Artículo técnico sobre la actuación eléctrica de los principales componentes utilizados en dispositivos de protección contra sobretensiones: descargadores, tubos de descarga a gas, varistores de óxido metálico, diodos TVS/avalancha y topologías híbridas.
¡Descúbrelo!
Los dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) son componentes de frontera: en régimen normal deben ser casi invisibles para la instalación; durante un transitorio deben cambiar de estado en microsegundos, conducir corrientes elevadas y limitar la tensión aplicada al equipo protegido. Esta aparente simplicidad oculta mecanismos físicos diferentes: arco eléctrico en descargadores, ionización en tubos de descarga a gas, conducción no lineal en varistores de óxido metálico y avalancha controlada en uniones semiconductoras.
Este artículo analiza, a nivel de ingeniería eléctrica, cómo actúan los principales elementos internos utilizados en DPS de baja tensión y en protección fina de señales: descargadores, GDT, varistores MOV, diodos TVS/avalancha y arreglos híbridos. El enfoque es funcional y físico, conectando el comportamiento del componente con los parámetros normativos utilizados en diseño y ensayo, como Uc, Up, Iimp, In, Uoc, TOV y coordinación energética.
Conocer la tecnología interna, sin embargo, no hace suficiente la simple instalación del componente. El desempeño real depende del diseño de la protección, del esquema TN, TT o IT, de la corriente de cortocircuito prevista, de la protección de respaldo, de la puesta a tierra, de la equipotencialización, de la integración con el SPDA/MPS y de la geometría de las conexiones. En instalaciones existentes, fallas recurrentes o DPS degradados también pueden indicar problemas de la propia infraestructura eléctrica, que deben diagnosticarse y corregirse antes de sustituirlos por otro dispositivo.
Qué hace realmente el DPS en el circuito
Un DPS es, en esencia, un camino controlado para corriente transitoria. Se instala en paralelo con el circuito o equipo a proteger, entre conductores activos, entre conductor activo y PE, entre neutro y PE, o entre líneas de señal y una referencia, según el modo de protección previsto. En régimen permanente, el DPS debe presentar alta impedancia, baja corriente de fuga y soportar la máxima tensión continua de la red. Durante una sobretensión, su impedancia cae de forma abrupta o progresiva, creando un desvío para la corriente impulsiva.
El objetivo no es “absorber” toda la energía del rayo en el sentido simplificado del término. El objetivo es limitar la diferencia de potencial en los terminales del equipo protegido a un valor compatible con su soportabilidad dieléctrica y conducir la corriente de impulso por un camino de baja impedancia y baja inductancia hasta la equipotencialización, PE, barra de tierra u otro conductor de referencia.
Desde el punto de vista de ensayo y especificación, tres formas de onda son recurrentes:
- 10/350 µs: asociada a esfuerzos de corriente de rayo directo o parcial, utilizada para evaluar DPS de Clase I / Tipo 1 y el parámetro Iimp.
- 8/20 µs: asociada a sobretensiones inducidas y maniobras, utilizada para Clase II / Tipo 2 y el parámetro In.
- 1,2/50 µs combinada con 8/20 µs: utilizada en ensayos de onda combinada, típica de DPS Clase III / Tipo 3 y del parámetro Uoc.
En la práctica, el DPS debe responder a sobretensiones en modo común, cuando aparecen entre conductores activos y tierra, y en modo diferencial, cuando aparecen entre conductores activos entre sí, como fase-neutro o entre conductores de señal.
Dos familias de comportamiento: conmutación y limitación de tensión
Los componentes internos de un DPS pueden clasificarse por su comportamiento eléctrico durante la sobretensión.
Componentes conmutadores de tensión
Los descargadores y tubos de descarga a gas son dispositivos de voltage switching. Antes del disparo presentan impedancia muy alta. Cuando la tensión supera una determinada condición de ruptura, pasan rápidamente a un estado conductivo, muchas veces con tensión residual relativamente baja, sostenida por un arco o descarga gaseosa. Este comportamiento se parece al de un interruptor que cierra durante la sobretensión.
La ventaja es la elevada capacidad de conducción de corriente impulsiva, especialmente en aplicaciones de entrada de instalación y DPS Tipo 1. La desventaja es la necesidad de controlar la corriente subsecuente de la red, es decir, la corriente de frecuencia industrial que puede continuar circulando después de que termina la sobretensión. Por eso son críticos parámetros como capacidad de extinción de corriente subsecuente, coordinación con protección aguas arriba y soportabilidad al cortocircuito.
Componentes limitadores de tensión
Los varistores MOV y diodos TVS/avalancha son dispositivos de voltage limiting. No “cierran” como un interruptor ideal. Su corriente crece de forma fuertemente no lineal cuando la tensión alcanza una región de conducción. El resultado es el recorte de la tensión en un nivel dependiente de la corriente, de la energía del pulso, de la temperatura y de la tecnología del componente.
La ventaja es la velocidad de respuesta y, en general, la ausencia de corriente subsecuente sostenida como en los descargadores. La desventaja es que estos componentes disipan energía internamente y envejecen por esfuerzo térmico, pulsos repetitivos y sobretensiones temporales.
Descargadores: ruptura dieléctrica y arco controlado
El descargador es el elemento más clásico de protección contra sobretensiones de alta energía. Consiste en dos o más electrodos separados por un medio dieléctrico, normalmente aire o gas, con geometría diseñada para soportar la tensión de operación continua y disparar cuando el campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del medio.
En régimen normal, la distancia entre electrodos impide una conducción significativa. Durante una sobretensión, aumenta el campo eléctrico en el espacio. Al alcanzar la condición de ruptura, los electrones libres son acelerados, chocan con moléculas neutras y generan ionización adicional. Este proceso de multiplicación forma un canal conductor. A partir de ahí, la tensión entre electrodos cae hasta una tensión de arco relativamente baja mientras la corriente impulsiva atraviesa el descargador.
La dinámica del descargador puede dividirse en cuatro fases:
- Prerruptura: campo elevado, pero sin canal conductor estable.
- Ruptura: formación rápida de avalancha de portadores e inicio de la descarga.
- Arco: canal ionizado de baja impedancia que conduce la corriente de impulso.
- Extinción: el canal pierde ionización y el dispositivo vuelve al estado aislante.
El punto sensible es la extinción. En una instalación de baja tensión, después del impulso, la propia red puede alimentar la descarga. Esta corriente subsecuente no es la sobretensión; es corriente de la fuente de alimentación sosteniendo el arco. Por eso, los descargadores modernos incorporan cámaras de extinción, geometrías que alargan o dividen el arco, materiales resistentes a la erosión y mecanismos de limitación de corriente subsecuente.
En DPS Tipo 1, el descargador es valioso porque puede conducir corrientes con forma 10/350 µs, de alta carga y energía específica. Como contrapartida, su coordinación con fusibles, disyuntores, dispositivos diferenciales y DPS aguas abajo debe verificarse y no suponerse.
Tubos de descarga a gas, GDT
El tubo de descarga a gas, o GDT, es un descargador encapsulado. Dos o tres electrodos se sellan en una cápsula cerámica o vítrea que contiene gas a presión y composición controladas. Mientras la tensión permanece por debajo de la tensión de disparo, el GDT presenta resistencia de aislamiento extremadamente alta y capacitancia muy baja. Por eso es común en líneas de telecomunicaciones, datos, instrumentación y protección de señales, donde la capacitancia parásita no puede degradar la transmisión.
Cuando la tensión aplicada supera el umbral de ignición, el gas se ioniza y el componente entra en conducción. La tensión en los terminales cae hasta la tensión de arco o de descarga luminiscente, permitiendo conducir corrientes impulsivas relativamente altas para el volumen físico del dispositivo.
Hay tres características importantes:
- Tensión dinámica de disparo: cuanto mayor sea la pendiente del frente de onda, mayor puede ser la tensión instantánea necesaria para disparar. Esto ocurre porque la ionización necesita un tiempo finito.
- Baja capacitancia: hace atractivo al GDT para señales de alta frecuencia en comparación con muchos semiconductores de protección.
- Corriente subsecuente: en circuitos capaces de suministrar suficiente corriente continua o alterna, el GDT puede continuar conduciendo después de la sobretensión y requerir coordinación o elementos auxiliares.
Por estas razones, los GDT aparecen frecuentemente en arreglos híbridos: el GDT conduce la parte de alta energía con baja capacitancia, mientras MOV o TVS reducen la tensión residual y mejoran la velocidad de recorte.
Varistores MOV: conducción no lineal en óxido metálico
El varistor de óxido metálico, normalmente basado en ZnO, es el elemento más común en DPS Tipo 2 de baja tensión y en muchas protecciones Tipo 3. Su comportamiento se debe a la microestructura cerámica. El material está formado por granos semiconductores de óxido de zinc separados por regiones de borde de grano con características de barrera. No se comporta como un resistor lineal; su curva tensión-corriente es altamente no óhmica.
Una aproximación clásica para la región de conducción es:
I = k · V^α
donde α es el coeficiente de no linealidad. Cuanto mayor es α, más abrupta es la transición entre el estado de baja fuga y el estado conductivo. En régimen normal, la corriente de fuga es pequeña. Durante la sobretensión, múltiples barreras de grano entran en conducción, la corriente crece rápidamente y la tensión queda limitada a una tensión residual dependiente de la corriente impulsiva.
El MOV tiene respuesta muy rápida, pero la energía se disipa dentro del propio volumen cerámico. El calentamiento ocurre por efecto Joule y puede agravarse por repetición de pulsos, sobretensión temporal, envejecimiento de las barreras y aumento progresivo de la corriente de fuga. El modo de falla crítico es la inestabilidad térmica: aumenta la temperatura, aumenta la corriente de fuga, crece la disipación y el proceso puede realimentarse.
Por este motivo, los DPS basados en MOV normalmente incorporan desconectadores térmicos, indicadores de estado y, según el diseño, coordinación con protección contra sobrecorriente. La norma de producto trata expresamente el comportamiento frente a sobrecarga, desconectadores, indicadores, TOV y modos de falla.
En aplicaciones, el MOV es excelente para limitar sobretensiones 8/20 µs y formar DPS Tipo 2. También puede aparecer en DPS Tipo 1 combinados, pero cuando la aplicación exige conducir corriente parcial de rayo con forma 10/350 µs, la arquitectura debe diseñarse y ensayarse específicamente para ello.
Diodos TVS y de avalancha: protección fina de semiconductores
Los diodos TVS, frecuentemente llamados diodos de avalancha en aplicaciones de sobretensiones, utilizan una unión semiconductora diseñada para operar de forma controlada en la región de ruptura inversa. Cuando la tensión inversa supera el valor especificado, la unión comienza a conducir intensamente y limita la tensión aplicada al circuito protegido.
El mecanismo puede involucrar efecto Zener, avalancha o una transición entre ambos, según la tensión de ruptura y el perfil de dopaje. A tensiones más bajas, el tunelamiento Zener es más relevante; a tensiones más altas domina la multiplicación por avalancha, en la que portadores acelerados por el campo eléctrico generan nuevos pares electrón-hueco por ionización de impacto.
El TVS es extremadamente rápido y ofrece baja tensión residual en comparación con GDT y muchos MOV. Por ello resulta adecuado para protección fina de interfaces electrónicas, alimentaciones de baja energía, líneas de comunicación, entradas de sensores y circuitos digitales. La limitación es la energía soportable. Un TVS no sustituye un DPS de entrada frente a corrientes de rayo; es una etapa final de protección.
Tres parámetros deben observarse en circuitos de señal:
- Tensión inversa máxima de trabajo: debe quedar por encima de la máxima tensión normal del circuito.
- Capacitancia: puede degradar señales rápidas, buses diferenciales y RF.
- Tensión de recorte: debe ser compatible con la soportabilidad de la interfaz protegida.
En protección de datos, es común combinar GDT para mayor energía, impedancia serie o elemento de desacoplamiento, y TVS próximo al equipo para reducir la tensión residual final.
Arquitecturas híbridas: por qué combinar tecnologías
Ningún componente resuelve simultáneamente todos los requisitos. El descargador soporta alta energía, pero tiene disparo menos preciso y puede exigir control de corriente subsecuente. El GDT tiene baja capacitancia, pero puede presentar tensión dinámica de disparo alta. El MOV es rápido y robusto, pero envejece por energía y TOV. El TVS es muy rápido y preciso, pero soporta menos energía.
Por eso, muchos DPS reales son híbridos. Un arreglo típico distribuye funciones:
- Primera etapa: descargador o GDT para derivar alta corriente.
- Etapa intermedia: MOV para limitar la tensión a un nivel compatible con la instalación.
- Etapa fina: TVS para proteger semiconductores sensibles.
- Desacoplamiento: inductancias, resistencias, impedancias de línea o separación física para garantizar coordinación energética.
La coordinación energética significa que cada etapa debe conducir únicamente la porción de energía para la cual fue diseñada. Si la etapa fina actúa antes que la etapa de potencia, puede destruirse. Si la etapa de potencia presenta tensión residual demasiado alta, puede fallar el equipo protegido. Si no hay suficiente desacoplamiento, los dispositivos pueden competir entre sí en lugar de cooperar.
¿La instalación exige combinar Clase I, II, III o tecnologías diferentes en varios cuadros?
El Proyecto de Medidas de Protección contra Sobretensiones (MPS) transforma la selección de MOV, descargadores, GDT y etapas de protección en una arquitectura coordinada con la instalación eléctrica, la puesta a tierra, la equipotencialización, el SPDA y las cargas protegidas.
Parámetros eléctricos que conectan componente y norma
La selección técnica de DPS no debe basarse únicamente en “kA” del catálogo. Los parámetros relevantes describen diferentes limitaciones físicas y normativas.
- Uc: tensión máxima continua que puede permanecer aplicada al DPS sin conducción indebida o envejecimiento acelerado.
- Up: nivel de protección de tensión en los terminales del DPS durante el ensayo especificado. Debe compararse con la soportabilidad del equipo y la categoría de sobretensión.
- Iimp: corriente de impulso 10/350 µs, asociada a DPS Tipo 1 y corriente parcial de rayo.
- In: corriente nominal de descarga 8/20 µs, asociada a DPS Tipo 2 y ensayos repetitivos.
- Uoc: tensión de circuito abierto del generador de onda combinada, asociada a DPS Tipo 3.
- ISCCR: capacidad de soportar corriente de cortocircuito prevista en coordinación con la protección aguas arriba.
- TOV: soportabilidad a sobretensiones temporales en frecuencia industrial, condición crítica para MOV y seguridad de falla.
- Corriente subsecuente: relevante para descargadores y GDT, pues indica la capacidad de interrumpir la corriente de la propia red después del impulso.
En instalaciones reales, la inductancia de los conductores de conexión puede aumentar la tensión que realmente ve el equipo. Incluso un DPS con buen Up puede ofrecer protección deficiente si se instala con cables largos, grandes lazos o una puesta a tierra/equipotencialización inadecuada. En sobretensiones con alta tasa de crecimiento de corriente, pocos centímetros de conductor ya añaden una caída inductiva relevante.
Desconectadores, ISCCR, corriente subsecuente e indicador de estado
La ABNT NBR IEC 61643-11 trata el DPS como un conjunto completo y no solo como el componente no lineal principal. El producto puede incorporar o exigir desconectadores internos, externos o ambos, con funciones térmicas, de corriente de fuga y de sobrecorriente. Esto es esencial porque un MOV degradado puede entrar en inestabilidad térmica y un DPS sometido a una falla puede necesitar desconectarse de la red antes de que se establezca una condición peligrosa.
El ISCCR representa la corriente de cortocircuito prevista máxima para la cual se establecen las características nominales del DPS asociado al desconectador especificado. Por tanto, la tecnología interna y el dispositivo de respaldo forman parte de la misma condición de seguridad. En DPS conmutadores también puede ser relevante la corriente subsecuente If y su capacidad nominal de interrupción Ifi, porque la propia fuente puede seguir alimentando el camino conductivo después del impulso.
La norma también exige indicación del estado operativo. Esta indicación puede ser local y, en determinados productos, complementarse mediante un contacto de salida para supervisión remota. El indicador informa que el dispositivo o parte de él dejó de cumplir su función, pero no identifica por sí solo la causa de la falla. TOV, corriente superior a la capacidad, degradación acumulativa, cortocircuito disponible, error de aplicación y problemas de puesta a tierra o equipotencialización deben investigarse por separado.
En dispositivos multipolares, la corriente total de descarga ITotal también puede ser relevante, especialmente cuando varios modos de protección conducen simultáneamente y el conjunto participa de la equipotencialización asociada a descargas atmosféricas.
Modos de falla y envejecimiento
Todo DPS debe tratarse como componente sujeto a envejecimiento. Los mecanismos varían según la tecnología.
MOV tienden a degradarse por pulsos repetidos, TOV, calentamiento y aumento de corriente de fuga. El diseño debe prever desconexión térmica o un modo de falla seguro.
Descargadores sufren erosión de electrodos, alteración de la geometría de disparo y desgaste por arco. La capacidad de extinción y la soportabilidad a múltiples impulsos son puntos críticos.
GDT pueden sufrir variación de la tensión de disparo por envejecimiento, contaminación interna, desgaste de electrodos y cantidad acumulada de descargas.
TVS puede fallar en cortocircuito, circuito abierto o por alteración paramétrica cuando se somete a energía superior a la especificación. En interfaces críticas, la protección en cascada es más segura que depender exclusivamente del semiconductor.
Indicadores visuales, contactos remotos, inspecciones periódicas y ensayos apropiados forman parte de la estrategia de disponibilidad. En sistemas críticos, la protección contra sobretensiones debe mantenerse como subsistema de seguridad y continuidad operativa, no como accesorio desechable.
¿Hay DPS con indicación de falla, degradación recurrente o equipos dañándose incluso después de sustituciones?
La Inspección, Diagnóstico y Adecuación de DPS y MPS investiga TOV, Uc, respaldo, cortocircuito disponible, estado de los dispositivos, puesta a tierra, equipotencialización, coordinación y modificaciones de la instalación para distinguir el fin de vida del componente de una causa sistémica.
Integración con ZPR, puesta a tierra y equipotencialización
El concepto de Zonas de Protección contra Rayos — ZPR organiza la instalación en fronteras de distinta severidad electromagnética. En las fronteras entre zonas, conductores metálicos, líneas de energía y líneas de señal deben equipotencializarse directa o indirectamente mediante DPS adecuados. Esta lógica evita que la sobretensión atraviese la instalación buscando camino a través de los equipos.
La protección efectiva depende de tres pilares:
- DPS correcto: tecnología, clase de ensayo y parámetros compatibles con el punto de instalación.
- Coordinación: etapas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3 actuando en una secuencia energética coherente.
- Instalación física: conexiones cortas, equipotencialización adecuada, baja inductancia y respeto al esquema de puesta a tierra.
Sin equipotencialización adecuada, el DPS puede conducir corriente pero no necesariamente limitar la diferencia de potencial en el punto que importa. En protección contra sobretensiones, el layout eléctrico forma parte del componente.
¿El DPS es correcto en catálogo, pero la referencia de PE, BEP/BEL o el sistema de puesta a tierra no está técnicamente caracterizado?
El Proyecto de Puesta a Tierra permite verificar continuidad, equipotencialización y caminos de corriente asociados a la protección contra sobretensiones, compatibilizando esta infraestructura con el proyecto eléctrico y las MPS.
Conclusión
El DPS es un sistema de ingeniería condensado en pocos centímetros: física de descargas, semiconductores, materiales cerámicos, coordinación de aislamiento, compatibilidad electromagnética, puesta a tierra y normas de ensayo convergen en el mismo dispositivo.
Descargadores y GDT actúan por ruptura dieléctrica y formación de un canal ionizado, por lo que son adecuados para altas corrientes y etapas de entrada. Los varistores MOV actúan por conducción no lineal en barreras de grano, ofreciendo buena capacidad de limitación en baja tensión, pero exigiendo control de envejecimiento y TOV. Los diodos TVS/avalancha protegen el nivel más sensible, con respuesta muy rápida y baja tensión residual, aunque con menor capacidad energética.
La protección robusta rara vez depende de un único componente. Nace de la coordinación entre tecnologías, del cumplimiento de parámetros normativos y de una instalación que preserve baja impedancia impulsiva. En sobretensiones, el detalle físico decide el desempeño eléctrico.
Nota técnica: el dimensionamiento y la instalación de DPS en cuadros energizados deben ser realizados por profesional habilitado, con evaluación del esquema de puesta a tierra, corriente de cortocircuito prevista, categoría de sobretensión, coordinación con protecciones aguas arriba y requisitos normativos aplicables.
Referencias técnicas
[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR IEC 61643-11 — Dispositivos de protección contra sobretensiones de baja tensión — Parte 11: requisitos y métodos de ensayo. Consulte la versión vigente en el Catálogo ABNT.
[2] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC 61643-11 — Low-voltage surge protective devices — Requirements and test methods for SPDs connected to low-voltage power systems. Consulte la publicación oficial en la IEC Webstore.
[3] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC 62305-4 — Protection against lightning — Electrical and electronic systems within structures. Consulte la publicación oficial en la IEC Webstore.
[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5410 — Instalaciones eléctricas de baja tensión. Consulte la edición vigente en el Catálogo ABNT.
[5] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5419 — Protección contra descargas atmosféricas. Consulte la serie vigente en el Catálogo ABNT.
Preguntas frecuentes
Los descargadores actúan por ruptura dieléctrica y conducen corrientes impulsivas elevadas; los MOV limitan tensión por conducción no lineal y son comunes en DPS de baja tensión; los diodos TVS ofrecen protección fina y rápida para circuitos electrónicos, pero con menor capacidad energética.
El GDT es un tubo de descarga a gas que permanece con alta impedancia en régimen normal y conduce cuando la tensión provoca ionización del gas. Su baja capacitancia lo hace especialmente útil en telecomunicaciones, datos e instrumentación.
Cada etapa enfrenta niveles de energía y requisitos de limitación diferentes. La arquitectura puede combinar elementos de alta capacidad de corriente con componentes de menor tensión residual para obtener coordinación energética entre entrada, distribución y protección fina.
Sí. Pulsos repetitivos, sobretensiones temporales y calentamiento pueden modificar sus características y aumentar la corriente de fuga. Por eso, los DPS basados en MOV normalmente incorporan mecanismos de desconexión térmica e indicación de estado.
No. El desempeño también depende de la impedancia de las conexiones, del esquema de puesta a tierra, de la equipotencialización y de la coordinación entre etapas de protección. Un DPS correctamente especificado puede proteger mal si se instala con conexiones inadecuadas.
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