Cómo proteger dispositivos industriales de picos de corriente al encenderse

Cuando un dispositivo industrial se enciende, a menudo consume un pico de corriente (conocida como corriente de irrupción) mucho mayor que su nivel normal de funcionamiento. Según el tipo de dispositivo, esta sobretensión puede ser del orden de 10 a 30 veces la corriente en estado estacionario. Estas corrientes de irrupción extremas son momentáneas, pero pueden causar un estrés eléctrico y mecánico significativo.

Sin un control adecuado, las corrientes de irrupción pueden activar disyuntores, quemar fusibles, dañar componentes sensibles e incluso degradar conectores de alimentación y fuentes de alimentación. Por lo tanto, una estrategia eficaz de gestión de corriente de irrupción es crucial para el funcionamiento fiable y seguro de los sistemas industriales.

Una forma de gestionar las sobretensiones es añadir limitadores de corriente de irrupción (ICL) en serie con la entrada de energía del dispositivo. Entre los distintos tipos de ICL, los termistores con coeficiente de temperatura negativo (NTC) se utilizan ampliamente por su diseño sencillo y facilidad de integración. Un termistor NTC es una resistencia sensible a la temperatura cuya resistencia disminuye con el aumento de la temperatura.

Figura 1: Termistor NTC ERT-J0EG103FA de Panasonic Electronic Components con una resistencia nominal de 10 kΩ a 25 °C y tolerancia de resistencia del ±1%. (Fuente de la imagen: Panasonic Electronic Components)

Cuando el dispositivo eléctrico industrial está apagado, el elemento NTC presenta una resistencia relativamente alta. Se colocan en serie con la carga. La alta resistencia al frío ralentiza el pico inicial de corriente al encenderse, actuando como un amortiguador.

La limitada corriente de irrupción que fluye a través del termistor hace que se autocaliente mediante disipación resistiva de potencia. A medida que el termistor se calienta, su resistencia cae drásticamente hasta una pequeña fracción de su valor en frío. En cuestión de momentos, el termistor pasa a un estado de baja resistencia. Para entonces, los capacitores de entrada ya están cargados y la corriente normal de funcionamiento puede fluir.

Una vez que el evento de irrupción disminuye, la NTC se desactiva efectivamente, comportándose casi como un cortocircuito durante el funcionamiento normal. Por ejemplo, un NTC con una resistencia al frío de 10 Ω puede caer a menos de 0.5 Ω cuando está completamente calentado. Esto garantiza que la máquina industrial funcione casi a plena tensión en estado estacionario, minimizando la pérdida de energía a través del termistor.

Consideraciones de diseño al implementar limitadores NTC

Para garantizar un funcionamiento fiable y eficiente, deben considerarse varios parámetros de diseño al implementar limitadores de corriente de irrupción basados en NTC.

1. Resistencia al frío

La resistencia al frío (R₂₅) es la resistencia nominal a 25 °C y determina la impedancia inicial que limita la corriente de irrupción. La resistencia mínima requerida puede estimarse a partir de la corriente máxima de irrupción deseada y la tensión de alimentación. Los ingenieros calculan esta resistencia usando la ley de Ohm: R = V_pico/I_{máximo (irrupción)}. Por ejemplo, en un sistema monofásico de 230 VCA (aprox. 325 V_pico), si la corriente de irrupción se va a limitar a 20 A_pico, se requiere una resistencia al frío del orden de 325/20 ≈ 16 Ω.

Fabricantes como TDK Electronics, Vishay Ametherm y Amphenol Advanced Sensors ofrecen valores estándar de NTC como 2 Ω, 5 Ω, 10 Ω, 22 Ω, 47 Ω, etc., a 25 °C. Seleccionar la resistencia al frío adecuada es crucial, ya que un valor de R₂₅ más alto proporciona una mejor supresión de sobretensiones. Sin embargo, un valor demasiado alto puede restringir demasiado las corrientes de carga, aumentar el tiempo de arranque y causar una caída inicial de tensión excesiva.

Figura 2: termistor NTC de plomo B57164K0220K000 de EPCOS – TDK Electronics con resistencia de 22 Ω a 25 °C y tolerancia de resistencia del ±10%. (Fuente de la imagen: EPCOS – TDK Electronics)

2. Resistencia de funcionamiento

La resistencia de funcionamiento (caliente) representa la impedancia residual en serie y la disipación continua. En la práctica, la resistencia caliente será una pequeña fracción de R₂₅, generalmente entre el 2 y el 5 por ciento de la resistencia al frío a corriente nominal. Por ejemplo, un NTC con una resistencia al frío de 10 Ω podría caer hasta aproximadamente 0.3 Ω a su corriente nominal.

Una resistencia al calor más baja es deseable para la eficiencia, pero lograrla implica un termistor más grande. Los diseñadores deben asegurarse de que, a la corriente estacionaria de la aplicación, el NTC se caliente lo suficiente como para reducir su resistencia a un nivel aceptablemente bajo. Si el dispositivo es sobredimensionado, puede no calentarse adecuadamente, lo que resulta en una resistencia superior a la esperada.

Para alto rendimiento, la corriente normal de funcionamiento debe ser al menos el 30 por ciento de la potencia máxima de la NTC, de modo que se caliente lo suficiente como para alcanzar la parte plana de su curva R-I. Si la corriente de carga es muy pequeña en relación con la capacidad de la NTC, el ingeniero debería considerar un termistor de menor corriente, para que baje a una resistencia menor cuando se calienta con esa corriente.

3. Corriente continua máxima

La NTC debe ser capaz de mantener su corriente nominal RMS o CC de forma continua en estado estable sin sobrecalentarse. La NTC debe elegirse de modo que el Imax sea igual o mayor que la corriente normal de funcionamiento del sistema. Si la corriente en estado estacionario supera la corriente continua permitida por la NTC, el termistor se sobrecalentará más allá de sus límites de diseño, con riesgo de descontrol térmico o daño en el dispositivo.

Es importante revisar la curva de desclasificación del dispositivo para determinar si la aplicación funcionará caliente en una carcasa o cerca de fuentes de calor. Si la corriente de diseño está cerca del I_max, es crucial usar algún margen de seguridad o mecanismo de refrigeración alrededor del termistor.

4. Capacidad de sobrecarga de energía

La clasificación energética del termistor es un parámetro crítico. Debe soportar la energía de joule (J) de irrupción sin sufrir daños. Para una entrada capacitiva, una estimación de primer orden de la energía de sobretensión es la energía necesaria para cargar el capacitor. Por ejemplo, cargar un capacitor de 100 μF a 325 V requiere aproximadamente 5.3 J. El termistor seleccionado debe tener una potencia de energía de irrupción superior a este nivel, teniendo en cuenta el peor escenario.

De manera similar, para cargas de motores o transformadores, el diseñador puede medir la forma de onda de la corriente de sobretensión y calcular la integración (∫I²R dt) para asegurar que el I²t a través del termistor se mantenga dentro de sus especificaciones. Los fabricantes sí proporcionan una clasificación de I²t o joule para sobretensiones puntuales y, a veces, una clasificación de sobretensiones repetida si el dispositivo experimenta ciclos frecuentes de encendido/apagado.

Figura 3: Termistor NTC AL03006-535K-145-G1 de Amphenol Advanced Sensors con resistencia de 1 MΩ y funcionando hasta 250 °C con estabilidad. (Fuente de la imagen: Amphenol Advanced Sensors)

Cuando se elige e implementa correctamente, un limitador de corriente de irrupción basado en termistor NTC ofrece una protección fiable contra sobretensiones de encendido. El dispositivo proporciona una resistencia en serie transitoria que se autoregula fuera del circuito una vez completado su funcionamiento.

Conclusión

A medida que los sistemas industriales crecen e incorporan dispositivos que consumen mucha energía, controlar las sobrecargas energéticas durante el arranque se vuelve fundamental. Los limitadores de corriente de irrupción basados en NTC ofrecen un equilibrio probado entre diseño, costo y fiabilidad. Su objetivo es permitir a los diseñadores lograr protección contra arranques suaves sin añadir complejidad de control, asegurando una operación industrial segura y eficiente.