su vida útil y aumentando el riesgo de fallos repentinos.
3. Daño: Es casi seguro que la caída de un rayo directo dañará los componentes desprotegidos. Los efectos graves de esta sobretensión incluyen:
   1. Aislamiento y degradación dieléctrica
   2. Placas de circuitos y tarjetas de E/S quemadas y carbonizadas
   3. Carcasas rotas
   4. Fuego

Las manifestaciones más graves de los daños causados por los rayos se deben a la continuación de la energía y no a la sobretensión transitoria en sí. El daño sufrido por el equipo puede no ser un indicador confiable de la magnitud de la sobretensión que se produjo. Si se produce un cortocircuito, puede enrutar la alimentación y no mostrar signos externos de daño.

4. Tiempo de inactividad: Esto incluye los efectos posteriores de los equipos o redes que se apagan por componentes degradados o dañados. Los costos económicos, que se exploran a continuación, son significativos y también está la pérdida de tiempo, datos y productividad.

Tipos de dispositivos de protección contra sobretensiones de rayos

• Los tubos de descarga de gas o pararrayos de cable coaxial son un tipo de pararrayos comúnmente utilizados en línea con cables coaxiales y equipos de telecomunicaciones. Protegen específicamente los dispositivos de radio de los efectos de los rayos. Estos supresores de sobretensiones contienen tubos de vidrio que se llenan con un gas que solo conducirá la electricidad si el voltaje a través de los electrodos conductores dentro del pararrayos excede un cierto umbral. Un pico transitorio de voltaje a través del supresor de tubos de gas ioniza el gas, creando un cortocircuito que desvía el exceso de energía de los dispositivos conectados. Estos pararrayos son capaces de dispersar grandes cantidades de energía de esta manera.
• Los dispositivos Spark Gap constan de dos electrodos conductores con un espacio lleno de gas, que permite que una chispa eléctrica cruce de un conductor a otro cuando el voltaje excede el voltaje de ruptura del gas dentro del espacio. La presencia de una sobretensión o sobretensión transitoria ioniza el gas, reduciendo su resistencia y creando un camino para que el exceso de energía eléctrica se desvíe a tierra de la manera más eficiente posible.

Además, existen tres tipos estandarizados internacionalmente de dispositivos de protección contra sobretensiones:

1. Los dispositivos de protección contra sobretensiones tipo 1 están diseñados para proteger contra eventos de sobretensión que son transitorios como sobretensiones por rayos directos. Estos protectores contra sobretensiones de rayos pueden descargar el exceso de voltaje del rayo y evitar que se propague desde un conductor de tierra a los conductores de red o circuito.
2. Los dispositivos de protección contra sobretensiones de tipo 2 están diseñados para proteger los dispositivos y las redes de daños debidos a la conmutación o a la caída de rayos indirectos. Cuando se instalan en sistemas eléctricos de bajo voltaje, evitan la propagación de sobretensiones.
3. Los dispositivos de protección contra sobretensiones de tipo 3 brindan protección especial para cargas sensibles y tienen una baja capacidad de descarga. No pueden proteger completamente por sí mismos, pero se instalan con dispositivos de tipo 2 y se cablean cerca de cargas sensibles. Se utilizan con frecuencia en aplicaciones de telecomunicaciones.

Características físicas y eléctricas típicas de los pararrayos coaxiales en línea

Los SPD que están diseñados para la inserción en líneas de transmisión coaxial llevarán conectores de radiofrecuencia estándar, incluidos los conectores RP-SMA, SMA y tipo N  en ambos extremos.

Por lo general, tienen un cuerpo cilíndrico o cuboidal y tienen un conductor central que los atraviesa en línea con la construcción del cable coaxial. Por lo general, están hechos de latón niquelado, con un aislante de teflón.

Los pararrayos de cable coaxial deben conectarse a un sistema de conexión a tierra. Muchos supresores llevarán un tornillo de conexión a tierra en el cuerpo del pararrayor que también lleva una lengüeta de soldadura para facilitar la conexión de un cable de conexión a tierra sustancial que se puede usar para desviar el exceso de corriente a tierra rápidamente y con baja resistencia.

El conductor central dentro del pararrayos está rodeado por un pequeño espacio de aire entre el conductor y el cuerpo conectado a tierra del pararrayos. En el caso de la caída de un rayo, un alto voltaje que viaja a través del cable coaxial y hacia el pararrayos formará un arco a través del espacio de aire y desviará las corrientes potencialmente dañinas a la tierra, evitando la línea de transmisión posterior y los dispositivos posteriores.

El tamaño del espacio determina el voltaje de descarga eléctrica al que se desvía cualquier sobretensión. Muchos pararrayos tienen ajustes de espacio entre tornillos para cambiar el tamaño del espacio de aire.

Protección contra sobretensiones de rayos para Ethernet

Ahora es ampliamente reconocido que los puertos Ethernet también pueden verse afectados por rayos, con daños e interrupciones en las redes.

Se sabe que las instalaciones de cables Ethernet exteriores y CCTV son vulnerables a los rayos directos.

Los rayos remotos con potentes pulsos electromagnéticos pueden inducir corriente transitoria mediante el acoplamiento de campo cercano y campo lejano tanto en cables PoE como de datos. La disfunción de la red suele ser más evidente que el daño físico, incluso cuando el rayo es directo.

Mediante la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones en línea para Ethernet en circuitos PoE y cableado horizontal, las redes se pueden proteger contra sobretensiones debidas a rayos o conmutación. Los supresores para sistemas de tecnología de la información incluyen tubos de descarga de gas Ethernet con conexión a tierra integrada y un puerto Ethernet Cat5 o Cat 6 que es compatible con el enchufe RJ45.

Los tubos de descarga de gas para Ethernet tienen un buen manejo de potencia y protegen contra transitorios de tamaño y duración variables. Se pueden utilizar en componentes clave de la red Ethernet, entre ellos:

• Enrutador
• Interruptores/inyectores
• Repetidores
• Módem

Al igual que el cable coaxial, estos pararrayos Ethernet interceptan la sobretensión y la desvían a un cable de puesta a tierra externalizado. Hay un tubo de descarga de gas para cada uno de los 4 pares trenzados del cable.

Los supresores Ethernet basados en diodos consisten en una matriz de diodos que brinda protección para cada uno de los 8 canales (cables) de un puerto Ethernet. Son muy eficientes para suprimir las oleadas de rayos. Si un pararrayos basado en diodos encuentra un aumento de voltaje transitorio por encima del umbral, la impedancia del diodo afectado disminuirá, creando una ruta de derivación para la sobretensión lejos de la línea de datos.

Supresores de sobretensiones de rayo de alto rendimiento que cumplen con RoHS

Nuestra amplia selección de protectores contra sobretensiones de rayos en línea está fabricada con materiales de alta calidad y buena procedencia. Todos los productos cumplen con la  directiva de restricción de sustancias peligrosas (RoHS), la legislación de la Unión Europea que limita el uso de sustancias peligrosas como el plomo o el cadmio en la electrónica.

Estos protectores contra sobretensiones de rayos cumplen con la legislación nacional e internacional relacionada con los minerales de conflicto estaño, tantalio, tungsteno y oro (3TG), en particular, la Regulación de Minerales de Conflicto y la Sección 1502 de la Ley Dodd-Frank.

En los EE. UU., la mayoría de los protectores contra sobretensiones de rayos son fabricados por empresas que son miembros del Instituto de Protección contra Sobretensiones de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA). Los fabricantes diseñan y prueban los pararrayos utilizando una variedad de formas de onda de rayos que simulan la caída directa de un rayo. Los pararrayos eficaces deben proporcionar un nivel definido de protección y manejar picos de corriente que puedan superar los 25.000 amperios.

¿Por qué es importante la protección contra sobretensiones de rayos?

El impacto de los daños a los dispositivos eléctricos y electrónicos causados por rayos y otras fuentes de sobretensiones eléctricas es significativo. Según el Instituto Nacional de Seguridad contra Rayos, los daños causados por los rayos a los equipos eléctricos cuestan a la economía estadounidense hasta 6.000 millones de dólares anuales, a pesar de ser responsables sólo del 20% de los eventos de oleadas. El daño electrónico puede acortar la vida útil del equipo, precipitar el mal funcionamiento e incluso provocar incendios.

A medida que aumenta el consumo industrial, comercial y doméstico de productos electrónicos, también lo hace la susceptibilidad de que la infraestructura, las redes y la productividad económica se vean afectadas por los aumentos repentinos. El tiempo de inactividad es costoso, ya que las instalaciones críticas pierden hasta $130,000 con cada evento.

Con cada vez más redes y dispositivos electrónicos que realizan tareas críticas en la sociedad, existe la necesidad de salvaguardar adecuadamente su función de las sobretensiones.

La mayoría de los picos de voltaje encontrados por los equipos electrónicos son de baja energía, pero los rayos pueden ser perjudiciales para los sistemas y dispositivos electrónicos. El aumento de voltaje de corta duración en las líneas de energía, datos o radiofrecuencia causado por rayos se conoce como sobretensiones o transitorios y puede ser extremadamente destructivo para una amplia gama de equipos, incluidos:

• Estaciones base y centrales celulares
• Equipos de redes inalámbricas
• Cartelería digital y reproductores multimedia para publicidad exterior
• Antenas
• Equipos de cómputo y servidores
• Equipos de circuito cerrado de televisión
• Sistemas de gestión de edificios
• Sistemas de alarma
• Amplificadores de bajo ruido (LNA)
• Repetidores y amplificadores de señal

Las sobretensiones debidas a rayos también pueden presentar un peligro de descarga eléctrica si hay una descarga eléctrica que excede la capacidad del equipo o del aislamiento del cable para soportar el aumento de voltaje.

La protección de los equipos electrónicos con un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) adecuado es fundamental para mantener la funcionalidad de los dispositivos y el tiempo de actividad y funcionamiento de la red. Los SPD son esenciales porque los fusibles y los disyuntores, conocidos como dispositivos de sobrecorriente, no pueden proporcionar protección contra sobretensiones. Los SPD están diseñados para brindar protecciones específicas contra los picos cortos de alto voltaje que se producen con el impacto directo de un rayo.

Preguntas frecuentes

¿Qué son las oleadas?

Una sobretensión o transitorio es un aumento de potencia (corriente o voltaje) de corta duración, en un circuito donde la sobretensión del subciclo tiene una duración (medida en milisegundos o microsegundos) que es menos de la mitad de un ciclo de forma de onda de potencia normal. Las sobretensiones son a menudo oscilatorias, variando en polaridad, y pueden ser aditivas o sustractivas en su desviación de la forma de onda de voltaje normal. Tienen un efecto degradante en los equipos eléctricos que están expuestos a ellos.

Las sobretensiones pueden generarse dentro o fuera de un edificio, y la gran mayoría (60-80%) de las sobretensiones se originan dentro de un edificio. Con la alimentación de red, los conductores involucrados son la línea, el neutro y la tierra. En los circuitos de radiofrecuencia, la línea de señal y la tierra se ven afectadas.

Las principales causas internas de las sobretensiones incluyen:

• Conmutación de carga eléctrica: el encendido y apagado de cargas eléctricas es un desencadenante común de sobretensiones en un sistema eléctrico. Un ejemplo notable de esto es la recuperación de energía después de un apagón, aunque las sobretensiones de conmutación a menudo no son tan grandes en magnitud como los rayos, son operativas y, a menudo, más frecuentes y dañinas con el tiempo.
• Acoplamiento inductivo: el campo electromagnético generado por la corriente que fluye a través de un cable es capaz de inducir transitoriamente un voltaje en cableado o materiales cercanos.
• Electricidad estática: también conocida como ESD se describe más adelante.

Además de los rayos, las causas externas de las sobretensiones o transitorios incluyen:

• La conmutación de la red y del banco de condensadores realizada por la empresa de servicios públicos en respuesta a fallos puede provocar fallos cuando se vuelve a conectar el suministro de energía interrumpido.
• Los ajustes en la asignación de energía por parte de las empresas de servicios públicos también pueden causar aumentos repentinos.
• Perturbaciones de la calidad de la energía y su corrección.

Los equipos eléctricos y electrónicos tendrán una capacidad variable para soportar variaciones en su voltaje de funcionamiento normal, pero la descarga eléctrica significativa de los rayos será dañina para casi todos los equipos.

¿Qué es la descarga electrostática (ESD)?

La descarga electrostática es una descarga o flujo espontáneo de corriente eléctrica entre dos superficies u objetos cargados que han almacenado electricidad estática de manera capacitiva. Esto suele ocurrir con superficies cargadas de forma diferente, en las que un dieléctrico que estaba presente anteriormente se ha roto o se ha eliminado. La corriente eléctrica puede acumularse en los materiales a través de la inducción electrostática, donde la carga se transfiere desde un objeto conductor que no está conectado a tierra.

Los relámpagos son esencialmente un evento de descarga electrostática masiva, con truenos como sonido acompañante. Los eventos típicos de ESD no son tan grandes o dramáticos, pero aún así son capaces de causar daños significativos a los dispositivos y equipos electrónicos.

El voltaje umbral para la percepción humana de una ESD es de 2000 a 3000 voltios, pero las descargas por debajo de este voltaje aún contienen suficiente energía para dañar la electrónica. Las rápidas pendientes iniciales de las formas de onda de corriente generadas por ESD son disruptivas incluso a voltajes más bajos.

La ESD es una causa tan importante de fallos de los dispositivos electrónicos que los fabricantes harán todo lo posible para evitar su aparición y proteger los componentes. Se utilizan varias estrategias, incluida la separación de materiales altamente cargados en un área de protección electrostática (EPA), trabajadores de puesta a tierra, sistemas de ionización, regulación de la humedad o uso de dispositivos antiestáticos. El requisito de protección ESD continúa incluso en el embalaje y envío de equipos electrónicos, así como en la conexión a tierra durante la instalación. A pesar de estos esfuerzos, las descargas electrostáticas no se pueden prevenir por completo cuando se manipulan dispositivos o componentes.

¿Qué es el impulso electromagnético de rayo (LEMP)?

El daño por pulso electromagnético es otra forma de daño a los dispositivos electrónicos que puede ser causado por un rayo. Por lo general, es causada por la caída de un rayo indirecto. La descarga de alto voltaje de los rayos cercanos también es de alta corriente y transporta un campo magnético correspondientemente fuerte.

La fuerza del campo significa que puede inducir corrientes en cables y dispositivos electrónicos cercanos sin protección. A diferencia de las sobretensiones de línea, LEMP induce grandes corrientes eléctricas dentro de los dispositivos y redes que pueden dañarlos, especialmente si están encendidos. Los SPD ofrecen una protección limitada contra los EMP. La mejor protección es desconectar, siempre que sea posible, los dispositivos que corran el riesgo de exposición a un LEMP cuando no se utilicen activamente.

En conclusión

Los protectores contra sobretensiones de rayos son componentes críticos para asegurar equipos de telecomunicaciones, radio y redes contra el daño de los rayos directos e indirectos.

Estar preparado para la caída de un rayo en la instalación de su red brinda la mejor oportunidad para mantener el funcionamiento ininterrumpido del sistema.

Además de integrar estos SPD, estar al tanto de los sistemas que son más vulnerables a fallas, tener a mano piezas de repuesto y hacer copias de seguridad de los datos son estrategias que preservarán la integridad de su red.

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