Princípios básicos da proteção contra surtos para entrada de sinais

Um Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS) para proteção de entrada de sinais¹ tem o mesmo princípio de funcionamento de um DPS para entrada de energia. Todo DPS é uma chave aberta que após a diferença de potencial em seus terminais atingir um determinado valor se transforma em uma chave fechada conduzindo a corrente de surto de forma segura para, em princípio, o sistema de aterramento, sem danificar os Equipamentos de Tecnologia da Informação (ETI)²
A principal diferença entre os DPSs de energia e de sinal é a frequência da corrente em regime conduzida por ambos. A corrente elétrica dos sistemas de energia tem frequência zero para sistemas de corrente continua e 60Hz nos sistemas em corrente alternada (Em alguns países 50Hz). As correntes de sinal têm frequência que chegam até a faixa de Giga-hertz (GHz). Ao ser percorrido por correntes de frequência elevada os DPSs passam a apresentar reatâncias capacitivas e indutivas que são desprezíveis para correntes com frequência menores que 1 KHz. Desta forma o projetista deve especificar o DPS de sinal levando em conta qual a frequência do sinal que é transmitido na linha que será protegida, sob pena de proteger o equipamento, mas inviabilizar a transmissão porque a atenuação provocada pelo DPS é superior à que o sistema de transmissão pode aceitar.
A maneira mais fácil de enfrentar este desafio é verificar junto aos fabricantes do DPS qual o modelo adequado para determinado sistema de sinal.

Componentes de um DPS

Na fabricação de um DPS são utilizados centelhadores, varistores ou diodos. Cada um destes elementos têm características positivas e negativas em relação às necessidades de um DPS, resultando na impossibilidade de um único destes três elementos poder ser utilizado em todos os inúmeros modelos de DPSs.
Estes componentes possuem os mesmos princípios de funcionamento, mas características elétricas (Resistências, indutâncias e capacitâncias) diferentes.
Por isso a utilização destes componentes na fabricação de DPSs para sinais é muito mais restrita do que na fabricação de DPSs para energia.
O circuito básico de um DPS para sinal compreende um centelhador, uma impedância (Um resistor ou indutor) em série para o desacoplamento3 e um diodo avalanche (Figura 1).

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Figura 1. Diagrama de um DPS de dois estágios: (1)Centelhador / (2) Desacoplador; 1/2 Terminais de entrada e 3/4 terminais de saída.

Devido a sua relativamente alta capacitância os varistores normalmente não são utilizados na fabricação de DPS para sinais ou são utilizados apenas em DPS instalados em sistemas de menor frequência (≤kHz).
Além da impedância dos seus componentes não lineares, o layout, o involucro, os condutores internos e o processo de fabricação determinam a impedância total de um DPS.
Se forem utilizadas resistências no desacoplamento eliminam-se as indutâncias e consequentemente pode-se trabalhar com sinais de maior frequência. Com a utilização de indutores, existe uma indutância que reduz a frequência de transmissão permitida, mas permite a condução de sinais de maior intensidade, já que para a frequência de trabalho a queda de tensão no indutor será menor do que em um resistor com a mesma função.

Especificação

A escolha do DPS adequado para a proteção de uma entrada de sinal4 depende de vários fatores, mas o mais crítico é o tipo de sinal ou o protocolo do sistema. Diferentes tipos de sinal têm tensão, corrente e frequência especificas.
Existem vários sistemas de transmissão como redes em estrela, sistema de telefonia analógica e digital, interfaces RS232 e RS485 e redes ethernet categoria 6.
Cada um destes sistemas é padronizado por normas técnicas que determinam sua tensão de trabalho e sua frequência de transmissão. O projetista deve procurar o DPS, que seja, ao mesmo tempo, compatível com o sistema de transmissão, com capacidade de condução da corrente de surto e nível de proteção adequados ao ETI. Caso contrário o equipamento estará protegido, mas o sistema não conseguirá comunicar-se ou o sistema funcionará corretamente, mas os DPSs especificados não protegerão os equipamentos.
Entre as características mais importantes dos sistemas de transmissão, devemos prestar atenção nos parâmetros a seguir:

  • Perda por inserção (a/dB) – Atenuação do sistema desde a entrada até a saída. Mostra a função de transferência do sistema e o ponto de 3 dB.
  • Perda por retorno (dB) – Parâmetro que indica em dB a perda de potência de entrada devido à reflexão. Em sistemas bem ajustados, este valor é de aproximadamente 20 dB, sendo
    ele particularmente importante em sistemas com antenas.
  • Frequência limite (Fg) – A frequência limite descreve o comportamento do DPS em função da frequência. As propriedades capacitivas e/ou indutivas dos componentes atenuam o sinal em caso de frequências demasiadamente altas. O ponto crítico se denomina frequência limite Fg.

A partir deste ponto o sinal já perdeu 50% (3dB) de sua potência de entrada. A frequência limite é determinada como função de critérios de medição definidos. Normalmente quando não se tem nenhum dado, refere-se aos chamados sistemas 50Ω.

Os DPSs para sinal são classificados em proteção básica, média ou fina, dependendo da sua localização entre as zonas de proteção contra raios (ZPR) e a distância ao equipamento protegido.
A proteção básica é utilizada na transição entre as ZPR0B→1, e os DPS são ensaiados na curva 10/350µS não podendo ser instalados junto aos ETIs devido ao seu nível de proteção maior que a suportabilidade dos equipamentos.
A proteção fina é aquela utilizada na transição entre as ZPR1→3, e os DPS são ensaiados na curva 8/20µS, devendo ser instalados junto aos ETIs.
A proteção média é uma combinação entre as duas formas anteriores de proteção, podendo ser instalada entre qualquer ponto entre as ZPR0B→3. Os DPS para esta aplicação podem ser instalados em qualquer fronteira entre as ZPRs.
Outros fatores importantes são o tipo de conector, o espaço disponível para instalação do DPS e a distância do condutor de equipotencialização do DPS. É fundamental que o condutor de proteção do DPS seja interligado ao equipamento e vice-versa e apenas um deles, DPS ou equipamento esteja aterrado, e nunca os dois individualmente.

Instalação do DPS

Uma dúvida comum na proteção de ETIs é onde o DPS deve ser instalado. Em um sistema de vídeo, por exemplo, um DPS de sinal deve ser instalado junto à câmera e outro junto ao receptor ou gravador de imagens. A ausência de um destes DPS em um dos ETIs não compromete a proteção do outro, porque a DPS protege individualmente o equipamento onde ele se encontra.
Como qualquer dispositivo, o DPS deve ser instalado corretamente para proteger os ETIs sem interferir com o funcionamento do sistema.
Os DPS de sinal devem ser conectados às portas destes equipamentos e aterrados nos próprios ETIs (Figura 2). Para que isto seja possível, estes DPSs devem ter conexões adequadas ou o formato de conectores (Figura3), para facilitar a conexão e permitir o melhor posicionamento junto aos ETIs.
A atenção com a instalação deve-se principalmente aos motivos abaixo:

  1. Comprimentos adicionais dos cabos podem introduzir impedâncias suficientes para a atenuação do sinal além do limite permitido;
  2. A instalação do DPS distante do ETI pode fazer com que a tensão entre os terminais do DPS e do ETI sejam diferentes e o DPS não atue adequadamente;
  3. Se as conexões entre o DPS e o ETI forem diferentes, serão necessários adaptadores que acrescentam atenuação ao sistema e custos adicionais.
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Figura 2. Instalação de um DPS de sinal
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Figura 3. DPS para cabos coaxiais com conector DS-F W/W 

Os erros mais comuns na especificação ou instalação de um DPS de sinal.

  • Não considerar a frequência de transmissão do DPS;
  • Não verificar o tipo de conector do ETI;
  • Não instalar o DPS de sinal junto ao ETI;
  • Não aterrar o DPS no terminal de aterramento do ETI;
  • Instalar o DPS apenas no transmissor ou no receptor.

Conclusão

Para a proteção de ETIs contra surtos de tensão é necessária a atuação em conjunto dos fornecedores dos ETIs, dos profissionais da proteção contra surtos e o responsável pela operação dos sistemas.
Sem as informações corretas sobre as características de frequência de transmissão, origem e destino dos condutores e suportabilidade dos ETIs, torna-se difícil especificar as Medidas de Proteção contra Surtos (MPS)5 adequadas.
Mais importante ainda é obter um comprometimento do fornecedor dos ETIs com as MPSs necessárias para reduzir a vulnerabilidade do sistema de transmissão, evitando que futuramente que a queima ou mau funcionamento destes equipamentos devido a um surto de tensão seja considerado inevitável.

Notas

  • Condutores de sinal conduzem corrente elétrica destinada a transmitir informação ao invés de energia;
  • Equipamento de Tecnologia da Informação (ETI). Ver item 3.3.4 da NBR 5410- 2004, Instalações elétricas de baixa tensão;
  • Como os centelhadores, varistores e diodos respondem às sobretensões em tempos diferentes, é necessário coordenar a atuação destes elementos quando no mesmo DPS, para garantir que o componente de maior capacidade de absorção de energia atue primeiro;
  • A especificação dos DPS para energia foi objeto de artigos anteriores neste portal;
  • As Medidas de Proteção contra Surtos (MPS) estão definidas na parte 4 da norma ABNT NBR5419-2015, Proteção contra Descargas Atmosféricas

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