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Protección contra la sobretensión de las fuentes de alimentación

Posted on noviembre 7, 2021

Circuitos de la fuente de alimentación Primer &Tutorial Incluye:
Resumen de la electrónica de la fuente de alimentación Fuente de alimentación lineal Fuente de alimentación en modo conmutado Protección contra la sobretensión Especificaciones de la fuente de alimentación Digital Bus de gestión de la energía: PMbus Fuente de alimentación ininterrumpida

Aunque las fuentes de alimentación modernas son ahora muy fiables, siempre hay una pequeña pero real posibilidad de que puedan fallar.

Pueden fallar de muchas maneras y una posibilidad particularmente preocupante es que el elemento de paso en serie, es decir, el transistor de paso principal o FET puede fallar de tal manera que entra en cortocircuito. Si esto ocurre, podría aparecer una tensión muy grande, a menudo conocida como sobretensión, en el circuito que está siendo alimentado, causando un daño catastrófico a todo el equipo.

Añadiendo un pequeño circuito de protección adicional en forma de protección contra la sobretensión, es posible protegerse contra esta posibilidad improbable pero catastrófica.

La mayoría de las fuentes de alimentación diseñadas para un funcionamiento muy fiable de equipos de gran valor incorporarán alguna forma de protección contra sobretensiones para garantizar que cualquier fallo de la fuente de alimentación no provoque daños en el equipo alimentado. Esto se aplica tanto a las fuentes de alimentación lineales como a las fuentes de alimentación conmutadas.

Algunas fuentes de alimentación pueden no incorporar protección contra la sobretensión y no deberían utilizarse para alimentar equipos caros – es posible hacer un pequeño diseño de circuito electrónico y desarrollar un pequeño circuito de protección contra la sobretensión y añadirlo como elemento extra.

Básicos de la protección contra la sobretensión

Hay muchas formas en las que una fuente de alimentación puede fallar. Sin embargo, para entender un poco más en la protección de sobretensión y los problemas del circuito es fácil tomar un ejemplo simple de un regulador de tensión lineal utilizando un diodo Zener muy simple y un transistor de paso en serie.

Regulador básico en serie que utiliza un diodo zener y un seguidor de emisor
Regulador básico en serie que utiliza un diodo zener y un seguidor de emisor

Aunque las fuentes más complicadas dan un mejor rendimiento, también dependen de un transistor en serie para pasar la corriente de salida. La principal diferencia es la forma en que se aplica la tensión del regulador a la base del transistor.

Típicamente, la tensión de entrada es tal que se dejan caer varios voltios a través del elemento regulador de tensión en serie. Esto permite al transistor de paso en serie regular adecuadamente la tensión de salida. A menudo la tensión que cae a través del transistor de paso en serie es relativamente alta – para una alimentación de 12 voltios, la entrada puede ser de 18 voltios o incluso más para dar la regulación requerida y el rechazo de ondulaciones, etc.

Esto significa que puede haber un nivel significativo de calor disipado en el elemento regulador de tensión y combinado con cualquier pico transitorio que podría aparecer en la entrada, esto significa que siempre hay una posibilidad de fallo.

El dispositivo de paso en serie del transistor fallaría más normalmente en una condición de circuito abierto, pero en algunas circunstancias, el transistor puede desarrollar un cortocircuito entre el colector y el emisor. Si esto ocurre, entonces la tensión completa de entrada no regulada aparecería en la salida del regulador de tensión.

Si la tensión completa apareciera en la salida, entonces podría dañar muchos de los CI que están en el circuito que se alimenta. En este caso, el circuito podría quedar sin posibilidad de reparación económica.

La forma en que operan los reguladores de conmutación es muy diferente, pero hay circunstancias en las que la salida completa podría aparecer en la salida de la fuente de alimentación.

Tanto para las fuentes de alimentación reguladas lineales como para las fuentes de alimentación conmutadas, siempre es aconsejable alguna forma de protección contra la sobretensión.

Tipos de protección contra la sobretensión

Como ocurre con muchas técnicas electrónicas, hay varias formas de implementar una capacidad particular. Esto es cierto para la protección contra sobretensiones.

Hay varias técnicas diferentes que se pueden utilizar, cada una con sus propias características. El rendimiento, el coste, la complejidad y el modo de funcionamiento deben sopesarse a la hora de determinar qué método utilizar durante la fase de diseño del circuito electrónico.

  • SCR Crowbar: Como su nombre indica, el circuito crowbar coloca un cortocircuito a través de la salida de la fuente de alimentación si se experimenta una condición de sobretensión. Normalmente se utilizan tiristores, es decir, SCR, ya que pueden conmutar grandes corrientes y permanecer encendidos hasta que la carga se haya dispersado. El tiristor puede conectarse a un fusible que se funde y aísla el regulador para que no reciba más tensión.

    Circuito de protección contra sobretensiones de tiristores o SCR
    Circuito de protección contra sobretensiones de tiristores

    En este circuito, el diodo Zener se elige de forma que su tensión esté por encima de la tensión normal de funcionamiento de la salida, pero por debajo de la tensión en la que se producirían daños. En esta conducción, no fluye corriente a través del diodo Zener porque no se ha alcanzado su tensión de ruptura y no fluye corriente a la puerta del tiristor y éste permanece apagado. La fuente de alimentación funcionará normalmente.

    Si el transistor de paso en serie de la fuente de alimentación falla, la tensión empezará a subir – el desacoplamiento de la unidad asegurará que no suba instantáneamente. A medida que aumente, lo hará por encima del punto en el que el diodo Zener empiece a conducir y la corriente fluirá hacia la puerta del tiristor haciendo que se dispare.

    Cuando el tiristor se dispare, cortocircuitará la salida de la fuente de alimentación a tierra, evitando que se dañen los circuitos que alimenta. Este cortocircuito también se puede utilizar para fundir un fusible u otro elemento, quitando la alimentación del regulador de voltaje y aislando la unidad de más daños.

    A menudo se coloca algún desacoplamiento en forma de un pequeño condensador desde la puerta del tiristor a tierra para evitar que los transitorios agudos o la RF de la unidad que se alimenta lleguen a la conexión de la puerta y causen un disparo espurio. Sin embargo, no debe hacerse demasiado grande, ya que puede ralentizar el disparo del circuito en un caso real de fallo y la protección puede entrar en funcionamiento demasiado lentamente.

    Nota sobre la protección contra sobretensiones del tiristor:

    El tiristor o SCR, rectificador controlado de silicio, puede utilizarse para proporcionar protección contra sobretensiones en un circuito de alimentación. Al detectar la alta tensión, el circuito puede disparar el tiristor para colocar un cortocircuito o crowbar a través del carril de tensión para asegurarse de que no se eleva a la alta tensión.

    Lea más sobre el circuito de protección de sobretensión Thyristor Crowbar.

  • Sujeción de tensión: Otra forma muy sencilla de protección contra sobretensiones utiliza un enfoque llamado sujeción de tensión. En su forma más simple se puede proporcionar mediante el uso de un diodo Zener colocado a través de la salida de la fuente de alimentación regulada. Si la tensión del diodo Zener se elige ligeramente por encima de la tensión máxima del carril, en condiciones normales no conducirá. Si el voltaje se eleva demasiado, entonces comenzará a conducir, sujetando el voltaje a un valor ligeramente por encima del voltaje del carril.

    Si se necesita una mayor capacidad de corriente para la fuente de alimentación regulada, entonces se puede utilizar un diodo Zener con un buffer de transistor. Esto aumentará la capacidad de corriente sobre el simple circuito de diodo Zener, por un factor igual a la ganancia de corriente del transistor. Como se requiere un transistor de potencia para este circuito, los niveles de ganancia de corriente probables serán bajos – posiblemente 20 – 50.

    Abrazadera de sobretensión de diodo Zener
    Abrazadera de sobretensión de diodo Zener
    (a) – simple diodo Zener, (b) – mayor corriente con buffer de transistor
  • Limitación de tensión: Cuando se requiere una protección de sobretensión para las fuentes de alimentación conmutadas, SMPS las técnicas de pinza y palanca son menos utilizadas debido a los requisitos de disipación de potencia y el posible tamaño y coste de los componentes.

    Afortunadamente la mayoría de los reguladores conmutados fallan en una condición de baja tensión. Sin embargo, a menudo es prudente establecer capacidades de limitación de la tensión en caso de condiciones de sobretensión.
    A menudo esto puede lograrse detectando la condición de sobretensión y apagando el convertidor. Esto es especialmente aplicable en el caso de los convertidores CC-CC. Al implementar esto, es necesario incorporar un bucle de detección que esté fuera del regulador IC principal – muchos reguladores de modo de conmutación y convertidores DC-DC utilizan un chip para lograr la mayor parte del circuito. Es muy importante utilizar un bucle de detección externo porque si el chip del regulador de modo conmutado se daña causando la condición de sobretensión, el mecanismo de detección también puede resultar dañado.

    Obviamente, esta forma de protección contra la sobretensión requiere circuitos que son específicos para el circuito particular y los chips de la fuente de alimentación de modo conmutado utilizados.

Las tres técnicas se utilizan y pueden proporcionar una protección eficaz contra la sobretensión de la fuente de alimentación. Cada una tiene sus propias ventajas y desventajas y la elección de la técnica debe hacerse dependiendo de la situación dada.

Más circuitos &Diseño de circuitos:
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