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Protecção contra transientes da corrente eléctrica em linhas de dados

Aplicação técnica nº 85

Por Joseph Seymour

2005 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obtenção de dados sem o consentimento por escrito do proprietário dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2005-0

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Sumário Executivo Os transientes eléctricas (picos de tensão) em linhas de dados podem destruir

equipamento informático em ambientes empresariais e de escritório doméstico. Muitos

utilizadores têm em conta o risco de picos de tensão na alimentação, mas descuram os

picos de tensão nas linhas de dados. Esta nota de aplicação explica como se criam estes

transientes, que efeitos devastadores podem ter no equipamento eléctrico e como

funcionam os dispositivos de eliminação de picos de tensão.


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Introdução Os distúrbios eléctricos constituem uma forte ameaça para equipamento eléctrico e de dados. Os

distúrbios eléctricos podem ter diferentes designações, como sejam picos de tensão ou transientes de

corrente. Independentemente do nome, os efeitos destes distúrbios são os mesmos: transientes,

degradação e danos, o que significa automaticamente períodos de inactividade do equipamento. Perante a

crescente popularidade das redes de computadores, os efeitos dOs transientes nas linhas de comunicação

assumem igualmente grande importância. As linhas de comunicação que entram nos edifícios, quer seja

por cima ou por baixo do solo, podem transferir grandes transientes para as instalações domésticas ou

empresariais. Criados através de vários tipos de acoplamento (transmissão de energia eléctrica de um

sistema para outro através de campos magnéticos), os transientes de corrente podem provocar sérios

danos às interfaces de comunicação no interior do edifício. Como os transientes de corrente podem ter

origens diversas, pode não ser suficiente ter uma só camada de eliminação de picos de tensão, aplicada a

linhas de admissão, para proteger completamente as linhas internas e o equipamento.

Ao discutir os efeitos particulares que uma perturbação de corrente pode ter nas linhas de dados é

importante compreender, em termos gerais, o que são linhas dados e como transportam dados sob a

forma de electricidade. Uma linha de dados é um cabo de comunicação condutor que transporta baixos

níveis de voltagem para estabelecer comunicação entre dispositivos ligados entre si. Entre os exemplos

mais vulgares de cabos de dados temos coaxial, cabos Ethernet CAT5 e linha telefónica. Os dados são

transferidos de um aparelho para outro, com níveis variáveis de voltagem, do equipamento de transmissão

para o equipamento de recepção, passando pelas linhas de dados. O equipamento de recepção processa

os níveis de voltagem, interpretando-os e traduzindo-os de forma a transformá-los em dados que possa

compreender e seguir.

Embora as linhas de dados tenham tendência para transportar apenas baixos níveis de voltagem, elas são

feitas de material condutor e estão tão sujeitas a sofrer transientes de corrente e picos como outras linhas

condutoras. Na generalidade, uma perturbação de corrente é um desvio a curto prazo de um nível de

voltagem ideal (ou sinal no caso de computadores e dispositivos electrónicos). Este desvio indesejado

pode provocar uma falha, ou até mesmo uma avaria, num dispositivo electrónico. Algum equipamento

utilizado para comunicação por linhas de dados só está desenhado para funcionar com limiares muito

baixos de voltagem e pode facilmente ficar danificado se os níveis de voltagem ultrapassarem o patamar

desejado. Além disso, os transientes de corrente têm origens diversas, o que significa que nenhuma

configuração de equipamento elimina estes transientes.


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A Figura 1 mostra os resultados de um estudo produzido pela Florida Power, que divide os problemas de

qualidade de alimentação em vários grupos. O gráfico mostra que 15% dos problemas de qualidade

energética se devem à queda de raios, 5% devem-se a subestações de electricidade pública que

introduzem transientes através de comutação de grelha e os transientes geradas por equipamento de

escritório são responsáveis por 60% dos problemas gerais de qualidade de alimentação.

Figura 1 – Estudo da Florida Power sobre ocorrência de problemas de qualidade de alimentação

em ambiente empresarial

Equipamento deescritório 60,0%

Queda de raios15%

Corrente pública5,0%

Vizinho20%

Como surgem os transientes da corrente eléctrica Podem existir transientes em qualquer tipo de condutor, sejam linhas eléctricas públicas, linhas de

telefone, de dados ou de sinal. Os tipos de linhas de dados existentes em várias Redes Locais (LAN)

incluem RS-232, RS-422, Ethernet e Token Ring, circuito fechado de TV, sistemas de alarme e vigilância,

bem como CNC / interface máquina-ferramenta.

Os picos, um tipo de transientes, são curtas sobre tensões, normalmente medidas em milissegundos. Este

excesso indesejado de energia eléctrica pode ser facilmente criado em qualquer linha condutora. Os

transientes podem ter forte conteúdo energético e podem danificar o equipamento, ou provocar o seu mau

funcionamento, transmitindo sinais defeituosos devido a níveis de voltagem incorrectos. Os equipamentos

comandados por microprocessadores e por outros circuitos integrados (CI) são especialmente vulneráveis

a transientes de corrente. O acoplamento indutivo, originário de fontes diversas, é normalmente o

responsável pelos transientes típicos de linhas de dados.


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Menos conhecida do que a forma como surgem os transientes de alimentação de CA directa é a maneira

como os transientes de acoplamento indutivo são produzidos nas linhas de dados. Criam-se campos

magnéticos, sempre que a corrente eléctrica percorre um material condutor. Se for colocado um segundo

condutor no campo magnético do primeiro condutor e o campo magnético estiver num estado de fluxo,

então esse campo magnético pode induzir uma corrente no segundo condutor. A utilização de um campo

magnético para criar corrente e induzir voltagem, sem chegar a ligar fisicamente ao outro material

condutor, é a base de funcionamento de um transformador, como os utilizados nas linhas públicas de

electricidade. Um transformador gera um campo magnético amplificado a partir de fio helicoidal no

primário, que induz uma voltagem no fio helicoidal do secundário. Pela mesma lógica, os fios que correm

lado a lado num edifício conseguem acoplar magneticamente transientes, como se pode ver pela Figura 2.

Este acoplamento pode ser causado por uma linha de alimentação, que induz uma voltagem numa linha de

dados adjacente, ou de uma linha de dados para outra (o que é normalmente designado de “crosstalk”).

Figura 2 – Acoplamento indutivo

Fluxo magnético

Linha dealimentaçao

Linha dedados

Induz fluxo decorrente

A queda de raios pode originar um tipo de acoplamento magnético muito mais forte, que pode provocar

danos imediatos em vários dispositivos, com uma só descarga. A Figura 3 mostra um raio a atingir o solo.

O raio está rodeado por um campo magnético poderosíssimo. Da mesma forma que um campo magnético

de um condutor pode induzir transientes num condutor adjacente, o campo magnético de um raio pode

induzir energia numa linha de alimentação externa, sem atingir directamente a linha. Mais importante do

que isso, se um raio cair muito perto de quaisquer instalações pode induzir transientes em linhas de dados

internas, que o seu campo magnético atravessa. Esses transientes podem baralhar dados que estejam a

ser transferidos pelas linhas ou provavelmente provocar danos ao equipamento instalado. Outro termo

utilizado para definir acoplamento indutivo é Interferência electromagnética (EMI) ou ruído.


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Figura 3 – Campo magnético criado por queda de raio

Fluxo magnético

Embora o acoplamento entre fios e derivado de quedas de raios sejam duas das origens que melhor se

conhecem relativamente a transientes de linhas de dados, há outras causas importantes de acoplamento,

que podem ser prejudiciais à infra-estrutura de dados de uma instalação. Quando se planeia ou revê o

plano de linhas de dados de uma instalação, devem ter-se em conta as seguintes causas geradoras de

acoplamento indutivo:

• linhas de dados colocadas à volta de condutores eléctricos

• colocar cabos de dados perto de condutores de pára-raios (linhas ou estruturas de um edifício

com a função de transportar a descarga eléctrica dos raios para o solo).

• colocar cabos de dados perto da estrutura de aço do edifício (especialmente quando perto de

condutores de pára-raios)

• colocar linhas de dados demasiado perto de luz fluorescente (que emite EMI)

Estas são algumas das principais fontes de acoplamento indutivo em linhas de dados, mas podem existir

muitas mais em quaisquer tipo de instalações.

Efeitos dos transientes da corrente eléctrica A maior parte do equipamento eléctrico que se vê actualmente em instalações e nalguns lares tem por

base tecnologia de circuitos integrados e de microprocessadores. Devido a certas características comuns

a circuitos integrados e microprocessadores, este equipamento é especialmente sensível a transientes de

corrente. É possível encontrar dispositivos compostos e controlados por microprocessadores em

praticamente qualquer contexto. Entre este género de equipamento electrónico encontram-se

computadores e seus derivados, redes informáticas e de dados (como as LAN), equipamento de

telecomunicações, equipamento de diagnóstico médico, maquinaria de produção CNC, equipamento de

rádio, televisões, equipamento de televisão por satélite, caixas registadoras electrónicas, fotocopiadoras,

aparelhos de fax, etc. A maior parte desse equipamento também se encontra frequentemente ligado a uma

linha de dados para fins comunicacionais.


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Os três factores que contribuem para a sensibilidade a transientes por máquinas compostas por CI

(circuitos integrados) são:

1. O espaçamento de CI e de traçados de placas de circuitos

2. O limite aplicado de voltagem operativa

3. O recurso a um ciclo do relógio para sincronizar certas operações (como acontece com os

computadores).

O espaçamento de CI e de traçados de placas de circuitos O primeiro dos factores que contribuem para a sensibilidade a transientes por parte de equipamento

composto por CI é o curto espaçamento existente entre os componentes de circuitos integrados e de

traçados de placas de circuitos. Em muitos casos, o espaçamento é muito inferior à espessura de um pêlo

humano. A alimentação passa na placa de circuito através de linhas condutoras ou traçados. Estes

traçados, internos ou externos a um CI e da própria placa de circuito, têm um certo limiar de expansão e

contracção. O calor gerado pelo fluxo de alimentação através dos componentes das placas de circuito

pode provocar alguma expansão e a ausência deste fluxo contracção. Se um transiente penetrar nestes

traçados pode provocar sobreaquecimento, causando fracturas microscópicas na estrutura da placa de

circuito, o que por sua vez pode originar o cruzamento de traçados normalmente separados. Tal pode

gerar curto-circuitos internos, que podem avariar o dispositivo. Nalguns casos, estas fracturas

microscópicas não causam qualquer dano imediato, mas aumentam lentamente de tamanho devido à

normal expansão e contracção dos componentes, ou geram mais fracturas, que fazem com que o

dispositivo vá funcionando cada vez pior até ficar completamente avariado.

O limite aplicado de voltagem operativa O segundo factor que contribui para a sensibilidade CI é o aumento gradual da voltagem operativa de que

os dispositivos CI necessitam para funcionar. Ao mesmo tempo que se reduzia em tamanho e se

aumentava a eficiência dos componentes dos computadores, num esforço para conservar a alimentação, a

voltagem operativa necessária para colocar esses componentes a funcionar foi sendo gradualmente

reduzida. Uma voltagem operativa normal de 5VDC para alguns dispositivos internos de computadores foi

reduzida para 3,3VDC e pode decrescer ainda mais. Isto significa que o limiar que um sistema composto

por CI consegue suportar também diminuiu. Se um transiente aumentasse o nível de voltagem para 5VDC

num sistema com 3,3VDC de base, poderia facilmente provocar estragos.

O recurso a um ciclo do relógio O terceiro factor que contribui para a sensibilidade de dispositivos compostos por CI é a utilização de um

ciclo do relógio para sincronizar as operações dos componentes internos. A maior parte das operações

nos computadores são sincronizadas por um ciclo do relógio, que é baseado numa voltagem que funciona

a uma determinada frequência. A EMI consegue por vezes imitar o ciclo do relógio dos computadores a

determinadas frequências, o que faz com que o computador interprete como comandos estes falsos ciclos

do relógio. Esses falsos comandos podem provocar muitos erros de lógica, que se podem manifestar no

bloqueio do teclado, na falha de programas ou no bloqueio do sistema. O efeito oposto é a EMI levar o

computador a deixar passar certos comandos válidos, o que também originar o mesmo tipo de problemas.


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Avarias mais comuns provocadas por transientes As avarias mais comuns provocadas por transientes em dispositivos electrónicos são as de origem

disruptiva, dissipadora e destrutiva.

EFEITOS DISRUPTIVOS — surgem normalmente quando um transiente penetra no equipamento por

acoplamento indutivo (seja em linhas de dados ou de alimentação). Os componentes electrónicos tentam

depois processar o transiente como comando lógico válido. O resultado é o bloqueio dos sistemas, falhas

de funcionamento, emissão desacertada, perda ou deterioração de ficheiros e uma série de outros efeitos

indesejados.

EFEITOS DISSIPADORES — estão associados a repetidas pressões sobre os componentes CI. Os

materiais utilizados para fabricar CIs conseguem suportar um certo número de repetidos picos de tensão,

mas não durante um longo período de tempo. A degradação a longo prazo acaba por fazer com que os

componentes deixem de funcionar.

EFEITOS DESTRUTIVOS — abrangem todos os casos em que transientes com elevados níveis

energéticos provocam avaria imediata do equipamento. Muitas vezes à dano físico visível, como placas de

PC e componentes queimados ou partidos, componentes electrónicos derretidos, ou outros indicadores

claros.

Protecção contra transientes e sua eliminação Uma perturbação é uma pequena, e muitas das vezes prolongada, alteração da voltagem ou do sinal

adequados. Quanto maior a magnitude da perturbação, maior a possibilidade de ele perturbar ou danificar

o equipamento electrónico. Como já foi referido anteriormente, os transientes podem surgir em qualquer

material condutor, daí que afectem não só dispositivos ligados a linhas públicas de electricidade, como

também dispositivos ligados a linhas telefónicas, cabos Ethernet, cabos coaxiais, cabos de comunicação

em série, etc.

Dispositivos de protecção contra picos de tensão Um Dispositivo de protecção contra picos de tensão, ou SPD, diminui a magnitude destes picos de tensão,

de modo a proteger o equipamento contra potenciais danos. Mas um SPD não reduz necessariamente o

pico de tensão a uma amplitude nula. O SPD reduz simplesmente a perturbação a um nível que implique

uma transmissão segura para a carga eléctrica respectiva. Isto acontece porque o limiar de alimentação

pode variar num dispositivo e reduzir a voltagem a zero seria pouco prático para funcionamento

permanente do equipamento em questão. Em vez disso, o SPD diminui a perturbação para um nível

razoável, consoante o equipamento que está encarregado de proteger. Alguns SPD mais evoluídos

também fornecem filtragem de ruído para atenuar quaisquer inconsistências provocadas por EMI na forma

da onda de alimentação, para que não possa passar para o respectivo equipamento.


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De forma resumida, pode dizer-se que os SPD impedem que níveis de voltagem prejudiciais atinjam o

equipamento. Os SPD conseguem fazê-lo quer por absorção da voltagem em excesso, quer por desvio da

mesma, ou até por combinação destas duas. A Figura 4 mostra uma seta a ser disparada para um alvo de

palha. O alvo de palha representa o SPD e a seta a perturbação de corrente. Quando a seta atinge o alvo

é absorvida e liga-se ao alvo. Contudo, é a espessura do alvo que determina se a seta é travada ou se o

consegue atravessar. Para além disso, a seta provoca sempre danos ao alvo, o que faz com ele possa não

ser tão eficaz das próximas vezes. Agora suponha que existe um escudo de metal à frente ao alvo.

Quando a seta é disparada, embate no escudo e ricocheteia de forma inofensiva para a parte lateral do

alvo. É isto que fazem basicamente grande parte dos SPD. Os SPD ora absorvem a energia (e consoante

o seu grau de eficácia, assim se traduz o grau de protecção contra picos de tensão, embora não impeçam

os danos), ora desviam a voltagem para o fio de ligação à terra das instalações. Na maioria dos casos, os

SPD utilizam uma combinação de dispositivos para absorver e desviar os transientes de corrente.

Figura 4 – Absorção e reflexão dos transientes

TransienteReflexão

AbsorçãoTransiente

O aprisionamento é uma função que os SPD utilizam para limitar transientes de corrente. O

aprisionamento é o processo através do qual os componentes do SPD reduzem os transientes a um nível

de voltagem mais baixo, que seja razoável para o equipamento eléctrico sob protecção. A energia que

passa para o equipamento eléctrico depois de atravessar a redução de transientes de corrente de um

SPD, designa-se de voltagem remanescente. Mais uma vez, no caso da maioria dos SPD, este processo

não reduz a voltagem da perturbação a zero volts, ou abaixo de níveis necessários ao funcionamento da

carga respectiva. A redução excessiva dos transientes abaixo dos níveis necessários poderia colocar em

situação de esforço excessivo o próprio SPD.

Entre os componentes mais vulgarmente utilizados para SPD temos os Varistores de óxido metálico

(MOV). Um MOV é um resistor não linear com propriedades semicondutoras específicas. O MOV mantém-

se num estado não condutor, permitindo que a corrente passe normalmente até uma perturbação penetrar

na linha. Nessa altura, o MOV começa a fazer o papel de condutor, transferindo a voltagem excessiva para

a terra. O nível de amperagem aumenta na mesma proporção do grau de aprisionamento, o que mantém a

voltagem remanescente passada para o equipamento a níveis aceitáveis, até o transiente de corrente

estabilizar.


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Os MOV costumam ser combinados com fusos térmicos, que são colocados em linha com o circuito de

alimentação do equipamento protegido, para cortar alimentação para o respectivo equipamento no caso de

uma perturbação catastrófica. Se um transiente for grande e constante o suficiente, pode atingir o pico de

voltagem operativa do MOV, o que faz com que o MOV perca a capacidade de barramento. Se esta falha

ocorrer, o calor pode fazer com que o fuso térmico, que costuma estar perto ou ligado ao MOV, interrompa

o fluxo de corrente e impeça a passagem de qualquer tipo de corrente para o equipamento protegido.

Utilizam-se MOV em SPD devido à sua natureza consistente. Um MOV deixará sempre passar o mesmo

grau de voltagem e iniciará sempre a condução do excesso de voltagem ao mesmo de nível, até atingir o

ponto de avaria.

Mas os SPD não resolvem todos os problemas de qualidade da alimentação. Não conseguem impedir

compressões (sub tensões) e dilatações (longas sobre tensões) na alimentação CA fornecida pela corrente

pública. Também não conseguem reduzir as oscilações produzidas por cargas não lineares, como motores

e fontes de alimentação de modo de comutação nos computadores e nalguns sistemas de iluminação

fluorescente. Se ocorrer uma perda de voltagem de linha pública pode recorrer-se por exemplo a uma

UPS, que possui uma bateria que fornece provisoriamente alimentação até ser restabelecida a corrente

pública.

Ligação à terra Uma das principais questões de alimentação, especialmente no que se refere aos SPD, é a ligação à terra.

A terra é um elemento indispensável a qualquer rede de alimentação, de sinal ou de dados. Todos os

níveis de voltagem e de sinal têm como referência a terra. A maioria dos SPD também utiliza linhas de

ligação à terra para desviar o excesso de voltagem, no caso de ocorrer uma perturbação. Sem uma

correcta ligação à terra, os SPD podem não conseguir funcionar devidamente.

As ligações à terra das instalações só devem estar ligadas a um único ponto comum de ligação localizado

no quadro eléctrico de manutenção da entrada. Esse ponto único de ligação à terra evita que se gerem

inadvertidamente múltiplos pontos de ligação à terra. Múltiplos pontos de ligação à terra podem originar

diferenças na voltagem da corrente pública, provocando o fluxo de correntes indesejadas nas linhas de

dados de baixa voltagem. Estas correntes indesejadas podem fluir sob formas menos prejudiciais, como o

ruído, que pode contaminar a transmissão de dados, ou sob a forma de fortes transientes que podem

danificar o equipamento e linhas de transmissão. A Figura 5 apresenta um exemplo de “ground loop”.

Cada aparelho tem uma ligação à terra independente (cada receptáculo de alimentação apresenta uma

terra diferente). Podem surgir problemas se o equipamento estiver ligado através de algum tipo de linha de

dados com terra (e que seja condutora). Na Figura 5 o computador está ligado a uma impressora através

de um cabo de comunicações em paralelo. Se existir uma diferença potencial entre terras (diferença na

carga) do equipamento, a corrente pode fluir de um dispositivo para outro através do cabo paralelo, para

tentar equilibrar a carga. Este fenómeno é denominado “ground loop” e pode provocar danos significativos

no equipamento que, em condições de normal funcionamento, tem um limiar de alimentação baixo.

Embora este exemplo só se reporte a um edifício, os “ground loops” podem difundir-se entre vários

edifícios.


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Figura 5 – “Ground loop” Receptáculo 1 Receptáculo 2

Cabo da impressora

Computador Impressora

Ligação à terra 1 Ligação à terra 2

Computadorligado à terra

(Ligação à terra 1)

Fluxo de correnteprovocado por potencial

de terra.

Impressoraligada à terra

(Ligação à terra 2)

Uma abordagem estratificada para protecção contra transientes É aconselhável aplicar uma rede de SPD para ter uma defesa estratificada contra transientes. Uma

primeira barreira serviria para controlar os picos de tensão que entram nas instalações, como os

transientes nas linhas de alimentação, que podem ser causados por quedas de raios. Outras barreiras

serviriam depois para controlar os transientes de alimentação interna e das linhas de dados. Como a maior

parte dos transientes de corrente são gerados no interior do edifício é fundamental compreender e aplicar

SPD para melhorar a qualidade de alimentação de quaisquer instalações.


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Esta abordagem estratificada constitui a forma mais eficaz de prevenir os efeitos nefastos causados por

transientes. É tão importante seguir esta abordagem para transientes de linhas de alimentação, como para

transientes de linhas de dados. As instalações de grandes dimensões possuem algum tipo de primeira

linha de defesa contra transientes de linha de dados. Por exemplo, muitos lares e instalações utilizam um

tubo de gás ou SPD “spark gap” (geralmente fornecida pela companhia dos telefones) para ajudar a

reduzir picos de tensão elevados para um nível razoável, em equipamento telefónico simples (como

telefones autónomos, que não precisam de alimentação auxiliar para funcionar). Contudo, a voltagem

remanescente destes SPD de primeira barreira muitas vezes não atenua a voltagem para um nível

suficientemente baixo, que impeça de danificar o equipamento electrónico sensível, como os modems de

ADSL ou de marcação telefónica dos computadores (ou até os próprios computadores associados a estes

modems). Isto também se aplica a outro tipo de equipamento electrónico sensível ligado a linhas coaxiais,

como equipamento de áudio / vídeo, ou equipamento de modem por cabo de banda larga. É por este

motivo que se devem utilizar SPD suplementares para proteger os dispositivos individualmente, atenuando

ainda mais a voltagem remanescente que atravessa a primeira camada de SPD.

Conclusões Quando se fala em combate aos transientes, está-se a referir geralmente a distúrbios relacionados com as

linhas de alimentação eléctrica. No entanto, dada a percentagem de transientes geradas no interior de um

edifício, dentro da rede de linha de dados, torna-se imperioso avaliar a necessidade de eliminação de

picos de tensão em linhas de dados. Qualquer linha condutora constitui um potencial veículo de

transientes e são inúmeras as possíveis fontes de acoplamento indutivo de quaisquer instalações. O

equipamento informático actual funciona com limiares de alimentação cada vez mais baixos, o que

significa que é importante ter atenção a graus de interferência eléctrica cada vez menores para poder

impedir danos e adulteração de dados. O método ideal para protecção contra picos de tensão é uma

abordagem estratificada, reduzindo primeiro os picos de tensão externos ou outros igualmente fortes e

depois atenuá-los ainda mais internamente, antes de deixar passar a energia para o equipamento

electrónico sensível. A eliminação de picos de tensão em linha de dados é indispensável para defender o

equipamento sensível de possíveis adulterações de dados, para impedir danos em linha de dados de baixa

voltagem e para impedir que se criem locais de livre passagem de transientes eléctricos.

Acerca do autor: Joseph Seymour é o Analista de reclamações chefe do Departamento de reclamações da APC de West

Kingston, RI. Avalia e investiga os danos provocados pelos transientes catastróficas e aprecia as

reclamações dos clientes catalogadas segundo a Política de protecção de equipamento da APC.

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