Especial avarias electrónicas: Tormentas eléctricas e perdas de dados

1. Introdução

Qualquer dispositivo electrónico dispõe de uma série de medidas protectoras para evitar que alguma alteração na fonte de alimentação produza danos nos componentes e afetem ao funcionamento. Porém, como qualquer medida de proteção, apenas poderá suportar incidências dentro de uns limites.

As companhias fornecedoras de abastecimento eléctrico devem controlar que a voltagem e a freqüência de sinal fornecida estejam em perfeito estado.

No entanto, há múltiplos motivos pelos que, efeitos indesejados, produzem uma alteração de estes valores nominais.

Os principais efeitos que produzem danos nos dispositivos por causas eléctricas são os seguintes:

  • Flutuações lentas da tensão
  • Descidas e subidas de tensão
  • Sobretensões e impulsos de curta duração
  • Mudanças de frequência

2. Causas que produzem avarias electrónicas.

As causas pelas que se produzem estes efeitos indesejados são varias:

  • Comutações de companhias eléctricas
  • Actuação de dispositivos de proteção de redes
  • Curto-circuitos
  • Entrada/Saída de cargas inductivas
  • Comutações de máquinas de grande potencia
  • Alterações produzidas por equipamentos conectados na mesma rede.
  • Descargas electrostáticas (ESD)
  • Transferências de energia (grupo electrogéneos)
  • Causas Naturais, principalmente os raios.

Tormentas eléctricas

A queda de um raio direto e próximo a uma linha de rede eléctrica produz diversos efeitos em ditas linhas que provocam uma sobre tensão sobre as mesas e um aumento de potencial da terra à qual estão conectadas. A corrente gerada por um raio típico pode atingir uns valores de entre 5 e 150 KA (Kilo amperes) com uns tempos de subida de mais de 0,1 a 5 (milissegundos) e mais de 20 a 300 de duração total.

Se estes níveis de perturbação chegassem até a entrada dos nossos dispositivos electrónicos, não poderiam ser assumidos pelos componentes instalados para a sua proteção. Por assim dizer, se tivéssemos um fusível à entrada da fonte de alimentação que demorasse mais 1 em cortar a entrada quando se produz uma sobretensao, o sistema de proteção não iria conseguir que o pico de tensão não afectasse os componentes internos e, portanto, destrui-los-ia e tornaria o dispositivo inoperativo.

As descargas electrostáticas são uma causa importante de danos nos equipamentos eléctrónicos; os efeitos são menos “espectaculares” que os causados pelas tormentas eléctricas, mas não por isso menos prejudiciais. Alguns dados informais cifram entre 8% e 33% o número de dispositivos “perdidos” pelas descargas electrostáticas.

O fenômeno de descarga ocorre quando se tocam dos corpos que se encontram a diferente potencial eléctrico e nesse contacto igualam o potencial, transferindo electrones entre eles. Esta transferência de electrones é em si mesma uma corrente eléctrica. Para termos uma idéia sobre o nocivo que pode ser um ligeiro formigueiro que é produzido quando roçamos alguém, basta com  dizer que: a andar sobre uma alcatifa podemos chegar a atingir uma tensão de 35.000V, sobre azulejos 12.000V e pegar num saco pode produzir uma descarga de 20.000V.

Durante 2006, 16,50% dos dispositivos que entraram no laboratório da Recovery Labs sofriam avarias electrónicas, situando-se como a segunda avaria mais importante.

informe_2006_4

 

Alguns exemplos de avarias electrónicas:
avaría electrónica3. Recuperação de Dadosavaría electrónica2. Recuperação de Dadosavaría electrónica1. Recuperação de Dados

3. Medidas

Podemos tomar diferentes medidas para nos protegermos perante possíveis avarias:

Uma das coisas boas que têm as tormentas é que normalmente são previsíveis e podemos desligar os dispositivos quando vão ocorrer. Mesmo tirar da tomada, já que só desligar o aparelho não seria suficiente e a subida de tensão poderia entrar pelos cabos, destruindo a fonte e os componentes que pudesse atingir no caminho.

Porém, se o dispositivo precisasse estar sempre a funcionar ou ligado, podemos usar um limitador de tensão ou um UPS (Uninterrupted Power Supply).

3.1. Limitadores de tensão

Um limitador é um circuito que permite, mediante o uso de resistências e díodos, eliminar tensões que não nos interessa que cheguem a um determinado ponto do circuito. Mediante um limitador podemos conseguir que cheguem somente tensões positivas e apenas negativas. Contudo, isto também pode ser feito com apenas um díodo, formando um rectificador de media onda. Desta forma centra-se num tipo de limitador e não permite que cheguem tensões a um circuito que poderiam ser prejudiciais para o mesmo.

Limitador sem polarizar

Imaginemos que num circuito como o da figura não nos interessa que cheguem tensões superiores a 0.7V ao circuito que estamos a proteger (neste caso o elemento que queremos proteger é a resistência de carga RL), nem positivos nem negativos. Montando os dois díodos e a resistência limitadora superiores como se pode ver na figura, conseguiríamos que qualquer tensão que excedesse de 0.7 V ou diminuísse de -0.7 V fosse recortada pelos díodos. Estes 0.7 V dos que falamos são a barreira de potencial do díodo. Há que ter em conta que a resistência limitadora (Rlim) é muito menor que a resistência de carga (RL). Deste modo a tensão que cai na resistência limitadora é praticamente nula e podemos desprezá-la.

Embora a resistência limitadora possa parecer desnecessária, é importante perceber que na realidade é uma parte imprescindível do limitador. Se não estiver ligada quando um dos díodos se polarizar diretamente (os dois díodos não podem estar polarizados diretamente ao mesmo tempo), este começará a conduzir a corrente eléctrica sem controlo e será destruído. Tal e como o seu nome indica, a resistência limitadora tem como função limitar a corrente que atravessa os díodo.

Deste modo, se a tensão de entrada superar por qualquer motivo os 0.7 V, o díodo D1 ficará polarizado diretamente e recortará o excesso de tensão. De igual modo, quando a tensão de entrada diminuir de -0.7, o díodo D2 ficará polarizado directamente e recortará o excesso de tensão que poderá danificar a carga.

limitador1

Limitador polarizado

Muitas vezes não interessa que os díodos recortem as tensões de entrada aos 0.7 V ou aos -0.7 V. Por exemplo, se quiséssemos que à entrada não chegassem  tensões superiores aos 10V ou inferiores aos -10V (estas tensões são aleatórias; escolhemos as que nos interessam), não podemos usar o circuito anteriormente mencionado, já que agora precisamos de um limitador polarizado. A única diferença respeito ao anterior limitador é que neste caso vamos polarizar os díodos com baterias, com o fim de ser necessária uma tensão de entrada maior que 0.7 V para os díodos se polarizarem.

Se quisermos que a tensão na carga não seja maior de 10V nem inferior de -10V, o circuito seria assim:

limitador2

Vejamos como funciona um circuito:

Quando a tensão de entrada se mantiver dentro dos limites normais, isto é, entre 10V e -10V, nenhum dos díodos faz nada.

No momento que a tensão é superior aos 10.7 V (os 10 V da bateria mais os 0.7 V da barreira de potencial do díodo), o díodo D1 fica polarizado diretamente e começa a conduzir corrente. Deste modo não permite que a tensão na carga aumente.

Se a tensão de entrada diminuir dos -10.7 V, neste caso é o díodo D2 que é polarizado directamente e começa a conduzir, não permitindo que a tensão na carga diminua até níveis perigosos.

Há que destacar que em vez de baterias, também poderiam conectar-se díodos zener polarizados inversamente cuja tensão zener fosse igual às de as baterias que precisamos colocar. Além disso, as duas baterias ou díodos zener não têm porque ter o mesmo potencial. Tudo depende de quais níveis de tensão queremos proteger o circuito. É muito importante ter em conta que, neste último caso, onde queremos recortar de forma diferente o semiciclo positivo e o negativo, deve-se tomar cuidado de que a segunda fonte seja maior que a primeira. Não pode ser a primeira maior que a segunda, já que se ambos diodos fossem fechados (coisa que pode ocorrer se (Vi-I.Rlim)>E1 (e por tanto se E1>E2, (Vi-I.Rlim)>E2), pelo que ambos diodos estão em polarização direta, ou curto-circuito, e a E1 tentará levar a E2 ao potencial que ela possui, pelo que destruirá a bateria.

 3.2 UPS

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Um UPS (Uninterrupted Power Supply) é um dispositivo que, graças à bateria de grande tamanho e capacidade, pode proporcionar energia eléctrica após um apagão a todos os dispositivos electrónicos conectados a ele. Outra função é La de regular o fluxo de electricidade, controlando as subidas e descidas de tensão e corrente existentes na rede eléctrica. Estão conectados a equipamentos chamados cargas críticas, que podem ser aparatos médicos, industriais ou informáticos, que tal como já foi dito anteriormente, precisam ter sempre alimentação e que esta seja de qualidade devido à necessidade de estar em todo o momento operativos e sem falhas (bicos de tensão ou quedas).

UPS de continua

sai2As cargas conectadas aos UPS requerem uma alimentação de corrente continua e, portanto, estes transformarão a corrente alterna da rede comercial a corrente continua e usá-la-ão para alimentarem a carga e armazená-la nas baterias. Assim, não exigem conversores entre as baterias e as cargas.

O esquema típico deste tipo de UPS consta de dois módulos principais: um de retificação que serve para converter a corrente em continua e outro de armazenamento de energia.

UPS de alterna

Estes UPS obtêm à saída uma sinal alterna, pelo que precisam de um inversor para transformarem a sinal continua que provem das baterias na sinal alterna.

Tipos

  • Passive standby: se há alimentação a carga obtem a energia diretamente da rede comercial e, simultaneamente as baterias carregam-se através de um retificador.
  • Line-interactive: é preciso um inversor bidirecional. Enquanto houver alimentação da rede, as baterias carregam-se através deste inversor; quando falhar esta alimentação, esta é obtida das baterias e a corrente percorre o inversor de forma contrária como o fazia durante a carga.
  • Double-conversion: esta é a topologia mais habitual do UPS de potencia. Primeiro retifica-se a sinal da rede comercial e a bateria alimenta-se; depois a sinal da rede (ou da bateria) vai para a carga através de um inversor.

Modos de funcionamento

  • Online: a saida do UPS provem diretamente das baterías e estas estao continuamente conetadas à corrente eléctrica e recarregando-se. Por isso, quando a corrente eléctrica é cortada, os equipamentos conectados em nenhum momento o percebem (exceto quando se acabam as baterias, claro). É a melhor opção, já que além das baterias estarem continuamente conectadas, tornam-se no melhor de voltagem e de sinal que podemos ter para os nossos equipamentos. A parte negativa é o preço, o qual pode ser quase o mesmo que o do computador.
  • Offline: quando se detectar a falha de corrente eléctrica, conectam as baterias para seguir oferecendo serviço. Têm um problema: entre a detenção de corte e o funcionamento das baterias decorre um pequeno espaço de tempo (apenas um segundo), mas é suficiente para que si tivermos equipamentos informáticos conectados, estes forem reiniciados. Portanto, não é adequado para soluções informáticas.

Fontes: Recovery Labs e Wikipedia.