Las sobretensiones eléctricas representan una amenaza silenciosa para los dispositivos electrónicos modernos. Comprender los fundamentos técnicos de estos fenómenos y los mecanismos de protección disponibles resulta esencial para salvaguardar equipos que, en muchos casos, superan los 2.000 euros de valor en un hogar medio español.

¿Qué son las sobretensiones desde una perspectiva técnica?

Una sobretensión se define como cualquier tensión que supera el valor nominal de la red eléctrica (230V en España) durante un período transitorio. Estos picos pueden alcanzar desde 250V en sobretensiones menores hasta varios miles de voltios en casos extremos causados por descargas atmosféricas.

Clasificación según origen y magnitud

Sobretensiones de origen interno (Tipo 1)

• Generadas por la conmutación de cargas inductivas (motores, transformadores)
• Magnitud típica: 250-400V
• Duración: microsegundos a milisegundos
• Frecuencia: alta (varias veces al día)

Sobretensiones de origen externo (Tipo 2)

• Causadas por descargas atmosféricas indirectas
• Magnitud típica: 1.000-6.000V
• Duración: nanosegundos a microsegundos
• Frecuencia: media (según actividad tormentosa)

Sobretensiones de impacto directo (Tipo 3)

• Provocadas por rayos directos en las líneas
• Magnitud: superior a 10.000V
• Duración: nanosegundos
• Frecuencia: baja pero devastadora

Mecanismos de daño en dispositivos electrónicos

Los circuitos integrados modernos operan con tensiones de 1,2V a 5V y corrientes de miliamperios. Cuando una sobretensión penetra en estos circuitos, se producen varios fenómenos destructivos:

Degradación térmica

El exceso de energía se disipa como calor, elevando la temperatura del silicio por encima de los 150°C, punto en el que las uniones semiconductoras se destruyen irreversiblemente.

Ruptura dieléctrica

Las sobretensiones superiores a 7V pueden romper las capas de óxido de silicio en los transistores MOSFET, creando cortocircuitos permanentes.

Migración electrolítica

Las corrientes excesivas provocan el desplazamiento de átomos metálicos en las pistas conductoras, generando circuitos abiertos.

Arquitectura de protección: componentes y funcionamiento

Los sistemas de protección contra sobretensiones emplean varios componentes especializados que actúan en cascada para limitar tanto la tensión como la corriente de los transitorios.

Varistores de óxido metálico (MOV)

Principio de funcionamiento: Los varistores son resistencias dependientes de la tensión fabricadas con óxido de zinc. En condiciones normales (230V), presentan una resistencia de varios megaohmios, comportándose como un circuito abierto. Cuando la tensión supera el umbral de conducción (típicamente 385V), la resistencia desciende drásticamente a unos pocos ohmios, derivando la corriente excesiva a tierra.

Características técnicas:

• Tiempo de respuesta: < 25 nanosegundos
• Capacidad de absorción: 500-8.000 julios
• Tensión de ruptura: 385V ± 10%
• Corriente máxima: 1.000-120.000A

Limitaciones: Los varistores se degradan con cada actuación, reduciendo su capacidad de protección. Tras absorber su energía nominal, pierden eficacia y requieren sustitución.

Descargadores de gas (GDT)

Funcionamiento: Consisten en electrodos separados por un gas noble (argón o neón) a baja presión. Cuando la tensión supera el umbral de ionización, el gas se convierte en plasma conductor, creando un arco que deriva la sobretensión.

Ventajas técnicas:

• Capacidad de corriente muy alta (hasta 40.000A)
• Baja capacitancia parásita (< 1pF)
• Mayor durabilidad que los varistores
• Tiempo de respuesta: 100 nanosegundos

Aplicaciones específicas: Se emplean principalmente en la primera etapa de protección, donde las corrientes de sobretensión son más elevadas.

Diodos supresores de transitorios (TVS)

Características: Los diodos TVS son semiconductores diseñados para conducir en avalancha cuando se supera su tensión inversa de ruptura. Ofrecen el tiempo de respuesta más rápido (< 1 picosegundo) pero menor capacidad de corriente.

Aplicación: Se utilizan como protección final en circuitos sensibles, especialmente en líneas de datos y señal.

Fusibles térmicos

Función de seguridad: Actúan como último recurso de protección, interrumpiendo permanentemente el circuito cuando la temperatura supera los 120°C, evitando incendios por sobrecalentamiento de los componentes de protección.

Topologías de protección en cascada

Los sistemas profesionales emplean arquitecturas multicapa que combinan diferentes tecnologías:

Etapa primaria (Clase I)

• Componente: Descargadores de gas de alta capacidad
• Ubicación: Cuadro eléctrico principal
• Función: Absorber corrientes de rayo (> 25kA)

Etapa secundaria (Clase II)

• Componente: Varistores de óxido metálico
• Ubicación: Subcuadros y regletas
• Función: Limitar tensiones residuales a < 1.500V

Etapa terciaria (Clase III)

• Componente: Diodos TVS y varistores pequeños
• Ubicación: Equipos terminales
• Función: Protección final < 10V

Parámetros críticos de evaluación

Corriente nominal de descarga (In)

Indica la corriente máxima que el dispositivo puede absorber repetidamente sin degradación. Valores típicos:

• Uso doméstico: 5.000-20.000A
• Uso profesional: 40.000-120.000A

Nivel de protección (Up)

Tensión máxima que alcanza el dispositivo protegido durante una sobretensión normalizada. Valores deseables:

• Equipos informáticos: < 1.500V
• Electrodomésticos: < 2.500V

Tiempo de respuesta (tr)

Intervalo entre el inicio de la sobretensión y la actuación del protector:

• Varistores: 25 nanosegundos
• Descargadores de gas: 100 nanosegundos
• Diodos TVS: < 1 picosegundo

Capacidad de energía (W/j)

Energía total que puede absorber el dispositivo antes del fallo:

• Aplicaciones básicas: 100-500 julios
• Aplicaciones críticas: 1.000-8.000 julios

Instalación y coordinación de protecciones

Selectividad energética

Para garantizar la coordinación entre etapas, se debe mantener una distancia mínima de 10 metros de cable entre protecciones consecutivas, o instalar bobinas de desacoplamiento de 10-20 µH.

Conexión a tierra

La eficacia del sistema depende críticamente de una tierra de baja impedancia (< 10Ω). La longitud de los conductores de tierra debe minimizarse para reducir la inductancia parásita.

Indicadores de estado

Los protectores profesionales incluyen señalización visual (LED) o acústica que indica:

• Verde: protección activa
• Rojo: protección degradada o agotada
• Apagado: protección inoperativa

Normativas y certificaciones aplicables

EN 61643-11

Norma europea que define los requisitos para protectores de Clase II (instalación fija). Especifica ensayos de:

• Corriente nominal (ensayo 8/20 µs)
• Corriente máxima (ensayo 10/350 µs)
• Tensión de protección
• Envejecimiento acelerado

IEC 61000-4-5

Standard internacional para ensayos de inmunidad a sobretensiones, definiendo formas de onda normalizadas y niveles de severidad.

Mantenimiento y vida útil

Criterios de sustitución

Los protectores deben reemplazarse cuando:

• El indicador visual señale fallo
• Hayan transcurrido 10 años desde la instalación
• Tras una sobretensión severa (rayo próximo)
• Presenten signos de sobrecalentamiento

Registro de eventos

Se recomienda llevar un registro de:

• Tormentas locales significativas
• Cortes de suministro eléctrico
• Averías en equipos conectados
• Estado de los indicadores de protección

Consideraciones económicas

Análisis coste-beneficio

El coste de un sistema de protección completo (150-300€) resulta insignificante comparado con:

• Televisor premium: 1.500-3.000€
• Equipo informático: 800-2.000€
• Electrodomésticos inteligentes: 500-1.500€
• Pérdida de datos: valor incalculable

Retorno de inversión

Estadísticamente, un hogar español experimenta 2-3 sobretensiones significativas anuales. Sin protección, la probabilidad de daños en 5 años supera el 80%.

Tendencias tecnológicas emergentes

Protección inteligente

Los nuevos sistemas incorporan:

• Monitorización remota via IoT
• Registro de eventos con timestamp
• Predicción de mantenimiento mediante IA
• Integración con sistemas domóticos

Materiales avanzados

• Varistores de grafeno con mayor durabilidad
• Descargadores híbridos gas-semiconductor
• Materiales piezorresistivos auto-reparables

Conclusiones técnicas

La protección contra sobretensiones constituye un sistema complejo que requiere comprensión de múltiples disciplinas: electrónica, materiales, normativa y estadística. La inversión en protección adecuada no solo preserva el valor económico de los equipos, sino que garantiza la continuidad operativa en un mundo cada vez más dependiente de la tecnología.

La correcta selección, instalación y mantenimiento de estos sistemas representa una de las medidas de mayor retorno de inversión en el ámbito de la seguridad eléctrica doméstica.

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Preguntas frecuentes técnicas

¿Por qué los varistores se degradan con el tiempo? Cada sobretensión que absorbe un varistor provoca microfracturas en la estructura cristalina del óxido de zinc, reduciendo gradualmente su capacidad de absorción energética. Este proceso es irreversible y acumulativo, por lo que los varistores tienen vida útil limitada.

¿Cómo puedo calcular la protección necesaria para mi instalación? La capacidad requerida se calcula considerando la corriente de cortocircuito de la instalación, la proximidad a líneas aéreas y la criticidad de los equipos. Como regla general: viviendas urbanas requieren 20-40kA, viviendas rurales con líneas aéreas necesitan 40-60kA.

¿Es cierto que los protectores pueden crear más problemas que beneficios? Solo si están mal dimensionados o instalados incorrectamente. Un protector subdimensionado puede fallar prematuramente, mientras que uno sobredimensionado puede no actuar cuando debería. La coordinación profesional es esencial.

¿Qué diferencia hay entre la protección en el cuadro eléctrico y en las regletas? La protección en cuadro (Tipo 1) maneja corrientes de rayo extremas pero permite tensiones residuales de 2-4kV. La protección en regletas (Tipo 2) reduce estas tensiones a niveles seguros para electrónicos (<1,5kV) pero no soporta corrientes de rayo directo.

Fuente: Regletas inteligentes