Protezione da sovratensione per alimentatori

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Anche se i moderni alimentatori sono ora molto affidabili, c’è sempre una piccola ma reale possibilità che possano fallire.

Possono fallire in molti modi e una possibilità particolarmente preoccupante è che l’elemento di passaggio in serie, cioè il transistor principale o il FET possa fallire in modo tale da andare in corto circuito. Se questo accade, una tensione molto grande, spesso indicata come una sovratensione, potrebbe apparire sul circuito che viene alimentato causando danni catastrofici all’intera apparecchiatura.

Aggiungendo un piccolo circuito di protezione extra sotto forma di protezione da sovratensione, è possibile proteggersi da questa possibilità improbabile ma catastrofica.

La maggior parte degli alimentatori progettati per un funzionamento molto affidabile di apparecchiature di alto valore incorporerà una qualche forma di protezione da sovratensione per garantire che qualsiasi guasto all’alimentazione non provochi danni alle apparecchiature alimentate. Questo vale sia per gli alimentatori lineari che per quelli a commutazione.

Alcuni alimentatori potrebbero non incorporare una protezione da sovratensione e questi non dovrebbero essere usati per alimentare apparecchiature costose – è possibile fare un po’ di progettazione di circuiti elettronici e sviluppare un piccolo circuito di protezione da sovratensione e aggiungerlo come elemento extra.

Fondamenti di protezione da sovratensione

Ci sono molti modi in cui un alimentatore può fallire. Tuttavia, per capire un po’ di più sulla protezione da sovratensione e sui problemi del circuito, è facile prendere un semplice esempio di un regolatore di tensione lineare che utilizza un diodo Zener molto semplice e un transistor di serie.

Anche se alimentatori più complicati danno prestazioni migliori, anch’essi si basano su un transistor in serie per passare la corrente di uscita. La differenza principale è il modo in cui la tensione di regolazione è applicata alla base del transistor.

In genere la tensione d’ingresso è tale che diversi volt sono caduti attraverso l’elemento regolatore di tensione in serie. Questo permette al transistor passa serie di regolare adeguatamente la tensione di uscita. Spesso la tensione caduta attraverso il transistor passa serie è relativamente alta – per un’alimentazione di 12 volt, l’ingresso può essere di 18 volt o anche di più per dare la regolazione richiesta e la reiezione dell’ondulazione, ecc.

Questo significa che ci può essere un livello significativo di calore dissipato nell’elemento regolatore di tensione e combinato con qualsiasi picco transitorio che potrebbe apparire all’ingresso, questo significa che c’è sempre una possibilità di fallimento.

Il dispositivo di passaggio in serie del transistor di solito fallisce in una condizione di circuito aperto, ma in alcune circostanze, il transistor può sviluppare un corto circuito tra il collettore e l’emettitore. Se questo accade, allora l’intera tensione d’ingresso non regolata apparirebbe nell’uscita del regolatore di tensione.

Se l’intera tensione apparisse sull’uscita, allora potrebbe danneggiare molti dei circuiti integrati che si trovano nel circuito alimentato. In questo caso il circuito potrebbe essere al di là della riparazione economica.

Il modo in cui operano i regolatori a commutazione è molto diverso, ma ci sono circostanze in cui l’uscita completa potrebbe apparire sull’uscita dell’alimentatore.

Per entrambi gli alimentatori regolati lineari e gli alimentatori a commutazione, una qualche forma di protezione da sovratensione è sempre consigliabile.

Tipi di protezione da sovratensione

Come per molte tecniche elettroniche ci sono diversi modi di implementare una particolare capacità. Questo è vero per la protezione da sovratensione.

Ci sono diverse tecniche che possono essere utilizzate, ognuna con le proprie caratteristiche. Prestazioni, costi, complessità e modalità di funzionamento devono essere tutti soppesati quando si determina quale metodo utilizzare durante la fase di progettazione del circuito elettronico.

• SCR Crowbar: Come implica il nome, il circuito crowbar mette un cortocircuito sull’uscita dell’alimentatore se si verifica una condizione di sovratensione. Tipicamente i tiristori, cioè gli SCR, sono usati per questo in quanto possono commutare grandi correnti e rimanere accesi fino a quando ogni carica si è dispersa. Il tiristore può essere ricollegato a un fusibile che salta e isola il regolatore da qualsiasi altra tensione posta su di esso.

  

  In questo circuito, il diodo Zener è scelto in modo che la sua tensione sia sopra la normale tensione operativa dell’uscita, ma sotto la tensione in cui si verificherebbero danni. In questa conduzione, nessuna corrente scorre attraverso il diodo Zener perché la sua tensione di rottura non è stata raggiunta e nessuna corrente scorre nel gate del tiristore e questo rimane spento. L’alimentatore funzionerà normalmente.

  Se il transistor passante in serie nell’alimentatore fallisce, la tensione inizierà a salire – il disaccoppiamento nell’unità assicurerà che non salga istantaneamente. Man mano che sale, supererà il punto in cui il diodo Zener inizia a condurre e la corrente fluirà nel gate del tiristore facendolo scattare.

  Quando il tiristore scatta, cortocircuiterà l’uscita dell’alimentatore a terra, evitando danni ai circuiti che alimenta. Questo cortocircuito può anche essere usato per far saltare un fusibile o un altro elemento, togliendo l’alimentazione al regolatore di tensione e isolando l’unità da ulteriori danni.

  Spesso qualche disaccoppiamento sotto forma di un piccolo condensatore è posto dal gate del tiristore a terra per evitare che transitori bruschi o RF dall’unità che viene alimentata arrivino alla connessione del gate e causino un innesco spurio. Tuttavia questo non dovrebbe essere fatto troppo grande in quanto potrebbe rallentare l’innesco del circuito in un caso reale di guasto e la protezione potrebbe essere in atto troppo lentamente.

  Nota sulla protezione di sovratensione del tiristore Crowbar:

  Il tiristore o SCR, Silicon Controlled Rectifier può essere usato per fornire protezione di sovratensione in un circuito di alimentazione. Rilevando l’alta tensione, il circuito può accendere il tiristore per mettere un cortocircuito o un piede di porco attraverso il binario di tensione per garantire che non salga ad alta tensione.

  Leggi di più su Thyristor Crowbar Overvoltage Protection Circuit.

• Morsetto di tensione: Un’altra forma molto semplice di protezione da sovratensione utilizza un approccio chiamato “voltage clamping”. Nella sua forma più semplice può essere fornita utilizzando un diodo Zener posto attraverso l’uscita dell’alimentazione regolata. Con la tensione del diodo Zener scelta per essere leggermente al di sopra della tensione massima della linea, in condizioni normali non condurrà. Se la tensione sale troppo, allora comincerà a condurre, bloccando la tensione a un valore leggermente superiore alla tensione di rete.

  Se è necessaria una maggiore capacità di corrente per l’alimentazione regolata, si può usare un diodo Zener con un buffer a transistor. Questo aumenterà la capacità di corrente rispetto al semplice circuito del diodo Zener, di un fattore pari al guadagno di corrente del transistor. Poiché per questo circuito è richiesto un transistor di potenza, i probabili livelli di guadagno di corrente saranno bassi – possibilmente 20 – 50.

  

• Limitazione di tensione: Quando la protezione da sovratensione è richiesta per gli alimentatori a commutazione, SMPS, le tecniche clamp e crowbar sono meno utilizzate a causa dei requisiti di dissipazione di potenza e delle possibili dimensioni e costi dei componenti.

  Fortunatamente la maggior parte dei regolatori a commutazione fallisce in una condizione di bassa tensione. Tuttavia è spesso prudente mettere in atto capacità di limitazione della tensione in caso di condizioni di sovratensione.
  Spesso questo può essere ottenuto rilevando la condizione di sovratensione e spegnendo il convertitore. Questo è particolarmente applicabile nel caso dei convertitori DC-DC. Quando si implementa questo, è necessario incorporare un anello di rilevamento che sia esterno al regolatore IC principale – molti regolatori a commutazione e convertitori DC-DC usano un chip per realizzare la maggior parte del circuito. È molto importante usare un anello di senso esterno perché se il chip del regolatore di modalità di commutazione è danneggiato causando la condizione di sovratensione, anche il meccanismo di senso può essere danneggiato.

  Ovviamente questa forma di protezione di sovratensione richiede circuiti che sono specifici per il particolare circuito e i chip di alimentazione di modalità di commutazione usati.

Tutte e tre le tecniche sono usate e possono fornire un’efficace protezione di sovratensione di alimentazione. Ognuna ha i suoi vantaggi e svantaggi e la scelta della tecnica deve essere fatta in base alla situazione data.

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