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

La electrónica presente en 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, más inteligentes y más rápidos en casi todo, también ha hecho que nuestros dispositivos sean más sensibles a picos de energía impredecibles y a otros eventos de sobrecorriente.

No son solo la electrónica de consumo o el cableado doméstico los que necesitan protección. Desde la electrificación de los Estados Unidos de América en el siglo XIX, se produjo la electrificación y la consiguiente automatización de nuestras fábricas y líneas de montaje, y, en las últimas décadas, la aparición de enormes centros de datos. En conjunto, estas demandas de energía eléctrica han superado lo que cualquiera en el siglo XIX habría podido predecir. Este crecimiento sin precedentes en el uso de energía —desde nuestros ordenadores domésticos hasta los PLC de nuestras fábricas— requiere una protección fiable contra la sobrecorriente para garantizar el estilo de vida de nuestros ciudadanos, así como la productividad de nuestras economías.

Entre las numerosas vulnerabilidades de la electrónica moderna, dos eventos de sobrecorriente son los más comunes. Uno de los eventos de sobrecorriente más frecuentes es el cortocircuito. El cortocircuito ocurre cuando se forma un bucle que va desde la fuente de alimentación y regresa a sí misma, sobre el cual actúa poca o ninguna impedancia. Esto convierte el circuito en un bucle de retroalimentación positiva, en el que los electrones del circuito entran en resonancia y ganan cada vez más energía con el tiempo. La única vía de escape para esta energía creciente es transformarse 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 tensión. Estos ocurren cuando se añaden a un circuito aumentos anómalos de corriente que superan la carga de corriente esperada para la que dicho circuito fue diseñado. Un ejemplo de ello es la caída de un rayo cerca de una infraestructura de energía eléctrica.

Además, protegerse contra los eventos de sobrecorriente no es solo un esfuerzo por 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 el bienestar de personas como los trabajadores de fábrica, 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 que puedan poner en peligro la vida.

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 fueron uno de 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 su resistencia produciría 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. En ocasiones, es necesario recurrir a métodos de protección de circuitos más complejos que ofrezcan ventajas en casos de uso más complicados.

Aquí es donde entran en juego los disyuntores.

Los disyuntores fueron diseñados como una fuente más fiable de protección para circuitos y electrónica. Un disyuntor contiene múltiples componentes que pueden ser calibrados por los usuarios o fabricantes para satisfacer las necesidades de cada caso de uso particular, 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 ante un evento de sobrecorriente.

Hardware moderno disponible

Existen tres categorías 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 un componente magnético. Utilizan la teoría del electromagnetismo que rige los solenoides y las varillas con núcleo de hierro para controlar el flujo de electricidad a través del solenoide a medida que se mueve la varilla con núcleo de hierro rodeada por dicho solenoide. El tiempo de reacción de estos disyuntores depende de la viscosidad del líquido utilizado, que actúa como medio entre la varilla con 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 sencillo mientras la corriente se encuentra en los valores nominales o por debajo de ellos. (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 de interrupción máxima de 2500A a 32VCC. (Imagen cortesía de Carling.)

Los disyuntores de fuga de equipos y falla a tierra utilizan mediciones de la fuerza electromotriz (FEM). Las corrientes de entrada y salida producen FEM que son iguales en magnitud pero de signo opuesto (positivo o negativo). Durante el flujo normal, la suma de la entrada y la salida se anulan mutuamente, y el circuito permanece cerrado. En caso de sobrecorriente, una de esas FEM sería mayor que la otra, lo que da como resultado 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 de circuito por falla a tierra 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, lo mejor es 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, ya que esto puede 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