¿Cómo Proteger los Módulos de Conmutadores de NI al Utilizarlos con Cargas Inductivas?



Hardware: Switches

Problema:
Conmutar entre cargas inductivas (como por ejemplo motores y solenoides) puede generar transitorios de alta tensión que sobrepasen el rango de operación del módulo. Si no se cuenta con protección adicional, dichos transitorios pueden interferir con el adecuado funcionamiento del módulo y afectar la vida del relé. ¿Cómo puedo proteger a mi dispositivo de dichos transitorios?

Solución:
Las cargas inductivas constituyen una familia de dispositivos cuya base de construcción consiste en espiras de material conductor. Algunos ejemplos de cargas inductivas son bobinas de relé, motores, y bobinas de solenoides. Este tipo de cargas requieren ser manejadas con cuidado, debido a que almacenan energía al ser atravesadas por corriente. Si la corriente se interrumpe, la energía requiere ser descargada de alguna manera. Si no existe un camino alternativo para la corriente, un alto nivel de tensión será almacenado hasta que se dé una ruptura del dieléctrico y se forme un arco eléctrico. Dicha tensión puede llegar a ser bastante alta, y se define por la ecuación V = L (dI/dt), donde V corresponde a la tensión sobre la carga, L es la inductancia de la carga, y (dI/dt) corresponde a la tasa de cambio de la corriente respecto al tiempo. Cuanto más rápido sea el cambio de corriente en la inductancia, mayor será la tensión alcanzada. La tensión almacenada, o tensión de flyback, puede causar interferencia, que a su vez puede generar comportamientos no deseados en el dispositivo encargado de la conmutación u otros dispositivos cercanos. La alta tensión y energía almacenada pueden además degradar los contactos del relé, lo cual a su vez puede reducir drásticamente la vida útil del producto.

La tensión de flyback puede limitarse de distintas maneras. Los métodos utilizados pueden variar dependiendo de si el circuito trabaja con Corriente Alterna (CA) o Corriente Directa (CD). En este documento se hace referencia a la comparación de ambos tipos de circuito.

La Figura 1 muestra una carga inductiva con un diodo conectado en paralelo. El diodo proporciona un camino de descarga para la corriente del inductor en caso de que esta sea interrumpida por el relé. Sin ese diodo la tensión sobre la bobina estaría limitada únicamente por la tensión de ruptura del dieléctrico del circuito o elementos parásitos del circuito de la bobina. Dicha tensión puede alcanzar magnitudes de varios miles de voltios, aún cuando la tensión nominal del circuito sea baja (Ej. 5V).


Figura 1: Cargas Inductivas CD

El diodo debe elegirse de manera que su tensión de ruptura inversa sea mayor que la tensión que se aplica sobre la carga inductiva. En la hoja de datos la tensión de ruptura inversa puede encontrarse como VR o CD Blocking Voltage. Por su parte, la corriente nominal del diodo debe ser mayor o igual a la máxima corriente que fluye por la carga, dicha especificación corresponde al “Forward current” del diodo. Finalmente, el diodo debe colocarse idealmente, tan cerca de la carga como sea posible.

Dado que la fuente de tensión puede ser tanto positiva como negativa en un cirtuito CA, un único diodo no funcionaría para controlar posibles transitorios de tensión. Un método bastante común para limitar dicho fenómeno en estos casos implica el uso de varistores de óxido metálico (MOVs por sus siglas en inglés). El nivel de reducción de los transitorios con esta técnica dependerá de la tensión de operación del MOV

Los MOV logran restringir los transitorios de tensión a valores predeterminados. Además son bastante rápidos, pudiendo transicionar entre una impedancia muy alta a una muy baja en nanosegundos o menos. Es importante dimensionar correctamente el MOV, tanto para la tensión de ruptura como la energía que debe absorber. Una regla general es definir el valor de tensión del MOV a un valor 10-25% mayor que la tensión nominal del sistema. Respecto a la absorción de energía, el parámetro de “Load Dump Energy” o “Maximum Absorption” del MOV debe ser consultado igualmente, a fin de utilizar un MOV capaz de disipar la energía almacenada en la carga. Las unidades del parámetro de energía estarán siempre en Joules. Finalmente, los fabricantes de MOV brindan información sobre la corriente pico Ip que soporta el componente, característica que también debe tomarse en cuenta durante la elección del MOV.

Es posible que existan otras fuentes de transitorios además de las cargas inductivas. En el caso de los circuitos CA podría tratarse inclusive de la fuente en misma. Las líneas de tensión CA describen con frecuencia grandes transitorios de tensión de los cuales deben ser protegidas. Los MOV pueden utilizarse igualmente para limitar estos transitorios.

Al igual que cualquier componente, los MOVs pueden llegar a fallar eventualmente, lo cual sucede usualmente como un corto circuito. Por esta razón es una buena práctica el incluir fusibles dimensionados correctamente en serie con el MOV. La Figura 2 muestra un sistema CA protegido por MOVs. Otro método efectivo para limitar los transitorios de tensión es por medio de un circuito amortiguador. Dichos circuitos puede utilizarse tanto en aplicaciones CD como CA, por lo que son una alternativa adicional además de los métodos mencionados anteriormente. Debido a la diversidad y complejidad de los circuitos amortiguadores, este método no será cubierto por este documento.

Figura 2: Circuito de Protección CA Utilizando un MOV



Ligas Relacionadas:
Ayuda de NI Switches: NI Switches Help

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Día del Reporte: 11/27/2014
Última Actualización: 06/27/2015
Identificación del Documento: 4IHG8JLE