CAPITULO QUARTO
PROTEÇÃO ELÉTRICA DE TERMINAIS TELEFONICOS
Introdução
A eletronização de terminais telefônicos e de outros equipamentos terminais empregados em telecomunicações assim como de equipamentos de dados que utilizam, em escala crescente, circuitos integrados e microcircuitos, tornou estes equipamentos também mais sensíveis às sobretensões e aos transientes espúrios. Para a proteção eficiente de terminais telefônicos eletrônicos mais complexos e dispendiosos foram desenvolvidas novas técnicas e novos componentes capazes de assegurar a continuidade operacional do equipamento sujeito a sobretensões e também proteger os operadores do mesmo.
O analisamos as causas e efeitos dos transientes e alguns exemplos de possíveis soluções contra transientes de alta tensão que incidem nos terminais telefônicos eletrônicos. É mostrado também um método para a comprovação da eficiência destes circuitos.
Transientes
Os transientes são sinais com picos irregulares de tensão e com amplitudes e energias distintas, podendo ser originados por:
a. descargas atmosféricas,
b. comutação de linhas elétricas sobretudos de alta tensão, c. descargas estáticas dos operadores,
d. comutação de terminais elétricos vizinhos.
Existem ainda outras interferências como por exemplo de rádio-freqüência, que atingem os terminais telefônicos por radiação ou por condução, mas não são abordadas aqui por não danificarem o equipamento. Estas interferências causam desconforto ao usuário e eventualmente podem causar problemas de comutação como p. ex. erros de sinalização em tecladores telefônicos. Seus efeitos são geralmente reduzidos ou eliminados com auxílio de blindagens e filtragens.
Dos transientes mencionados acima as descargas atmosféricas são as maiores responsáveis por danos causados aos terminais eletrônicos e apresentam os seguintes valores:
• descargas elétricas médias de 25kA e individuais até 100 kA,
• flancos de subida de até 20kA/p.s,
• tempos médios de descida (50% do valor de pico) de algumas centenas de micro segundos, podendo atingir alguns milisegundos,
• com um bom aterramento, de resistência em torno de 1 ohm, ainda resultam quedas de tensão em torno de 25kV. As correntes de descarga atmosférica que circulam pela capa aterrada de um cabo podem originar tensões consideráveis, provenientes do componente resistivo do cabo.
As descargas atmosféricas têm, em geral, potencial negativo; apenas 10% à 15% apresentam potencial positivo. As tensões espúrias em linhas ou cabos telefônicos podem ser:
a) tensões longitudinais, que se estabelecem entre o condutor e a terra, b) tensões transversais, que aparecem entre os 2 fios da linha telefônica.
T - terra,
P - protetor (ar, gás, carvão), a/b - terminais de linha.
No caso de linhas telefônicas simétricas, que representam a maioria das linhas de assinantes, não deveriam ocorrer, em geral, tensões transversais sérias. A prática entretanto mostra o contrário como p. ex. queimaduras apresentadas pelo interruptor de gancho com o fone colocado, ocorrido após um temporal, o que evidencia a presença de tensões transversais elevadas.
Estas tensões transversais podem ser originadas por tensões longitudinais causadas por descargas atmosféricas para a terra, normalmente assimétricas, mas que podem originar diferenças de potencial entre os fios de uma linha telefônica e podem atingir os terminais telefônicos eletrônicos. Estes terminais não abrangem apenas os aparelhos telefônicos, os KS e os PABX mas também os terminais de vídeo, dados, texto e outros como p. ex. os terminais de processamento de dados.
Por outro lado uma solicitação assimétrica dos protetores contra sobretensão instalados na rede (protetores de ar, gás ou carvão) pode originar tensões transversais. Assim por exemplo no caso da falha de um dos protetores P (fig. 4.1) a tensão de descarga atua entre o outro fio e a terra e toda a tensão
longitudinal transforma-se em tensão transversal.
As tensões longitudinais tem sido mais estudadas do que as tensões transversais e as distribuições gaussianas resultantes do estudo de grande número de descargas atmosféricas indicaram valores de tempos de subida (Ts
entre 10% e 90% da tensão de pico) da ordem de 10 microssegundos e tempos de descida (TD
correspondente a 50% da tensão de pico) em torno de 1000 microssegundos, dependendo do tipo de cabo e do seu comprimento e dentro de sua dispersão com probabilidade de atingir 99,73%. Atualmente o CCITT recomenda valores médios de Ts =
10 microssegundos e TD = 700 microssegundos para fins de simulação de descargas atmosféricas em
laboratório. A figura 4.2 mostra a configuração de um transiente típico de uma descarga atmosférica.
A figura 4.3 mostra a distribuição típica da freqüência de ocorrência de sobretensões em cabos com proteção normal, podendo ser notado que neste caso somente em 10% ou em 1% dos eventos são ultrapassados valores de respectivamente 250V e 500V como tensão longitudinal.
Elementos de Proteção
Existem várias formas para a proteção de um circuito eletrônico: através da limitação da amplitude do transiente e/ou redução da declividade dos flancos de tensões espúrias que incidem no terminal telefônico. A proteção moderna contra transientes baseia-se em quatro famílias de componentes:
a. Diodos- Zener,
b. Diodos Supressores de transientes (TAZ) (Transient- Absorber- Zener), c. Varistores de oxido Metálico (SIOV),
d. Protetores a gás raro (SVP).
Os dois primeiros tipos proporcionam uma proteção primária pois limitam a amplitude do transiente a um valor seguro enquanto os dois últimos proporcionam uma proteção secundária pois são capazes de reduzir substancialmente a energia embutida no transiente.
A - Diodos-Zener
Os diodos-zener são previstos para conduzir a corrente no sentido inverso. O seu mecanismo de condução é o efeito-zener abaixo de 6V; acima deste valor ocorre a ruptura segundo o efeito-avalanche. Os diodos-zener são projetados para a limitação e estabilização de tensão, podendo conduzir, em períodos curtos, correntes de até 200A, dependendo da sua dissipação de potência.
Os diodos-zener são construídos na tecnologia planar e a sua resposta situa-se na faixa de nanosegundos.
B - Diodos Supressores-TAZ (Transistor-Absorber-Zener)
São diodos-zener modificados, desenvolvidos para operar basicamente com transientes. Eles podem conduzir correntes transientes de várias centenas de amperes com dimensões bem menores do que do diodos-zener. Devido à sua tecnologia planar especial, seu tempo de resposta é menor do que 10 picosegundos e constitui hoje o elemento de resposta mais rápida que se conhece. Os diodos-zener e os
FIGURA 4.2
diodos-TAZ são particularmente indicados para a proteção de circuitos eletrônicos, pois são os únicos elementos que proporcionam proteção abaixo de 20V.
C - Varistores de Óxidos Metálicos SIOV
Os varistores SIOV são constituídos por dois diodos ligados em antiparalelo e se comportam como resistências variáveis dependentes da tensão aplicada. A sua constituição cerâmica proporciona a manipulação de correntes elevadas. Em condições normais de operação a sua resistência é maior do que 1 Megaohm mas sob tensões transientes menores do que 25ns este valor torna-se menor do que 1 ohm.
A sua aplicação, praticamente universal, fica limitada em redes de alta freqüência devido a sua elevada capacitância que pode originar efeitos perturbadores.
D - Protetor de gás raro SVP (Surge Voltage Protector)
O SVP utiliza o princípio da descarga de gás, de alta eficiência, e substitui o antigo protetor à carvão, com entreferro de ar. No SVP, quando for excedido o nível de proteção, p. ex. uma tensão estática de 230V, origina-se um arco, em termos de nanosegundos, no interior do espaço hermeticamente selado. Conseqüentemente a resistência do protetor cai de um valor superior a 10 Gigaohm para um valor inferior a 0,1 ohm,curto circuitando a tensão transiente.
O protetor de gás raro SVP pode conduzir correntes, muito elevadas, de até 60 KA, devido à característica V/l em parte negativa do fenômeno de descarga gasosa. A tensão de arco muito baixa e independente do nível de proteção mantém a dissipação de potência do SVP dentro da faixa permissível, mesmo quando circulam correntes elevadas.
O protetor à gás raro SVP tem ampla aplicação na proteção de equipamentos eletrônicos de telecomunicações contra descargas atmosféricas.
A figura 4.4 mostra as
características V/l dos quatro elementos de proteção, em escala log-log.
A seleção de um elemento de proteção otimizado requer também o conhecimento do comportamento dos componentes com relação a tensões transientes com alto gradiente de subida. É o caso mostrado na figura 4.5.
Observa-se na figura 4.5 uma pequena sobretensão no protetor SIOV e no diodos-zener devido aos seus temos de resposta em torno de 20ns, o que não ocorre no diodos-taz, mil vezes mais rápido, e que é portanto o protetor mais rápido hoje conhecido.
Já o protetor à gás SVP mostra de novo um comportamento distinto pois, apesar da sua resposta de tensão estática ser de 230V, ele responde somente com 850V, o que representa um retardo de 62ns. Este retardo é devido ao tempo de ionização do gás. Isto comprova, ao contrário dos componentes de estado sólido, uma dependência grande do tempo de resposta em função do gradiente de tensão de subida (declividade de subida). A figura 4.6 mostra esta relação.
Observa-se na figura 4.6 que o tempo de resposta diminui com o aumento da declividade de subida da tensão do impulso transiente. Assim, para gradientes de 1kV/micro segundo o tempo de resposta é maior do que 10 micro segundos enquanto para gradientes maiores do que 50kV/micro segundos o tempo de resposta do protetor SVP se aproxima daquele dos protetores de estado sólido, em torno de 20 ns. O tempo de resposta pode ser calculado pela expressão:
FIGURA 4.4
t v
s d a
V
V
t
∆
∆
−
=
/
onde:
ta - tempo de resposta
v - tensão de resposta dinâmica (função de Av/At) D
vs - tensão de resposta estática (Av/At < 10-1V/micro segundos)
Como já foi dito anteriormente, o protetor SVP não proporciona em geral, isoladamente, proteção suficiente contra sobretensões que incidem em equipamentos terminais providos de módulos eletrônicos integrados, sendo que um circuito integrado já pode ser danificado ou destruído com transientes de duração inferior a 1 micro
segundo. Assim por exemplo impulsos
transientes com declividade de subida de 1 kV/micro segundo ainda podem transferir cerca de 700V, antes da ionização, para o circuito a ser protegido (fig. 4.6) o que pode destruí-lo antes que a ionização do gás do SVP reduza esta tensão para um valor seguro, pois neste exemplo o tempo de solicitação ainda é de aproximadamente 0,5 micro segundos.
Já os diodos-taz apresentam uma característica extremamente não linear e tempos de comutação extremamente curtos, inferiores à 10 ps.
A tensão de ruptura deve ser dimensionada de tal forma, que ela é apenas ligeiramente maior do que o maior sinal útil e menor do que a rigidez dielétrica do circuito a ser protegido.
Os diodos - TAZ são diodos de silício que apresentam, com base em métodos especiais de fabricação, propriedades como sejam:
- camada de bloqueio com grande diâmetro,
- distribuição uniforme de corrente na superfície semicondutora,
- resistê cia térmica baixa entre o cristal semicondutor e o encapsulamento. n
Devido a estas características estes diodos podem conduzir, quando sujeitos a sobretensões, correntes elevadas durante períodos de tempo curtos, geralmente de 1 micro segundo, e que são bem maiores do que nos diodos-zener. Os diodos-TAZ operados no sentido do bloqueio e selecionados cor-retamente, não afetam a operação normal do terminal telefônico; somente no caso de sobretensões no sentido de bloqueio, o diodo conduz em poucos picosegundos e forma um curto circuito a sobretensão. Com isso os diodos-TAZ são os únicos componentes de proteção suficientemente rápidos para proteger também os circuitos mais sensíveis. Assim por exemplo o diodo IN5639, que apresenta uma corrente de fuga de 5 micro amperes circulante no sentido de bloqueio, pode conduzir 60 A para uma sobretensão com duração máxima de 1ms e até 1500A para impulsos com duração não maior do que 1 micro segundo.
Os protetores de estado sólido e de gás devem apresentar a menor capacitância possível e uma alta resistência de bloqueio. É importante também que as sobrelevações de tensão originadas pelo coeficiente de temperatura positivo não afetem o circuito a proteger, no caso de uma carga elevada de impulsos.
Um aspecto importante reside ainda nas resistências ou indutâncias limitadoras de corrente ou de desacoplamento utilizadas entre os protetores contra sobretensão. Em combinação com um protetor de gás (SVP) usado na proteção grossa, a resistência limitadora também assume o desacoplamento entre este e o diodo-TAZ. A energia de sobretensão absorvida pelo protetor a gás é tanto maior quanto maior for a resistência de desacoplamento que, em geral, é a própria impedância do circuito.
Finalmente deve ser mencionado que os níveis de tensão superiores de proteção dos três componentes de estado sólido podem ser aumentados arbitrariamente por meio de ligação série.
Tabela Comparativa
A tabela 4.1 mostra os principais parâmetros médios das quatro famílias de componentes, com o objetivo de uma pré-seleção.
A figura 4.7 mostra um exemplo de proteção contra interferência atmosférica em uma linha aberta. Enquanto o SPV manipula a maior parte da corrente do transiente, os componentes de estado sólido, com a sua resposta mais rápida, suprimem o flanco até a ignição do SVP.
Diodo de Proteção contra Sobretensões (TAZ)
A operação do TAZ
nde um rcuito telefônico com carga Rc
é prote
Um diodo de proteçã
circula origina uma queda de tensão na resistência limitadora RL, que absorv
aplicada ao circuito consumidor. Cessando a sobretensão, o diodo de p resistência.
pode ser visualizada com auxílio da figura 4.8 o
ci
gido por um diodo-Zener. Sem o diodo o circuito ficaria aberto e toda a tensão (bateria + transiente) VB + VT =
50 + 600 = 650V seria aplicada à carga Rc.
Se o circuito de carga for sensível à esta tensão de 650V, então ele será danificado.
o ligado segundo o sentido do bloqueio limita esta tensão transiente. Na operação normal o diodo-zener apresenta uma resistência muito alta à corrente e a corrente de fuga é muito pequena, da ordem de 5 micro amperes, podendo ser desprezada. No caso de sobretensões, circula uma corrente pequena, até que seja ultrapassada a tensão de ruptura. O diodo-zener torna-se condutor de forma praticamente instantânea e forma um curto-circuito, mantendo porém constante o valor da tensão de ruptura. Entretanto este valor nunca cai abaixo da tensão de operação da carga e portanto não é interrompida a operação do equipamento que está sendo protegido. A maior corrente que e assim a sobrecarga que seria roteção volta a apresentar alta
Normalmente os fios das linhas telefônicas representam resistências limitadoras e, com exceção das descargas atmosféricas muito próximas (o que é raro), o isolamento e os condutores não são danificados. No exemplo da figura 4.8 o diodo de proteção limita a tensão à aproximadamente 100V.
0 comportamento limitador do diodo de proteção é ilustrado com base na figura 4.9.
Os diodos TAZ comportam-se de modo TABELA 4.1
FIGURA 4.7
semelhante aos diodos-Zener. No sentido de condução (1º quadrante) o comportamento é igual ao diodo de silício, o qual conduz com aproximadamente 0,7V; porém no caso em que for aplicada uma tensão crescente no sentido do bloqueio do diodo de proteção, circula inicialmente uma corrente muito pequena, em geral de poucos micros ampères. Somente quando a tensão atingir um determinado valor, esta corrente cresce rapidamente. A tensão correspondente denomina-se tensão de ruptura (VR). Diminuindo a tensão, a
corrente também volta ao seu valor praticamente nulo.
A variação da corrente praticamente não altera a tensão no diodo, de modo que no caso em que um diodo de proteção for ligado em paralelo com um circuito ou equipamento, fica mantida praticamente a tensão de ruptura do diodo e com isso o circuito fica protegido.
As tabelas de características de diodos ainda fornecem outros parâmetros, a saber:
VB - Tensão de Bloqueio. É a tensão na qual o
diodo ainda bloqueia. Para este parâmetro são estabelecidas correntes de p.ex. 1mA ou 10mA, dependendo do fabricante.
IBP - Corrente de Bloqueio Máxima. Corrente
máxima suportada sem danos pelo diodo. A duração desta corrente não deve ultrapassar 1 milisegundos.
VBP - Tensão de Proteção. Tensão máxima
suportada pelo diodo. Seu valor varia de 1,2 a 1,5 vezes a tensão de ruptura VR.
PP - Potência de Perda. Potência máxima
permitida no diodo durante 1ms (Pp = IBP x VBP).
Os valores típicos são de 500W e de 1.500W, podendo alcançar 60.000W.
No caso em que o equipamento for alimentado com corrente alternada, deve ser estabelecido o valor de pico que pode ocorrer. Assim, considerando flutuações (s) de até +10% na alimentação, a tensão mínima de bloqueio do diodo, para p. ex. 30V CA nominais de alimentação, deve ser:
VB = V . ef
2
.
s
= 30. 1,414. 1,1 = 47VPortanto deve ser escolhido um diodo com uma tensão de bloqueio mínima de 47V em operação normal.
A tabela 4.2 a seguir mostra alguns valores típicos de três diodos de proteção contra sobretensão (TAZ). No item 7 da tabela 4.2 o coeficiente de temperatura máximo indica o percentual de variação, por °K, da tensão de ruptura VR do diodo.
Assim por exemplo um diodo com uma tensão de
ruptura VR = 80V a 25°C
apresenta um valor VR = 90.5V
a 125°C. Para variações normais de temperatura esta variação é desprezível, porém um aumento de temperatura reduz a corrente de bloqueio máxima IBP permitida durante
1ms. Assim um aumento de temperatura de 100°C reduz esta corrente para a metade.
Circuito Equivalente
O circuito equivalente de um diodo é mostrado na figura 4.10 onde:
L - indutância dos fios de conexão (14nH/cm de fio), C - capacitância da camada de
FIGURA 4.9
bloqueio (100pF à 10nF),
R - resistência ôhmica dos fios de conexão (0,1ohm), rD - resistência dinâmica do diodo,
VR - tensão de ruptura do diodo.
A resistência dinâmica do diodo varia de acordo com a tensão aplicada (VBR) e segundo a curva característica do diodo. A
indutância dos fios de conexão pode originar tensões de curta duração, da ordem de centenas de volts, no caso de correntes transientes com tempos de subida curtos que se aplicam na entrada do circuito eletrônico a ser protegido, o que anula o efeito protetor do diodo. Logo é indispensável equipar os diodos protetores com fios de conexão curtos, de preferência encapsulados no circuito a proteger.
Por outro lado é também indesejável o efeito capacitivo da camada de bloqueio do semicondutor, pois atenua as altas freqüências e piora a simetria à terra. Quando os diodos de proteção forem ligados à um potencial de terra, a sua capacitância pode originar ruído em circuitos telefônicos no caso em que houver tensões externas nas linhas. Em linhas com sinais de corrente contínua ou freqüências de voz, as capacitâncias usuais (100pF à 10nF) não alteram ou enfraquecem o sinal mas em circuitos onde a corrente útil é de alta freqüência, é necessária a ligação série do diodo de proteção com um diodo pobre em capacitância.
Sobrecarga
Ao contrário de outros elementos de proteção, como sejam protetores a gás ou varistores, os diodos de proteção contra sobretensão (TAZ) não toleram sobrecargas, o que requer uma seleção cuidadosa dos mesmos com vistas às tensões e às correntes esperadas. Como já foi mencionado, a sobrecarga de 500w à 60.000w é somente tolerada no máximo durante 1ms. Para outros intervalos de tempo podem ser estabelecidas outras potências como mostram as figuras 4.11 e 4.12.
A sobrecarga também depende do comportamento térmico do encapsulamento do diodo e, no caso específico das figuras 4.11 e 4.12 este corresponde a diodos com potência máxima Pp = 1500W (1ms max.),
encontrados com freqüência no comércio e cujo corpo cilíndrico tem um comprimento de cerca de 1 cm e diâmetro de 0,5cm.
Para sobrecargas admite-se em geral uma queda exponencial dos transientes gerados para fins de ensaio em laboratório mas, para o cálculo de potência de descarga, a forma retangular é a mais favorável como mostra a figura 4.12 pois é importante avaliar o impulso médio de corrente em amplitude e em duração.
Exemplos de Proteção
Em seguida são mostrados alguns exemplos com sobretensões, amplitudes de corrente de impulso e duração usuais encontrados no comércio, assim como a comprovação de uso de um diodo comum em telecomunicações, de 1500w e de curta ação.
FIGURA 4.10
FIGURA 4.11
A - Comutação de Circuitos Indutivos
No processo de comutação de circuitos indutivos é liberada energia. Assim por exemplo à interrupção da corrente através de um relê com indutância L faz com que o campo magnético em extinção origina uma sobretensão. A energia armazenada na bobina é:
W = LI 2 2 /
Onde I é a corrente de operação na bobina, que ainda procura continuar circulando no primeiro instante da interrupção por efeito do campo magnético em colapso.
A figura 4.13 mostra um circuito equivalente de um relê alimentado por uma bateria de 20V.
Sejam L = 3,5H, R = 1,5kohm e C = 100pF;
A corrente circulante no relê é:
I =VBaT/R= 20/1,5 x 103 = 13 mA
A energia na bobina é:
W=LI / 2=(3,5x169x10 ) / 2 = 296.102 -6 -6w
A corrente amortece segundo a expressão:
1/t
i = le
onde t= L/R
Por outro lado R = Rr + rD onde:
Rr - resistência do relê
r0- resistência do diodo T - constante de tempo
Como rD varia segundo a sua característica, a duração da sobrecarga é estabelecida em um
osciloscópio de memória segundo a figura 4.14. Para estimar a sobrecarga, a curva é convertida em um retângulo (fig. 4.14) estabelecendo-se o valor de 480V máximo. Divide-se em seguida o eixo dos tempos para que A1 = A2, obtendo-se t = 500 MICRO SEGUNDOS Para este tempo obtém-se, na figura 11, uma
potência máxima de cerca de 1000w e portanto energia no diodo é de
WD = Pp. t = 1000 x 0,5 = 0,5w.s.
Logo pode ser usado, sem problemas, um diodo de 1500w (1 ms).
Neste mesmo exemplo a força contra eletromotriz originada pelo colapso do campo magnético do relê é
V = -L
t i
∆
∆
Admitindo a capacitância em paralelo com o relê (auto capacitância do relê ou capacitor físico) vêm:
C
L
i
v
v
Li
.
2
2
2 2
=
∴
=
omo a corrente circulante no relê é de 13,3mA, já calculada acima, vêm:
C
C
FIGURA 4.13
V
v
2500
100
5
,
3
.
3
,
13
=
=
As perdas nas resistências da linha e no cobre do relê baixam esta tensão para cerca de 1000V, o que representa uma proteção adicional.
B - Descargas Atmosféricas
As trovoadas podem originar sobretensões de alguns milhares de volts nas linhas telefônicas e nas redes de suprimento, causadas por indução e também por quedas de tensão para o solo quando as descargas são muito próximas. Estas descargas podem provocar correntes de até 50A devido a resistência entre fios e terra, sendo que o valor máximo ocorre após 10| micro segundos a 50 micro segundos e em seguida decai de forma contínua. Após 200 micro segundos à 700 micro segundos o valor máximo fica reduzido aproximadamente para a metade.
A figura 4.15 mostra uma proteção simples para um terminal telefônico eletrônico ou para um transdutor com amplificação.
Na figura o diodo de proteção é solicitado durante todo o tempo de descarga e, pelo fato de que a tensão no diodo fica constante (aprox. 150V), a sobretensão restante fica aplicada na resistência dos fios de linha. Para efeitos práticos a corrente do impulso é substituída por um pulso retangular com duração de 700 micro segundos e com a metade da sua amplitude máxima. Como as descargas atmosféricas se extinguem após um período máximo de 1ms, a energia desenvolvida é:
W = V . I . t = 150 . 50 . 700 = 5,25w.s. B
No caso de diodos de 1,5kw o fabricante especifica os seguintes valores (fig. 4.15). Para t = 700 micro segundos; P = 1kw, logo a energia máxima é:
W = P . t = 10 . 700 .10 = 0,7w.s. 3 -6
Isto mostra que o diodo de proteção fica sobrecarregado, necessitando portanto, na sua entrada de um protetor à gás com uma resistência limitadora como proteção. Quanto maior for a tensão de ruptura do diodo de proteção, menor é a corrente que ele suporta. No presente caso um diodo de 1,5kw somente poderia conduzir uma corrente de 50A até uma tensão de ruptura de 30V.
Partindo do fato de que tais sobretensões já estão amortecidas após 200 micro segundos à 300 micro segundos, o diodo de 1,5kw pode ser utilizado (sem protetor a gás ou resistência limitadora) em linhas telefônicas com diodo de proteção contra descargas atmosféricas no caso de terminais telefônicos que operam com tensões de suprimento até 40V e desde que estes terminais não fiquem em pontos críticos como lombadas de morros, torres de rádio ou TV ou no extremo de linhas aéreas longas. Os transientes que chegam aos equipamentos terminais também podem ser perigosos nos casos de mau aterramento de cabos e pára-raios.
C - Linhas de Alta Tensão
Um curto-circuito para a terra em linhas de alta tensão ou em linhas elétricas ferroviárias pode induzir tensões nas linhas telefônicas, principalmente naquelas que estão próximas ou que correm paralelas à rede. A linha de força representa o enrolamento primário e a linha telefônica representa o secundário, sendo que a sobretensão ocorre no equipamento entre o fio e a massa (tensão longitudinal Vi).
L - indutância da linha, L
RL - resistência de linha,
RT1- resistência de terra do terminal de assinante,
RT2 - resistência de terra da central. FIGURA 4.15
A figura 4.16 mostra a ação de uma descarga em uma linha de alta tensão. As tensões perturbadoras neste caso ficam em torno de 300V à 800V e sua duração é de cerca de 0,1s a 0,2s e mais raramente, de 0,5s. Para circuitos eletrônicos este tempo é relativamente longo, o que requer cuidados na escolha dos diodos de proteção contra sobretensões.
Como exemplo seja admitida uma tensão induzida de 500V no fio telefônico de uma linha de 3km e calibre 0,4mm, causada por um curto-circuito à terra. Deseja-se saber o valor da corrente circulante, sua duração e as perspectivas de proteção de um TAZ de 1,5kw. Admite-se ainda uma resistência de terra de 1ohm na central e de 30ohms no lado do assinante. A indutância da linha telefônica pode ser desprezada para uma freqüência de 60Hz e também é desprezível a diferença de fase entre corrente e tensão.
A resistência da linha é
Ω
=
=
=
=
429
)
4
,
0
.(
14
.
3
4
.
10
.
3
.
018
,
0
4
,
1
.
2 3 2d
S
l
R
Lρ
Para um intervalo de tempo de 0,5s obtem-se, na figura 4.11 a carga máxima de impulso para um diodo de 1,5kw em um encapsulamento metálico ou seja P = 50w. A energia W para o diodo será:
W = P . t = 50 . 0,5 = 25w.s.
Para uma tensão de ruptura VR = 100V a sobrecarga é
W100 = V . i . t
Æ l
A
l 0,78
414 , 1 2 = =
= i 1,1
A R i l 1 , 1 460 500 = = =
a energia média é:
w100 = VBat . I . t = 150 . 0,78 . 0,5 = 58,5w.s.
o que indica que o diodo está sobrecarregado e deve ser redimensionado. Entretanto no caso de linhas longas, resistências de terra maiores, tensões induzidas menores ou um tempo de ação mais curto é possível utilizar um diodo de proteção deste tipo, sem a necessidade de uma resistência limitadora adicional.
D - Descargas Eletrostáticas
Estas descargas são originadas por campos eletrostáticas que se estabelecem no corpo humano por atrito com corpos isolantes em ambiente seco. Os campos eletrostáticos apresentam potenciais elevados, acima de 20kV e na descarga podem ocorrer correntes de até 40A que amortecem rapidamente em algumas dezenas de nanosegundos. Caso o objeto tocado pelo operador for uma instalação eletrônica de processamento de dados ou de comutação (teclador telefônico), podem ocorrer efeitos de comutação, originando erros no sistema ou na sinalização. Em casos extremos os potenciais elevados podem danificar circuitos integrados.
No caso da presença de radiofreqüências, os caminhos são percorridos na periferia (efeito pelicular), o que aumenta muito a impedância. Isto pode originar, em circuitos integrados, diferenças de potencial capazes de originar comutações e operações indevidas nestes circuitos e, na presença de semicondutores, pode ocorrer demodulação dos sinais de RF, com efeitos de desconforto para o usuário (recepção de sinais de AF no receptor telefônico).
A auto capacitância das placas e componentes de um circuito eletrônico também pode ser carregada por um campo eletrostático e a corrente circulante no circuito envolvido pode ser suficiente para comutar circuitos eletrônicos sensíveis.
Como exemplo pode ser admitido um operador carregado por atrito com materiais têxteis sintéticos, com 7500V, tendo uma capacitância de 150pF e uma resistência de 150ohms. Ao manusear um painel de equipamento telefônico, ocorreu uma descarga eletrostática, cujo valor máximo é atingido após 10ns e cujo amortecimento, para a metade do valor de pico, ocorre após 200ns.
Deseja-se saber qual é a sobrecarga do diodo de proteção, qual a corrente de impulso esperada e qual a duração da sobrecarga.
A energia armazenada pela capacitância C do corpo humano é:
W = 1/2 CV = 1/2 . 150 . 10 . (7,5 . I0 ) = 0,004w.s. 2 -12 3
Para o cálculo da energia de descarga admite-se que o amortecimento (exponencial) é linear ao longo dos 200ns, sendo a curva transformada em um retângulo segundo a figura 4.17.
Da característica de diodos de 1,5kw na figura 4.12 obtem-se, para 200ns, uma potência de 30kw. Logo:
W = Pt = 30 . 103 . 200 .10-9 = 0,006w.s.
Portanto este diodo (TAZ) pode ser usado tranqüila-mente contra sobretensões eletrostáticas, havendo ainda uma proteção adicional proporcionada pelos fios de acesso. No presente caso circula, durante um curto intervalo de tempo, uma corrente de 50A para o circuito eletrônico. As descargas eletrostáticas ainda podem gerar altas freqüências no caso em que outras pessoas provocam descargas sobre objetos próximos.
A figura 4.18 mostra, em linhas cheias, a característica de uma descarga eletrostática de 5kV através de um gabinete bem aterrado e, em linhas tracejadas, a mesma característica no caso de um gabinete mal aterrado. O circuito em cima à direita da figura mostra o circuito elétrico equivalente do corpo humano.
Observa-se na figura 4.18 que no caso do gabinete aterrado a corrente de pico é de quase 40A e o amortecimento é rápido, com tempo de descida de 10ns enquanto no gabinete mal aterrado a corrente máxima é de apenas 18A; mas o amortecimento é lento e o tempo de descida atinge 30ns, suficiente para comutar e operar grande número de circuitos integrados modernos pois com este tempo geralmente uma corrente igual a apenas 0,1% da corrente máxima circulante já pode originar problemas. Como exemplo basta citar que uma trilha de 10cm de um circuito impresso apresenta uma indutância de cerca de 0,16 MICRO HENRYS,bastando
uma corrente de descarga de 10mA à 100MHz para originar um potencial de 1volt, suficiente para comutar muitos circuitos lógicos.
Proteção Primária e Secundária
Os diodos de proteção contra sobretensão encontrados com mais freqüência, apresentam, em geral, uma capacidade máxima de dissipação de 1500watt, mas apenas no máximo durante um milisegundo. De forma contínua a potência de dissipação é de apenas 1 watt. Estes valores não devem ser ultrapassados sob pena de danificar o TAZ.
Para proteger os diodos contra tensões excessivas existem três possibilidades:
- proteção com auxílio de uma resistência limitadora, - divisão da corrente através de vários diodos,
- ligação de um elemento de proteção (secundária) na entrada.
Uma resistência limitadora de corrente, ligada em série com o diodo, limita a corrente através deste porém aumenta simultaneamente a tensão na entrada do equipamento no caso de uma sobretensão. A
corrente do impulso origina, na resistência limitadora, uma queda de tensão em paralelo com o equipamento.
Para diminuir a sobrecarga, pode ser realizada uma divisão de corrente através da ligação de vários diodos em paralelo. Estes diodos porém devem ser os mais homogêneos possíveis, o que exige uma seleção cuidadosa ou então a ligação de resistências em série com cada braço do circuito paralelo, a fim de obter uma melhor distribuição de correntes.
Nas telecomunicações é comum o uso de um protetor secundário na entrada dos diodos de proteção como p. ex. protetores a gás ou varistores.
FIGURA 4.17
FIGURA 4.18
Neste caso é necessário um elemento intermediário de acoplamento como seja uma resistência ou uma indutância.
A figura 22 mostra um circuito típico freqüentemente utilizado.
SVP - protetor à gás,
lp - corrente de impulso através do diodo,
Vp - tensão de impulso originada por queda de tensão em R ou L e tensão de ruptura do diodo.
Na figura 22 o protetor a gás não dispara (não conduz) no caso de impulsos de curta duração, na sua tensão nominal de p. ex. 230V mas, no caso de impulsos rápidos, somente dispara entre 600V e 1.000V isto porque decorre, no início, um pequeno intervalo de tempo antes de se estabelecer um caminho de ionização do gás. Sem a presença de um elemento intermediário esta tensão não seria alcançada pelo fato de que o diodo TAZ ficaria limitado na sua tensão de ruptura já após alguns picosegundos e o protetor à gás não teria oportunidade de disparo. Por meio do elemento intermediário porém a corrente lp origina
uma queda de tensão Vp de algumas centenas de volts, que ficam disponíveis como tensão de disparo no
protetor a gás SVP. Uma vez disparado, o protetor à gás pode conduzir, sem perigo, correntes de impulsos até 10kA. Logo tais circuitos combinados também são eficientes em instalações eletrônicas ligadas a linhas telefônicas aéreas.
Para a resistência limitadora os valores usuais são de cerca de 10 ohms à 30 ohms e para a indutância, valores de 10 microhenrys à 600 microhenrys. É importante que a resistência não atenue significativamente os sinais úteis e que também a indutância não origine um efeito indesejável de filtro passa-baixa ou tendência de oscilação na unidade seguinte.
Seleção do Diodo de Proteção
A escolha correta do diodo de proteção é importante devido ao perigo de sobrecarga e destruição imediata. Logo é recomendável:
a. o estabelecimento da tensão de pico existente no local da instalação do equipamento, consideradas todas as formas de operação,
b. seleção de um diodo de proteção que bloqueia com segurança neste valor. Acrescentar ainda 10% da variação da rede de suprimento como segurança,
c. estabelecer o formato de onda da sobretensão, sua amplificação e duração do impulso, eventualmente com osciloscópio de memória,
d. estimar a corrente de pico de impulso no circuito, substituindo o diodo TAZ por um curto-circuito. O valor desta corrente do manual de dados do diodo deve ser maior do que o valor estimado,
e. comprovar se a potência de pico de impulso do diodo de proteção é suficiente. Para isso a área sob a curva deve ser transformada em um retângulo como já foi mostrado anteriormente. A maior energia esperada é dada pelo produto da tensão limite máxima pela corrente de pico de impulso e pela duração do impulso,
f. caso os valores sejam insuficientes, deve ser suprido adicionalmente um protetor secundário (protetor à gás ou varistor),
g. g) observar que as tensões limite situam-se, para correntes altas, segundo um fator 1,2 à 1,4 vezes acima das tensões de ruptura,
h. nos circuitos de alta freqüência há necessidade de utilizar um circuito série com diodos de baixa capacitância (fig. 4.20),
i. na possibilidade de ocorrer inversão de polaridade, são necessários dois diodos ligados em antiparalelo, j. no caso de circuitos telefônicos instalados em áreas protegidas (áreas urbanas) é suficiente o uso de um diodo de proteção de 1,5kw com tensão de ruptura máxima igual a 40V, para a proteção contra descargas atmosféricas, sem a necessidade de proteção secundária adicional,
k. para sobretensões de curta duração o diodo de proteção TAZ, é suficiente. Para sobretensões de maior duração deve ser previsto um protetor secundário adicional.
No caso em que o protetor primário (diodo-TAZ) for combinado com um protetor secundário (à gás ou varistor), a sobrecarga-corrente de pico do diodo-TAZ) depende:
a. da tensão CC nominal de solicitação Vg do protetor à gás,
b. da tensão de ruptura do diodo-TAZ,
c. c) da impedância longitudinal de desacoplamento entre o protetor à gás-SPV e o diodo-TAZ,
d. dos picos de tensões instantâneos antes do disparo do protetor à gás SVP, que por sua vez dependem dos impulsos de sobretensão.
Nota 1: quanto maior for a resistência de desacoplamento, maior será a energia do impulso de sobretensão absorvida pelo protetor à gás SVP.
Nota 2: como os diodos de proteção, regra geral, devem estar desacoplados dos componentes eletrônicos à serem protegidos, devido aos tempos de comutação semelhantes, os circuitos de proteção devem integrar o projeto do equipamento eletrônico.
Aplicações
Pela maior sensibilidade a transientes e pelo seu custo mais elevado torna-se fundamental equipar os terminais telefônicos e os seus transdutores eletroacústicos com dispositivos de proteção adequados contra transientes de alta tensão, de alta corrente de pico e de curta duração.
Atualmente as funções básicas do telefone como conversação, sinalização e toque utilizam circuitos integrados monolíticos (chips), podendo haver ainda outros circuitos integrados utilizados nos contadores tarifários e circuitos de viva-voz.
Sem o emprego de uma proteção secundária fica problemática uma instalação de proteção contra sobretensões, na hora de enfrentar tensões transientes elevadas. As figuras 4.21 e 4.22 mostram uma proteção completa, respectivamente de um microfone e de um aparelho telefônico, contra transientes provenientes de descargas atmosféricas e/ou linhas de alta tensão.
A figura 4.21 mostra um circuito típico de proteção de um transdutor telefônico, com um circuito ponte de dois diodos-TAZ e dois diodos convencionais (D1, D2) integrados ao circuito de amplificador do transdutor telefônico, de baixa capacitância.
A figura 4.22 mostra um circuito telefônico eletrônico completo, incluindo um circuito de tarifação, provido de proteção completa contra sobretensões. Na entrada está ligado um protetor a gás para tensão de 230V, aplicado entre os fios ae b da linha.
A proteção primária, com dois TAZ, pode ser aplicada entre o interruptor de gancho e o circuito de voz, ficando assim centralizada para o indicador de tarifa, para o oscilador das freqüências de sinalização e para o microfone transistorizado ou circuito de voz integrado. Como resistência de desacoplamento e limitação de corrente serve p. ex. a bobina do filtro de 16kHz do indicador tarifário ou, alternativamente, um resistor com cerca de 15ohms. Este valor representa um compromisso entre os requisitos de transmissão por um lado e as propriedades de desacoplamento e limitação de corrente por outro lado. Nos terminais T1 à T3 pode ser ligado o teclador. A proteção contra polaridade e proteção primária de sobretensão compõe-se de 4 diodos ligados em ponte, sendo dois diodos-TAZ de potência, externos e ligados em oposição, com tensões de ruptura apropriada e indiferente à polaridade do sinal. Os outros dois diodos são de baixa potência e são integráveis no circuito de voz.
O circuito de proteção mostrado na figura A.11.22 também é aplicável em outros terminais telefônicos como equipamentos terminais de dados, de texto, de vídeo, sistemas KS, e outros.
Circuitos de Ensaios
De todos os tipos de descargas que incidem nos terminais telefônicos as descargas atmosféricas, com suas tensões e correntes elevadas e tempos curtos, são as que causam maiores danos aos
FIGURA 4.21
equipamentos telefônicos. O circuito de ensaio descrito à seguir tem por objetivo simular uma tensão transiente de descarga atmosférica com uma forma de impulso definida e com determinada amplitude, a fim de possibilitar o ensaio, contra sobretensões, de terminais telefônicos com componentes eletrônicos.
No ensaio deve ser considerada a freqüência das descargas, que é função da localização geoclimática do equipamento, assim como o conteúdo de energia da descarga, necessários para o projeto da instalação de proteção contra sobretensões. Para o estabelecimento das condições de ensaio é necessário caracterizar:
• a rede, com carga definida, para gerar uma determinada forma de onda,
• uma determinada amplitude com carga definida ou, em outras palavras, a definição da tensão de carga do capacitor de armazenagem no gerador de impulsos,
• número, intervalo temporal e polaridade dos impulsos de ensaio, e
• o estado operacional da amostra sob ensaio.
A figura 4.23 contém uma rede-RC para uma forma de impulso de 10 MICRO SEGUNDOS /
700 MICRO SEGUNDOS de acordo
com o CCITT, sendo de 10 micro segundos o tempo de subida (período entre 10% e 90% do pico máximo do impulso) e 700 MICRO SEGUNDOS O tempo de descida
(período de tempo para que a tensão de pico cai para metade do seu valor).
No caso em que houver uma proteção secundária, (protetor à gás ou "varistor) no circuito de proteção contra sobretensões, a tensão de ensaio elevada não proporciona informação suficiente quanto à eficiência de proteção. Neste caso é importante aplicar ao protetor à gás uma tensão de prova que origine uma amplitude de impulso, na amostra sob ensaio, um pouco acima da tensão CC nominal acrescida da tolerância. Com isso são abrangidos os casos em que o protetor à gás ainda não disparou. No exemplo presente este valor seria cerca de 300V para um protetor à gás de Vp = 230V.
Resumo
Com o advento dos microcircuitos eletrônicos foram desenvolvidos muitos equipamentos terminais novos ligados às linhas telefônicas e que vêm apresentando um surpreendente crescimento em quantidade, facilidades, inteligência e sofisticação. Atualmente estes equipamentos terminais conectados às linhas telefônicas não se limitam aos terminais de voz que, somente eles, abrangem praticamente um bilhão de aparelhos entre telefones convencionais, eletrônicos, digitais, públicos, móveis, sem fio, de viva-voz, de cabeça, de surdes etc. mas envolvem ainda milhões de terminais de dados e de vídeo que agora passam a integrar as modernas Redes Digitais de Serviços Integrados (RDSI) assim como sistemas telefônicos como PABX, KS, de microcomputadores e os modernos serviços eletrônicos bancários, comerciais e de correio.
Entretanto estas mesmas linhas telefônicas, aliadas à grande sensibilidade dos modernos microcircuitos que integram estes equipamentos, tornaram estes terminais extremamente vulneráveis aos surtos transientes de potencial elevado e mesmo à sinais de baixa tensão, induzidos nas linhas e nos circuitos. Assim pequenos potenciais de radiofreqüência, provenientes de equipamentos elétricos ou de antenas de RF, já provocam desconforto nos usuários e, dependendo das suas características elétricas e da sua duração (<30ns), já operam e comutam muitos circuitos integrados, originando erros de operação e de sinalização nos terminais telefônicos. Já as descargas eletrostáticas, cujo potencial pode atingir mais de 20kV em alguns nanosegundos, podem além disso ainda danificar e destruir os microcircuitos.
No entanto os maiores ofensores dos circuitos integrados e dos microcircuitos ainda são as descargas atmosféricas, que apresentam potências de milhares de volts de pico, tempos de subida em torno de 10 microsegundos e altas energias. Em menor escala atuam os transientes, também com alta energia e longa duração (até 0,5 segundos), originados por curtocircuitos em linhas de alta tensão pois a sua ocorrência é menos freqüente e afeta principalmente os equipamentos terminais de linhas telefônicas paralelas à rede de alta tensão.
Os circuitos de proteção usados atualmente em equipamentos telefônicos terminais são circuitos simples, econômicos e de poucos componentes e a sua incorporação aos equipamentos telefônicos evita grandes prejuízos materiais e operacionais. Entre os diversos componentes de proteção desenvolvida, o diodo de proteção contra sobre-tensão-(TAZ), é hoje um componente impar, pois é o único componente eletrônico que já opera em tempos inferiores à 10ps. No entanto, para manter a tensão nos terminais do equipamento inferior ao valor máximo tolerado por ele, o TAZ drena corrente crescente, que por vezes lhe podem ser fatal. Neste caso é recomendado o uso de uma proteção secundária adicional em fora de tubo a gás e/ou varistor (figs. 4.19 e 4.22) desacoplados do TAZ por uma resistência ou indutância. O tempo de ionização do protetor a gás é relativamente longo e depende da declividade do impulso transiente, variando de algumas dezenas de nanosegundos até alguns microsegundos, mas a resistência de desacoplamento eleva a tensão no tubo à gás e acelera o tempo de ionização, o que reduz a sobrecarga no TAZ.
O protetor-TAZ é uma variante do diodo-zener, projetado e construído especialmente para proteção contra transientes, sendo encontrado no comércio através do código IN56..., sendo altamente recomendável na proteção primária de terminais telefônicos. A sua ação extremamente rápida o torna atrativo, também, na substituição do varistor convencional, para a redução de efeitos de desconforto do usuário como p. ex. o choque acústico.
Devido à variação das características de transientes (tensão, corrente, energia, duração, freqüência) em função das condições geoclimáticas encontradas, os circuitos de proteção requerem um projeto cuidadoso para assegurar a confiabilidade do terminal telefônico e evitar danos em componentes do próprio circuito de proteção. Igualmente importantes são as condições de aterramento de redes, cabos, centrais e até de pára-raios, no sentido de reduzir os efeitos dos transientes sobre o equipamento terminal.
O crescimento vertiginoso, observado nos últimos anos, do número de terminais eletrônicos de voz, dados, texto, vídeo e de informática equipados com microcircuitos de grande sensibilidade aos transientes de alta tensão, originou também o desenvolvimento de novos componentes de proteção, já descritos neste trabalho. Entretanto, considerando o custo e a complexidade por vezes elevadas destes terminais assim como a necessidade de assegurar um funcionamento normal e confiável dos mesmos, é necessário que o circuito de proteção contra sobretensões de transientes seja projetado em função das condições geoclimáticas da região com base nos valores estatísticos de medidas de transientes que incidem nos terminais telefônicos.
Igualmente importante é também o aterramento das redes telefônicas e elétricas assim como das centrais e de outros dispositivos como p. ex. pára-raios, pois um aterramento eficaz reduz substancialmente os níveis dos parâmetros elétricos e portanto a agressividade dos transientes de alta tensão aplicados nos terminais telefônicos, aliviando consequentemente os circuitos de proteção dos mesmos.
