La protección de circuitos no tiene por qué ser complicada, pero los distintos casos de uso y entornos requieren diseños e ingeniería más inteligentes para garantizar que la electrónica, las computadoras y la maquinaria delicadas de hoy en día no se quemen durante eventos de sobrecorriente. (Imagen cortesía de Carling.)

La electrónica de nuestros dispositivos, maquinaria e infraestructuras se ha vuelto más pequeña, más compleja y más delicada. Si bien esta tendencia hacia la miniaturización nos ha permitido incorporar dispositivos más potentes, inteligentes y rápidos en casi todo, también ha hecho que nuestros dispositivos sean más sensibles a picos de energía impredecibles y otros eventos de sobrecorriente.

No son solo los productos electrónicos de consumo o el cableado doméstico los que necesitan protección. Desde la electrificación de los Estados Unidos de América en el sigloXIX , la electrificación y la consiguiente automatización de nuestras fábricas y líneas de montaje —y, en las últimas décadas, de los enormes centros de datos— no han dejado de crecer. En conjunto, estas demandas de energía eléctrica han superado lo que cualquiera en el siglo XIX hubiera podido predecir. Este crecimiento sin precedentes en el uso de energía —desde nuestras PC domésticas hasta los PLC de nuestras fábricas— requiere una protección confiable contra la sobrecorriente para garantizar el modo de vida de nuestros ciudadanos, así como la productividad de nuestras economías.

Los entornos de alto voltaje y alto amperaje pueden ser peligrosos para los trabajadores. La protección de circuitos no solo protege los activos que consumen energía, sino que también protege vidas.

Entre las muchas vulnerabilidades de la electrónica moderna, dos eventos de sobrecorriente son los más comunes. Uno de los eventos de sobrecorriente más frecuentes es el cortocircuito. Un cortocircuito ocurre cuando se forma un bucle desde la fuente de alimentación de vuelta a sí misma, en el que actúa poca o ninguna impedancia sobre la corriente. Esto convierte el circuito en un bucle de retroalimentación positiva, en el que los electrones del circuito resuenan y se vuelven cada vez más energizados con el tiempo. La única salida para esta energía creciente es transformarla en energía térmica. Este aumento de calor puede dañar la electrónica y los circuitos sensibles, e incluso provocar explosiones.

El segundo evento de sobrecorriente más común son los picos de energía. Estos ocurren cuando se añaden a un circuito aumentos anormales de corriente que superan la carga de corriente prevista para la que fue diseñado el circuito. Un ejemplo de esto es la caída de un rayo cerca de una infraestructura eléctrica.

Además, la protección contra eventos de sobrecorriente no solo busca proteger la electrónica o la maquinaria industrial; también busca proteger a los trabajadores y usuarios. Es decir, la protección de circuitos también actúa como una medida de seguridad para garantizar la integridad de personas como los trabajadores de fábricas, los consumidores y quienes se encuentran cerca. Los eventos de sobrecorriente pueden provocar explosiones, incendios y superar niveles de amperaje que el cuerpo humano no puede soportar. En caso de una sobrecorriente energizada, la protección de circuitos es la última línea de defensa contra lesiones o accidentes potencialmente mortales.

Cómo Funciona la Protección de Circuitos

La protección de circuitos se basa en la idea de diseñar un punto débil a lo largo de un circuito, de modo que los eventos de sobrecorriente que superen una corriente umbral activen un disyuntor o interruptor para abrir el circuito y detener la corriente.

Los fusibles se encontraban entre los primeros métodos de protección de circuitos ampliamente aceptados. Por lo general, los fusibles son piezas o tiras delgadas de metal con un punto de fusión cercano a las temperaturas que produciría su resistencia con una cantidad inaceptable de corriente. La energía térmica generada por la corriente hace que el fusible metálico se derrita y abra el circuito, deteniendo toda la corriente. Aunque los fusibles cumplen bien su función, su diseño relativamente simple puede variar en eficacia según el caso de uso específico. A veces es necesario utilizar métodos de protección de circuitos más complejos que ofrezcan ventajas en casos de uso más complicados.

Aquí entran en juego los disyuntores.

Los disyuntores fueron diseñados como una fuente más confiable de protección para circuitos y electrónica. Un disyuntor contiene múltiples piezas que pueden ser calibradas por los usuarios o fabricantes para satisfacer las necesidades de cada caso de uso individual, en lugar de depender de la resistividad de una fina tira de metal, como hace un fusible. El diseño de los disyuntores puede variar según los usos y condiciones, pero la idea general es que un componente se ve afectado por la corriente (monitoreándola), mientras que otro componente (a veces conocido como actuador) interrumpe el circuito en caso de sobrecorriente.

Hardware Moderno Disponible

Existen tres corrientes principales de hardware moderno utilizado para la protección de circuitos frente a eventos de sobrecorriente: hidráulico-magnético, térmico y de fuga (a veces conocido como falla a tierra).

Los disyuntores hidráulico-magnéticos están compuestos por un componente hidráulico y uno magnético. Utilizan la teoría del electromagnetismo que rige los solenoides y las varillas de núcleo de hierro para controlar el flujo de electricidad a través del solenoide a medida que la varilla de núcleo de hierro rodeada por el solenoide se mueve. El tiempo de reacción de estos disyuntores depende de la viscosidad del líquido utilizado, que actúa como medio entre la varilla de núcleo de hierro y el solenoide. Cuanto más viscoso sea el líquido utilizado, mayor será el umbral para un evento de sobrecorriente.

Un disyuntor hidráulico-magnético simple mientras la corriente se encuentra en valores nominales o inferiores. (Imagen cortesía de Carling Electronics.)

Los disyuntores térmicos utilizan tiras bimetálicas y emplean un proceso similar al que se encuentra en los termostatos. Los dos metales de la tira responden de manera diferente a las condiciones térmicas, y uno de ellos se expande más rápido que el otro. Esto hace que la tira se doble hacia el lado que se expande más lentamente, y abre el circuito si la corriente está generando demasiado calor.

Una colección de disyuntores térmicos, incluida la serie CMB, que tiene una capacidad máxima de interrupción de 2500A a 32VCC. (Imagen cortesía de Carling.)

Los disyuntores de fuga de equipos y de falla a tierra utilizan mediciones de la fuerza electromotriz (FEM). Las corrientes de entrada y salida producen FEM que son iguales en magnitud pero opuestas en signo (positivo o negativo). Durante el flujo normal, la suma de la entrada y la salida se cancelan entre sí, y el circuito permanece cerrado. En caso de sobrecorriente, una de esas FEM sería mayor que la otra, lo que resulta en una FEM neta distinta de cero que se detecta y activa la apertura del circuito.

Una imagen de un interruptor de la serie PC que combina las mejores características de un interruptor diferencial con un disyuntor normal. (Imagen cortesía de Carling.)

Cada tipo de disyuntor moderno tiene sus ventajas y desventajas, y ofrece soluciones para diferentes casos de uso. Al elegir un tipo de protección de circuitos, es mejor comprender los pros y los contras de cada tipo para determinar cuál satisface las condiciones del caso de uso. Por ejemplo, los disyuntores térmicos no son ideales para lugares con temperaturas ambientales demasiado altas o demasiado bajas, que pueden provocar activaciones falsas (temperatura demasiado alta) o hacer que el disyuntor nunca se active (temperatura demasiado baja).

La electrónica y la maquinaria en entornos hostiles necesitan soluciones de protección de circuitos que no fallen bajo esas condiciones. Por ejemplo, si las condiciones son subacuáticas o el aire tiene una alta concentración de partículas, entonces un disyuntor certificado como sellado en el panel y la palanca funcionaría mejor.

En situaciones no supervisadas, donde la electrónica o la maquinaria no está siendo observada por usuarios o trabajadores, la protección de circuitos también es muy importante. En tales casos, los eventos de sobrecorriente pueden pasar desapercibidos durante períodos prolongados, lo que puede provocar daños en unidades y circuitos costosos, así como el inicio y la propagación de incendios. Un ejemplo de esta situación sería el creciente número de matrices en las instalaciones de energía solar. No es raro que los ingenieros de estas matrices depositen su confianza en los disyuntores hidráulico-magnéticos debido a su capacidad para resistir temperaturas extremas mejor que los disyuntores bimetálicos. Sin embargo, debido a las condiciones a menudo extremas en las que se pueden instalar los paneles solares, se necesita un diseño adicional para evitar el sobrecalentamiento provocado por la presencia de arcos eléctricos tras la interrupción del circuito.

El primer paso hacia una protección de circuitos más inteligente es investigar qué disyuntor ofrece la mejor solución. Para cualquier caso de uso o condición ambiental, es probable que exista un disyuntor que reduzca los costos, disminuya la probabilidad de fallos críticos, aumente la seguridad y cumpla con cualquier norma y certificación regional. Además, así como nuestras máquinas y dispositivos electrónicos son cada día más inteligentes y mejores, las tecnologías y el ingenio detrás de la protección de circuitos también están creciendo, ¡así que estén atentos a nuevos avances!

Para obtener más información sobre los componentes de protección de circuitos de Carling, visite https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

OnlineComponents.com ha patrocinado esta publicación. Todas las opiniones son mías. --Mitchell Gracie