Protección contra los rayos

De los cometas a los transistores

Si está pensando: «Yo no necesito un protector contra rayos porque no recuerdo que nunca haya caído uno en mi antena», O «Yo no necesito ninguna de estas cosas porque he oído que en realidad no funcionan y, además, siempre desconecto el cable coaxial o pongo a tierra la antena durante una tormenta» ¡que tenga mucha suerte! ¡La Madre Naturaleza está esperando a la vuelta de la esquina con una Avería por Onda de Choque Electrostática (GOTCHA en inglés).

Esta avería por onda de choque a menudo se presenta rápidamente sin aviso y sin compasión, particularmente desde que los componentes de estado sólido se emplean normalmente en receptores y transceptores. Esto se debe a que, si bien los dispositivos de estado sólido tienen muchas ventajas tecnológicas evidentes sobre las válvulas de vacío, sus uniones internas son bastante más frágiles y sensibles a los picos de tensión y las descargas electrostáticas.

El verdadero origen de estos picos y descargas (llamados transitorios o sobretensiones) invalidan las dos excusas indicadas anteriormente. En primer lugar, las sobretensiones de amplitud y duración muy amplias pueden ser generadas por caídas de rayo próximas y por la formación de cargas estáticas, incluso a varios kilómetros de distancia (figura 1). En segundo lugar, estas fuentes suelen estar fuera de la vista del operador, por lo que éste no tiene tiempo de realizar la conexión mecánica a tierra o de desconectar.

Aún menos conocido es el hecho de que este mismo tipo de daño puede producirse por descargas estáticas producidas por fuentes tan diversas como la nieve arrastrada por un fuerte viento, el viento en climas secos y las nubes en un día tranquilo. De hecho, hablando estadísticamente, los daños a los componentes de estado sólido pueden producirse 1.000 veces más a partir de estas fuentes que por la caída directa de un rayo.

Recuerdo que una vez, trabajando con un receptor de estado sólido de reciente tecnología durante una tarde nubosa, observé una brusca disminución de la lectura del S-meter. Se debió a un diodo PIN de entrada que se lo había «cargado» alguna descarga. Algunas semanas más tarde, los diodos del circuito de acoplamiento del vatímetro sufrieron la misma suerte.

El conocimiento de estas fuentes de sobretensiones distantes e indirectas no es nuevo. Por el contrario, fue este tipo de sobretensión que Benjamin Franklin soportó durante su famoso experimento del cometa y la llave en 1752. Demostró los efectos de las cargas estáticas almacenadas en las nubes cuando su energía se desplazaba por el cordel mojado y «saltaba» de la llave a su mano. Si entre la llave y su mano se hubiese conectado un dispositivo de estado sólido, con toda seguridad, su unión se habría perforado, con la correspondiente avalancha y fallo. Hoy en día, su antena, su equipo y su tierra simulan en todos los aspectos el sistema formado en 1752.

Si una de estas descargas produciese una avería irremediable en un dispositivo de estado sólido, se evidenciaría porque el operador encontraría un receptor «muerto» como resultado de ello. Y lo que es peor, los efectos podrían ser bastante más insidiosos que éstos. Según la descarga, puede producirse una ligera perforación de la unión que originará un desplazamiento de la Beta o de la característica de conmutación. El resultado puede ser una pérdida de ganancia del receptor como en mi caso, que el operador cree sencillamente se trata de unas pobres condiciones de la banda

Figura 1. La energía de una caída de rayo lejana o de una descarga estática puede barrer su antena con una velocidad de variación de 10 a 20 kV/µS, un pico de impulso de 5 kV y varios centenares de amperios de intensidad

o sospecha que hay un problema en la antena. La característica de conmutación desplazada puede ser causa de serios problemas de transmisión con respecto a la frecuencia y a la salida de RF. Los parámetros de los componentes continúan degradándose hasta que la operación correcta es imposible.

La naturaleza de la «bestia»

Para comprender la forma en que suelen fallar los dispositivos de estado sólido en presencia del rayo y de los transitorios inducidos estáticamente, en primer lugar debemos comprender la naturaleza de la cosa que «mata» estos dispositiVOS.

Los transitorios, definidos de manera sencilla, «son el resultado de la brusca liberación de energía almacenada previamente», y estas fuentes pueden ser caídas del rayo, formación de estática, nubes y viento. La liberación en forma de un impulso de tensión tiene un tiempo de subida de microsegundos, una velocidad de variación de microsegundos/kV, un valor de pico de kV, un tiempo de bajada al 50 % del pico en el borde de salida, un contenido de corriente de kA, y una anchura o duración definida como el tiempo transcurrido entre el momento «0» y el 50 % del borde de salida.

Figura 2. Forma de onda de un transitorio típico de caída de rayo.T₁ = Tiempo de subida, T₂ = Tiempo de caída del 50 % del borde de salida. T₂ también es la duración o anchura del impulso. La velocidad de la subida está determinada por la forma de la pendiente (véase el texto).

Un impulso de descarga de rayo «típico» es difícil de definir, ya que depende de las especificaciones que lea (los transitorios son variables e imprevisibles por naturaleza). Las especificaciones sobre este tema de IEEE, FCC, Rural Electrification Administration, NASA y MIL STD-704 conducen a una combinación aproximada que es la siguiente (figura 2):

1. Tiempo de subida: de 2 a 10 µs

2. Velocidad de subida: de 5 a 20 kV/µs

3. Valor de pico: de 3 a 5 kV

4. Caída al 50 %: de 50 a 1.000 µs

5. Contenido de corriente: de 500 a 20.000 A

6. Duración del impulso: igual que en 4.

Aún a riesgo de una generalización demasiado simplista, podemos decir que un impulso transitorio tiene un tiempo de subida muy rápido, puede tener una intensidad de 5 kV y tiene una anchura de unos 250 µs.

El protector contra rayos Transi-Trap, modelo R/T.

Aquí es cuando se presenta la avería por onda de choque electrostática. Típicamente, las uniones semiconductoras no pueden soportar un impulso de esta amplitud y sobrevivir sin daño, tanto catastrófico como gradual. Sin embargo, no todo está perdido. Si podemos encontrar un dispositivo que pueda derivar el inicio del impulso y mantenerlo fuera de los circuitos y del chasis del aparato (un fuerte impulso puede elevar el potencial del chasis con respecto a tierra unos 1.000 V y producir daños) y hacerlo con una respuesta de tiempo previsible de 100 ns o menos, dispondríamos de un «divisor de potencia de impulso» de unas 1.000 veces. Esto significa que la unión sería unas 1.000 veces menos propensa a sufrir daños que antes, y los ensayos han demostrado que la supervivencia puede ser casi del 100 % frente a un transitorio producido por la caída cercana de un rayo.

Pasado y presente de los protectores

El protector de separación de aire no aporta prácticamente ninguna protección a los componentes de estado sólido, ya que su tensión de ruptura y su tiempo de respuesta son imprevisibles debido a las características de formación de arco de las moléculas de aire que existen entre los electrodos que forman la separación de aire.

Además, la posición de los electrodos, como mucho, sólo puede ajustarse en las condiciones normales de temperatura y presión (22°C y 1 kg/cm²). Cualquier variación de estas condiciones produce un punto de cebado diferente y un retardo del mismo (tiempo de respuesta), y el producto de estos parámetros puede constituir un nivel completamente ineficaz.

El protector Alpha Delta Cormmunications Transi-Trap, modelo LT.

Cuando en un protector de separación de aire se produce por primera vez un transitorio de rayo o una sobretensión, las moléculas de aire situadas a lo largo de la supeficie del electrodo «caliente» se ionizan y son desplazadas en un movimiento aleatorio, en direcciones no rectilíneas. Al producirse este efecto en cascada, el proceso del aumento de velocidad de ionización pone más partículas ionizadas en movimiento, a una velocidad tan acelerada que se establece una gran turbulencia de aire, como un minitornado, entre los electrodos y hace que las moléculas de aire se esparzan aún más.

Eventualmente, las partículas ionizadas llegan al electrodo de «tierra», se forma un arco y el impulso de tensión del rayo es cortocircuitado a tierra. Como la longitud efectiva del camino (que determina la tensión de ruptura) es de naturaleza variable debido a la turbulencia y a los movimientos erráticos de las partículas, no puede asegurarse una tensión de ruptura precisa fijada a un nivel suficiente para proteger los componentes de estado sólido. Además, como el tiempo finito necesario para atravesar este camino (que determina el tiempo de respuesta de la separación de aire) es imprevisible, no puede asegurarse la adecuada velocidad de cebado que podría eliminar lo suficiente de la señal transitoria para evitar daños. Además, cuando se produce el cebado, entre los electrodos aún existe una tensión bastante elevada.

Figura 3. Comparación del diseño de protección convencional, que permite que la energía del arco circule por el chasis (a), con el diseño de «tierra aislada» que deriva el peligroso transitorio directamente a tierra (b).

En comparación, los protectores de tubo de gas especial como la serie Alpha Delta Transi-Trap Protector, resuelven este problema encerrando las placas en un tubo cerámico herméticamente sellado, lleno de un isótopo de característica de ruptura y tiempo de respuesta conocidos. El camino entre los electrodos es restringido y controlado por el diseño del tubo. Como resultado de ello, la naturaleza variable e imprevisible de las partículas ionizadas está minimizada. Este concepto conduce a un diseño de protector con un tiempo de respuesta de 100 ns y una tensión de ruptura previsible. Además, debido a la naturaleza del gas encerrado en el tubo cerámico, la tensión de ruptura y el tiempo de respuesta no son afectados por la humedad, la temperatura, la altitud ni las variaciones de presión, como en el dispositivo de separación de aire. Cuando el gas se ceba, la caída de tensión entre el arco es baja, de un nivel inofensivo.

Este concepto de diseño de protector permite fijar el cebado al menor nivel posible de impulso de rayo para la máxima protección de receptores, transceptores y amplificadores de estado sólido.

Aunque no es nuevo en aplicaciones militares y de aviación, esta clase de protector sólo se ha presentado recientemente a las comunicaciones de aficionados y comerciales. Sus prestaciones y características han sido bien estudiadas y documentadas por grupos como «Lightning and Transients Research Institute» de St. Paul, Minnesota.

Otras consideraciones de diseño

Para proporcionar la máxima protección, el protector debe emplear una característica conocida como «tierra aislada». Esta técnica mantiene el chasis fuera de la energía del peligroso arco, la cual es conducida directamente a tierra. Esto se consigue haciendo que el lado de tierra de la cámara de arco no tenga una conexión común con la pantalla coaxial del protector.

Se puede pensar que esto no es necesario cuando en el chasis hay una conexión de tierra. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que si la tierra del protector tiene una conexión común con la pantalla coaxial y por tanto con el chasis, la energía del arco deberá pasar por el chasis en su camino hacia el conductor de tierra. Según la magnitud del transitorio, se han medido potenciales de chasis superiores a 600 V con respecto a tierra. Si esto sucede, pueden producirse los mismos daños en las uniones de los semiconductores que si no existiese la protección en el circuito. Incluso si el conductor de tierra de protección se dirige a la misma conexión de tierra en el extremo opuesto del conductor de tierra del chasis, éste aún queda desviado satisfactoriamente (figura 3).

Por tanto, quítese el sombrero ante Benjamin Franklin, y aprendamos de su experimento. Después de todo, desde entonces sólo han transcurrido 231 años.