Facultad: Técnica

Interferencia Electromagnética: Causas y efectos

Autor: Henry Lanchang & Yuberth Campoverde

Carrera: Ing. Eléctrico-Mecánico

Índice

Capítulo 1 (Introducción)………………………………………………………… 3

1.1 Justificación…………………………………………………………………... 3

1.2 Planteamiento del Problema………………………………………………….. 3

1.3 Objetivos………………………………………………………………………3

1.3.1 Objetivo General………………………………………………….. 3

1.3.2 Objetivos Específicos……………………………………………...3

Capítulo 2 (Definiciones de interferencia electromagnética)…………………….. 4

2.1 Introducción…………………………………………………………………...4

2.2 Interferencia Electromagnética………………………………………………..4

Capítulo 3 (Interferencia en los dispositivos)……………………………………..6

3.1 Causas de las interferencias………………...………………………………….6

3.2 ¿Cómo prevenir estas perturbaciones?...............................................................7

Capítulo 4 (Interferencia Electromagnéticas en otros dispositivos)……………… 9

4.1 Interferencia Electromagnética en Circuitos Integrados………………………9

4.2 Interferencia electromagnética en Fuentes Conmutadas……………………... 10

Capítulo 5 (Interferencia Electromagnética y Supresores)………………………..13

5.1 Interferencia Electromagnética Transientes…………………………………...13

5.2 Supresión de transientes……………………………………………………….14

5.3 Clasificación de Supresores…………………………………………………...16

Bibliografía………………………………………………………………………..17

Capítulo 1 Introducción

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1.1 Justificación

Existen perturbaciones casi invisibles que pueden llegar a interrumpir, degradar o limitar el rendimiento de un sistema. El propósito de esta investigación será el de conocer las causas de estas perturbaciones y buscar soluciones para prevenirlos. Por medio de conceptos básicos se dará a conocer las fuentes de interferencias tanto naturales como artificiales que la producen. Empezando por los daños que pueden llegar a causar en el correcto funcionamiento de sistemas y ejemplos de interferencias.

1.2 Planteamiento del problema

¿Qué efecto tienen las interferencia electromagnéticas en un circuito eléctrico?, ¿Cómo se relaciona la fuente de interferencia con los diferentes efectos que puede llegar a tener en un sistema eléctrico?, ¿Cuáles son los diferentes tipos de fuentes de interferencia? Por medio de conceptos fundamentales, ejemplos visuales sencillos, y explicaciones de ciertos fenómenos llegaremos poseer un conocimiento sólido de cómo se produce una interferencia electromagnética y cómo prevenirla.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo General

Explicar los efectos de la interferencia electromagnética en los circuitos eléctricos, tomar medidas a seguir para prevenir el bajo rendimiento de los sistemas. Mediante conceptos concretos, para aportar un conocimiento fundamental a nuestras bases.

1.3.2 Objetivo Específico

Informar sobre la clasificación de los supresores. Entender sobre las principales fuentes de perturbaciones. Conocer medidas a tomar para prevenir una interferencia tanto de fuentes naturales

como artificiales.

Capítulo 2 Definiciones de interferencia electromagnética

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2.1 Introducción

Todos los equipos, dispositivos o sistemas que emplean energía son fuentes potenciales de emisión de campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos, los cuales pueden interferir o incluso dañar a otros dispositivos, lo cual en ramas de la ingeniería es un parámetro muy importante debido a que este es el fracaso de muchos proyectos desde el punto de vista de su funcionamiento.

Además de los transitorios y otras perturbaciones, los problemas de interferencia electromagnética conducida pueden surgir también cuando los componentes de los equipos conectados a las líneas de suministro se comportan de manera distinta a la esperada. Este comportamiento anómalo no es debido al mismo componente sino a que no se han considerado adecuadamente sus propiedades fuera del rango de frecuencias para el cual se diseñó el componente. Es decir hay que considerar las propiedades del componente, que se les podría llamar de alguna forma parásita, en todo el espectro de frecuencias de la interferencia o del transitorio y estas propiedades no aparecen normalmente como tales en el diagrama de un circuito. Esto implica mejora en el funcionamiento en cuanto a la aplicación de estos dispositivos electrónicos

2.2 Interferencia Electromagnética

La interferencia electromagnética es el resultado de un defecto, fallo o problema de mantenimiento que puede corregirse prontamente. Algunos tipos de equipo electrónico simplemente tienden a generar la interferencia en el curso normal de funcionamiento.

Perturbación que ocurre en cualquier circuito, componente o sistema electrónico causado por una fuente externa al mismo. También se conoce como EMI por sus siglas en inglés (Electromagnetic Interference), Radio Frequency Interference o RFI.

Tipos de fuentes EMI

Fuentes EMI externas:

Las emisiones de estas fuentes EMI pueden provenir tanto de fuentes terrestres como extraterrestres (satélites, naves espaciales). Las fuentes de ruido EMI son debidas fundamentalmente a emisores de comunicaciones y navegación (banda comercial, comunicaciones de navegación aérea y radares) y a equipos industriales y de consumo, o incluso las explosiones nucleares, todas ellas debidas al hombre.

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Pero también hay que tener en cuenta fuentes de interferencia electromagnética externas naturales, tales como rayos, descargas electrostáticas, ruido solar y cósmico entre otros.

Imagen 1 - docsetools.com

Fuentes EMI internas:

Estas fuentes de interferencia electromagnética internas serán todas aquellas producidas por los equipos y componentes que puedan conducir o radiar energía electromagnética, como por ejemplo: Generadores y motores eléctricos, cables y conectores.

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Capítulo 3 Interferencia en los dispositivos

3.1 Causas de las interferencias

Las fuentes potenciales de RFI y EMI son diversos tipos de transmisores, transformadores de timbre, hornos tostadores, mantas eléctricas, dispositivos de control de plagas ultrasónicos, personas conectadas, errores eléctricos, almohadillas térmicas, tocar las lámparas controladas. Múltiples monitores de ordenador o televisiones ubicados demasiado cerca uno del otro a veces pueden causar un efecto "shimmy" uno en el otro, debido a la naturaleza electromagnética de sus tubos de imagen, especialmente cuando se activa una de sus bobinas de-gaussing.

Las interferencias electromagnéticas a 2,4 GHz puede ser causada por los dispositivos inalámbricos, dispositivos Bluetooth, monitores de bebés y teléfonos inalámbricos, transmisores de video y hornos de microondas, son ejemplos de estos.

Además las perturbaciones también pueden ser causadas por cargas de conmutación, tales como motores eléctricos, transformadores, calentadores, lámparas, balastos, fuentes de alimentación, etc. toda interferencia electromagnética causa especialmente a corrientes superiores 2Amp. El método usual utilizado para la supresión de EMI es mediante la conexión de una red de amortiguador, una resistencia en serie con un condensador, a través de un par de contactos. Si bien esto puede ofrecer modesta reducción de la EMI en corrientes muy bajas, amortiguadores no funcionan en las corrientes de más de 2Amp con contactos electromecánicos.

El conocimiento de los niveles y tipos de las ondas electromagnéticas existentes en el ambiente de trabajo, ayudan a orientar las actitudes para tomar precauciones con el fin de atenuar las perturbaciones que puedan generarse en los cables lógicos, por efectos externos o internos. Las perturbaciones externas, ya sean que provengan de ondas electromagnéticas o de cables que transmitan otras formas de energía o señal, en una misma tubería deben tener un tratamiento especial durante la instalación, tomando medidas que atenúen o eliminen estas perturbaciones.

Entre todas las fuentes que causan perturbaciones, las principales son:

Armónicos y Transientes (transitorios) en la red de energía eléctrica (ver Figura 2). Considerando una red de energía eléctrica con ondas senoidales de 50 Hz, la norma indica que podemos transportar cables lógicos junto con conductores de energía eléctrica (hasta 480 V y 20 A), separados por una división fija. No

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obstante, hoy tenemos redes de energía eléctrica con una onda deformada, cargada de armónicos y transientes.

Saturación de los cables de datos. Cuando la corriente de los cables de energía eléctrica, que corren paralelos a los cables lógicos, llegan cerca o sobrepasan los 20 A., tenemos fuertes perturbaciones en los cables lógicos. Los armónicos pueden traer componentes de corriente continua que también provocan estas perturbaciones.

Emisiones de estaciones de radio de FM que estén en las proximidades de la instalación.

Emisiones de TV y de antenas de celulares.

Imagen 2 - http://photos.end.com.ni/

3.2 ¿Cómo prevenir estas perturbaciones?

Las principales medidas para prevenir estos problemas son:

Lugar de instalación del equipo: Al instalar los equipos destinados a procesar la transmisión de datos (hub, switch, etc.), evite la instalación de los mismos en áreas sujetas a fuertes efectos de EMI y compruebe si los equipos cumplen con las normas de EMC.

Cableado: Compruebe con anticipación las fuentes EMI del lugar, conecte a tierra o remueva los cables no usados. Al transmitir datos y telefonía, juntos o por vía separada, la señal analógica de la campanilla puede provocar ruido en los pares de datos.

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Al traspasar los cables de datos, paralelo al cableado de energía, aunque la frecuencia de 50 Hz. no cause ningún problema en la red de datos, los armónicos y los transientes provocan enormes interferencias en el desempeño del sistema de datos. Si debe cruzar los cables de datos con conductores eléctricos, hágalo a 90 grados.

Protección física: Para atenuar las EMI de fuentes externas y de fuentes adyacentes, coloque los cables de energía en tuberías metálicas conectadas a tierra.

Imagen 3 - http://html.rincondelvago.com/

El mercado actual ofrece principalmente tres tipos de material de fabricación de tuberías o ductos para protección física del cableado: plástico, acero y aluminio.

Plástico: el material plástico es un excelente aislante eléctrico, pero las ondas electromagnéticas no lo ven. Su función es exclusivamente física, pues, para las EMI, es como si no existiera nada entre la fuente emisora EMI y el cable. Además, pueden tener serios problemas con las normas de incendio, ya que quema y, en la mayoría de los casos, emite gases tóxicos. Cuando son de buena calidad, en relación a la resistencia física, el fuego y la emisión de gases, es cara.

Acero: los productos fabricados en acero, normalmente son recubiertos con cinco pintados. Estos son vistos por las ondas electromagnéticas y forman un blindaje razonable, pero son magnéticos.

Aluminio: los productos fabricados en aluminio son vistos por las ondas electromagnéticas y no son magnéticos. Se necesita un producto en acero con aproximadamente 2,5 veces más espesor para tener la misma capacidad de blindaje contra las ondas electromagnéticas en comparación con el aluminio.

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Las pruebas realizadas en laboratorio utilizando tuberías plásticas y de aluminio, cubriendo toda la gama de transmisión de datos (Cat. 5 y Gbit/s).

Capítulo 4 Interferencia Electromagnéticas en otros dispositivos

4.1 Interferencia electromagnética en Circuitos Integrados

Los circuitos integrados son a menudo una fuente de EMI, pero deben generalmente par su energía a los objetos más grandes, como los disipadores de calor, los aviones de la tarjeta de circuitos y cables a emitir de manera significativa.

En los circuitos integrados, un medio importante de reducir la EMI son: el uso de bypass o condensadores de desacoplamiento en cada dispositivo activo, tiempo de subida de control de señales de alta velocidad con resistencias en serie, y el filtrado de VCC. Blindaje es por lo general un último recurso después de otras técnicas han fracasado, debido al gasto adicional de componentes de blindaje tales como juntas conductoras.

Imagen 4 - http://img.directindustry.com/

La eficiencia de la radiación depende de la altura por encima del plano de alimentación o plano de tierra y la longitud del conductor en relación con la longitud de onda de la componente de señal. A frecuencias más bajas, tales como 133 MHz, la radiación es casi exclusivamente a través de cables de E/S; ruido de RF recibe en los planos de energía y está acoplado a los controladores de línea a través de la VCC y las patillas de tierra. La RF se acopla entonces al cable a través del conductor de línea como ruido de modo común. Puesto que el ruido es en modo común, el blindaje tiene muy poco efecto,

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incluso con pares diferenciales. La energía de RF se acopla capacitivamente desde el par de señal a la pantalla y el escudo sí mismo la radiación. Una cura para esto es utilizar una trenza automático o estrangular a reducir la señal de modo común.

A frecuencias más altas, por lo general por encima de 500 MHz, quedan trazas eléctricamente más largo y más alto por encima del plano. Dos técnicas se utilizan en estas frecuencias: Onda conformación con resistencias en serie y la incorporación de los restos entre los dos planos. Si todas estas medidas todavía dejan mucho EMI, tales como juntas de blindaje de RF y la cinta de cobre se puede utilizar. La mayoría del equipo digital está diseñado con el metal, o plástico conductor recubierto, casos.

4.2 Interferencia electromagnética en Fuentes Conmutadas

Resolver o minimizar los problemas que acarrea la Interferencia Electromagnética, es uno de los retos claves en el diseño de los sistemas de alimentación conmutados o convertidores AC-DC. En este mismo conjunto están incorporados los modernos convertidores DC-DC que, poco a poco, van ganando lugar en el diseño optimizado gracias a su alta eficiencia energética, máxime aun cuando los sistemas trabajan operados con respaldo de baterías. El enorme crecimiento del mercado de las baterías recargables nos indica que la portabilidad de los equipos electrónicos es una constante en expansión y que los sistemas más eficientes en materia energética, pueden ser los más perjudiciales, debido a la enorme cantidad de EMI que irradian. ¿Eliminarlos?, una quimera. ¿Reducirlos?, una posibilidad que no debemos dejar de lado en nuestros diseños.

Imagen 5 - http://1.bp.blogspot.com/

La interferencia electromagnética (EMI) está siendo vista como uno de los desafíos más importantes, durante el diseño de los actuales convertidores AC-DC y DC-DC. Este problema puede ser considerado de este modo porque su eliminación, total y/o directa,

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es básicamente imposible. Sin embargo, el gran trabajo de los ingenieros de diseño de todo el mundo apunta a intentar minimizar, tanto como sea posible, sus orígenes y sus efectos.

El ruido propio generado por las fuentes conmutadas se propaga por la red en forma descontrolada, afectando en muchos casos, la operatividad de equipos electrónicos que comparten el uso de la misma red eléctrica domiciliaria. Estos ruidos se generan en los momentos en que ocurre un pico repentino, tanto sea de tensión como de corriente y como regla general, provienen de los sistemas de conmutación de potencia en el lado primario del convertidor. A pesar de que la mayoría de los diseños de convertidores utiliza una topología tradicional, basada en la conmutación controlada por PWM (Pulse Width Modulation) de la energía aplicada sobre un transformador (circuito altamente inductivo), desde hace algunos años, otros sistemas de control de potencia como el resonante y el cuasi-resonante, están ganando terreno en el mercado.

Los sistemas controlados por PWM, para aquellos que no lo sepan, utilizan una señal de control rectangular, que posee un ancho de impulso variable en forma continua y permanente, en función de las exigencias energéticas del consumo y funcionamiento a las que esté sometido el convertidor. Por lo general, el resultado termina siendo una conmutación de tensión de entrada sobre un transformador que, a cada corte-conexión (conmutación), genera una multiplicidad enorme de armónicos que forman un “ruido blanco” que se distribuye en la mayor parte del espectro. Si este ruido no es debidamente filtrado, apantallado, o reducido mediante técnicas eficaces, viaja por los cables de la red domiciliaria interfiriendo todo tipo de equipos electrónicos que utilizan la red y hasta llega a irradiarse en niveles tan elevados que, por ejemplo, impiden la recepción de una emisora de Amplitud Modulada (550Khz – 1700Khz), en cercanías de un equipo que funcione con este tipo de convertidores. En los casos más severos, en sus cercanías anulan el funcionamiento de sistemas de telefonía móvil, afectan equipos de electro-medicina y provocan fallos impredecibles e incomprensibles en sistemas de radiocomunicaciones.

La mayoría de los convertidores AC-DC incorporan filtros EMI dentro del gabinete para suprimir en su mayoría los ruidos y están basados en sencillos circuitos inductivos que trabajan básicamente en modo diferencial, junto a capacitores (o condensadores) que se colocan en paralelo con la línea de alimentación de red. Los circuitos más elaborados, de mayor calidad y costo, incorporan además capacitores referidos a GND que tienen la propiedad de filtrar los ruidos y poseen un trabajo denominado en modo común. Los convertidores de potencia AC-DC están diseñados para satisfacer diversas normas reglamentarias y de seguridad, incluyendo las diversas normas de EMI que existen en

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Europa y América. Los detalles individuales y las normas que cumplen, generalmente están descriptos con abundante información en la documentación del producto. Sin embargo, durante la integración de sistemas de varios sub-sistemas, incluyendo un convertidor de corriente AC-DC, un ingeniero de diseño puede verse en la necesidad de añadir más de filtrado EMI al sistema completo (la sumatoria de los ruidos de cada etapa) para cumplir con todas las normas de las agencias pertinentes. Un ejemplo de este caso es un TV LCD o una Notebook. El ruido generado por la fuente conmutada que le brinda energía al equipo, agregado al ruido que genera el PWM que controla la retro-iluminación de la pantalla, suman una fuente de interferencias muy potente. Minimizar hasta casi eliminar este enorme problema invisible, es el desvelo de los ingenieros de diseño de todo el mundo.

Además del filtro de línea enunciado antes, las áreas de trabajo más intensas para cualquier diseñador se reparten en muchos focos o puntos de atención y entre los más importantes, a los que no se les presta la atención debida en muchos diseños, encontramos los clásicos “bucles” de tierra y el pasaje de cables o vías de conducción (portadoras de ruido de conmutación) que no son tan cortas y blindadas como debieran ser. Una vía demasiado extensa y mal desacoplada a tierra se presenta como una antena que “irradia” los ruidos de conmutación hacia el exterior, al igual que los bucles o lazos de tierra distribuidos por todo el equipo.

Imagen 6 - http://html.rincondelvago.com/

Por otra parte, estas inductancias favorecen un fenómeno conocido como “ring-up” que provoca una autoinducción sobre sí mismas desembocando en picos de corriente muy elevados, que pueden llevar al sistema al colapso destruyendo los elementos básicos de protección y de conmutación. Este fenómeno es muy común cuando se presentan variaciones bruscas de tensión de línea originadas por múltiples factores, tales como

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problemas en el suministro energético (planta de energía), hasta por impulsos (breves e intensos) de consumo en el motor del ascensor de un edificio.

Capítulo 5 Interferencia Electromagnética y Supresores

5.1 Interferencia Electromagnética Transientes

La EMI se puede manifestar de muchas maneras; por ejemplo cuando cae un rayo y este genera transientes o picos de voltaje muy elevados que dañan los equipos electrónicos, también aparece cuando los equipos se encuentran cerca de una fuente emisora electromagnética potente como puede ser una radio emisora o una estación de TV.

A las causas de la Interferencia Electromagnética las podemos clasificar en dos categorías: Los transientes (transitorios) y las señales constantes.

Transientes: Son fenómenos puntuales y únicos, pueden presentarse uno detrás de otro o juntos, que se caracterizan por ser pulsos de gran cantidad de energía y de muy corta duración con muy cortos tiempos de subida y bajada de la señal.

Mientras que las señales constantes, son interferencias que están presentes todo el tiempo, se caracterizan por ser de mucho menos energía, ser periódicas o repetitivas y tener mucho menos contenido de frecuencias que los transientes.

Imagen 7 - http://www.microbyte.cl/

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Debido a su espectacularidad y por los efectos dramáticos que producen y también por ser mucho más difíciles de entender, los transientes se vuelven unos fenómenos más interesantes de estudiar y analizar que las señales constantes.

Las causas más comunes de aparición de transientes son:

Los rayos. Transientes eléctricos rápidos o EFT. Descargas electrostáticas o ESD. Por la conmutación de cargas inductivas. También aunque afortunadamente una fuente mucho menos común son los

pulsos nucleares electromagnéticos o NEMP que son los que aparecen cuando detona una bomba atómica.

De los cuales cada uno se produce por las siguientes causas:

Un rayo se produce cuando existe una diferencia de potencial muy grande entre una nube y la tierra produciendo una ionización del aire que crea un camino de descarga entre ellos. La duración de la descarga está en el orden de los microsegundos y el pico de corriente va desde 1 a 200 KA.

Los EFT o transientes eléctricos rápidos aparecen casi siempre cuando se produce la conmutación repetitiva de cargas inductivas.

Los ESD o descarga electrostática se producen cuando dos cuerpos que no son conductores eléctricos y que entre ellos existe una diferencia de potencial se acercan o se separan.

La conmutación de cargas inductivas produce transientes cuando la corriente que circula por una inductancia o bobina se interrumpe. Los generadores de este tipo de transientes suelen ser: los motores eléctricos, los refrigeradores, los aires acondicionados, etc.

5.2 Supresión de transientes

En los mercados sumamente competitivos de la actualidad, la eliminación de transitorios está reconocida como la clave para resolver los problemas de calidad del suministro de energía relacionados con sobretensiones transitorias. Las empresas pequeñas, fabricantes, corporaciones transnacionales e instalaciones de investigaciones a nivel mundial han corroborado que su inversión inicial en la eliminación de transitorios puede recuperarse rápidamente por medio de la reducción de daños a los equipos, ahorros en costos de mantenimiento y mejoramiento del tiempo productivo de los sistemas.

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La selección de un fabricante de equipos supresores de transitorios con una reputación de productos y servicio de calidad es un factor vital para asegurar que su inversión valiosa en sistemas, equipos, maquinaria y operaciones esté resguardada. La diferencia radica en el diseño, rendimiento y ventajas tecnológicas de los dispositivos protectores contra transitorios (SPD o TVSS).

Los estudios han demostrado que casi un 80% de los transitorios en una instalación se generan internamente. Desde el encendido y apagado normales de máquinas copiadoras y acondicionadores de aire, hasta el funcionamiento de equipos robóticos, máquinas soldadoras y unidades de velocidad variable, prácticamente todas las máquinas o sistemas industriales generan transitorios o se ven afectados por ellos. El efecto cumulativo de estos transitorios, con el paso del tiempo, causa la degradación de semiconductores, lo cual causa fallas prematuras y da como resultado costosas pérdidas de tiempo y de productividad.

Entre los dispositivos para la supresión de transientes tenemos:

MOV (Metal Oxide Varistor), Ante la presencia de un transitorio, el Varistor cambia su resistencia de un valor alto a un valor muy bajo. De esta manera el transitorio es absorbido por el Varistor, protegiendo de esta forma los componentes electrónicos del circuito.

TVS (Transient Voltage Suppressor), Los Supresores de Transitorios de Voltaje son el único dispositivo que nos ayuda a desviar la energía de un transitorio hacia el sistema de puesta a tierra, protegiendo a todos los componentes que contengan circuitos integrados (microprocesadores, memorias, etc.), y en general a toda la red electrónica sensible.

Dispositivos Salta chispas.

Tubos de descarga de gas, Están construidos con tres electrodos dentro de una cápsula herméticamente sellada y llena con gas inerte (una mezcla de Hidrógeno y Argón). Funcionan de manera similar a los salta chispas con voltajes de activación comprendidos entre los 80 y cientos de voltios. Los hay de dos y tres electrodos.

Imagen 8 - www.electronicabasica.net

Imagen 9 - www.3d-electronic.com

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Diodos supresores de transitorios, al diodo supresor de transitorios lo podríamos comparar en funcionamiento con el de un zener, pero el diodo supresor es más rápido y maneja corrientes muy altas en periodos pequeños de tiempo.

5.3 Clasificación de Supresores

De acuerdo al lugar donde sean instalados los supresores, la norma IEEE C62.41 determina 3 categorías:

Supresores Tipo A, son los que se instalan como protección directa de los equipos electrónicos o cargas, por lo general se encuentran en las salidas de tomacorriente, en los multitomas, etc.

Supresores Tipo B, son los que se instalan como protección de alimentadores de gran potencia y a la entrada o salida de tableros de distribución secundarios.

Supresores Tipo C, son los que se instalan como protección principal en la entrada de la instalación contra sobretensiones externas. En la entrada entre el transformador y el primer tablero de distribución principal.

Imagen 11 - http://electronica-electronics.com/

Imagen 10 - electronica-electronics.com

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Bibliografía

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seguridadaerea. (s.f.). http://www.seguridadaerea.gob.es/. Obtenido de http://www.seguridadaerea.gob.es/media/3785431/modulo05_cap14.pdf

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