Protección contra sobretensión para fuentes de alimentación

La protección contra sobrevoltaje de la fuente de alimentación es realmente útil: algunas fallas de la fuente de alimentación pueden generar grandes voltajes dañinos en el equipo. La protección contra sobretensiones evita que esto suceda tanto en los reguladores lineales como en las fuentes de alimentación conmutadas.

Aunque las fuentes de alimentación modernas ahora son muy confiables, siempre existe una posibilidad pequeña pero real 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, pueda fallar de tal manera que se produzca un cortocircuito. Si esto sucede, podría aparecer un voltaje muy grande, a menudo denominado sobrevoltaje, en el circuito que se está alimentando y causar daños catastróficos en todo el equipo.

Al agregar un pequeño circuito de protección adicional en forma de protección contra sobrevoltaje, es posible protegerse contra esta posibilidad poco probable pero catastrófica.

La mayoría de las fuentes de alimentación diseñadas para una operación muy confiable de equipos de alto valor incorporarán alguna forma de protección contra sobrevoltaje para garantizar que cualquier falla en 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.

Es posible que algunas fuentes de alimentación no incorporen protección contra sobretensión y no deben usarse para alimentar equipos costosos; es posible hacer un pequeño diseño de circuito electrónico y desarrollar un pequeño circuito de protección contra sobretensión y agregarlo como un elemento adicional.

Conceptos básicos de protección contra sobretensión

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

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

Aunque los suministros más complicados 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 el voltaje del regulador a la base del transistor.

Por lo general, el voltaje de entrada es tal que caen varios voltios a través del elemento regulador de voltaje en serie. Esto permite que el transistor de paso en serie regule adecuadamente el voltaje de salida. A menudo, la caída de voltaje en el transistor de paso en serie es relativamente alta: para un suministro de 12 voltios, la entrada puede ser de 18 voltios o incluso más para brindar la regulación requerida y el rechazo de ondulación, etc.

Esto significa que puede haber un nivel significativo de calor disipado en el elemento regulador de voltaje y combinado con cualquier pico transitorio que pueda aparecer en la entrada, esto significa que siempre existe la posibilidad de falla.

El dispositivo de paso en serie del transistor normalmente fallaría 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, el voltaje de entrada no regulado completo aparecerá en la salida del regulador de voltaje.

Si el voltaje total apareció en la salida, entonces podría dañar muchos de los circuitos integrados que se encuentran en el circuito que se está suministrando. En este caso, el circuito podría estar más allá de la 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 linealmente como para las fuentes de alimentación conmutadas, siempre es aconsejable alguna forma de protección contra sobretensiones.

Tipos de protección contra sobretensiones

Al igual que con muchas técnicas electrónicas, existen 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 costo, la complejidad y el modo de operación deben sopesarse al determinar qué método usar durante la etapa de diseño del circuito electrónico.

• Palanca SCR: como su nombre lo indica, el circuito de palanca coloca un cortocircuito en la salida de la fuente de alimentación si se experimenta una condición de sobretensión. Por lo general, los tiristores, es decir, los SCR, se utilizan para esto, ya que pueden cambiar grandes corrientes y permanecer encendidos hasta que se haya dispersado cualquier carga. El tiristor se puede vincular a un fusible que se funde y aísla al regulador para que no reciba más voltaje.

  Circuito de protección contra sobretensión de palanca de tiristor

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

  Si falla el transistor de paso en serie en la fuente de alimentación, el voltaje comenzará a aumentar; el desacoplamiento en la unidad asegurará que no aumente instantáneamente. A medida que sube, se elevará por encima del punto donde el diodo Zener comienza a conducir y la corriente fluirá hacia la puerta del tiristor, lo que hará que se dispare.

  Cuando el tiristor se dispara, cortará la salida de la fuente de alimentación a tierra, evitando daños a los circuitos que alimenta. Este cortocircuito también se puede usar para quemar un fusible u otro elemento, cortando la energía del regulador de voltaje y aislando la unidad de daños mayores.

  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 RF de la unidad que está siendo alimentada lleguen a la conexión de la puerta y provoquen un disparo espurio. Sin embargo, esto no debe ser demasiado grande, ya que puede ralentizar el disparo del circuito en un caso real de falla y la protección puede estar colocada demasiado lentamente.

  Nota sobre la protección contra sobrevoltaje de palanca de tiristor:

  El rectificador controlado por silicio tiristor o SCR se puede utilizar para proporcionar protección contra sobretensiones en un circuito de alimentación. Al detectar el alto voltaje, el circuito puede disparar el tiristor para colocar un cortocircuito o una palanca en el riel de voltaje para garantizar que no aumente a un alto voltaje.

  Lea más sobre Circuito de protección contra sobretensión de palanca de tiristores.

• Fijación de voltaje: otra forma muy simple de protección contra sobretensiones utiliza un enfoque llamado fijación de voltaje. En su forma más simple, se puede proporcionar utilizando un diodo Zener colocado en la salida de la fuente de alimentación regulada. Con el voltaje del diodo Zener elegido ligeramente por encima del voltaje máximo del riel, en condiciones normales no conducirá. Si el voltaje aumenta demasiado, entonces comenzará a conducir, sujetando el voltaje a un valor ligeramente superior al voltaje del riel.

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

  Abrazadera de sobretensión de diodo Zener
  (a) - diodo Zener simple, (b) - corriente más alta con búfer de transistor

• Limitación de voltaje: cuando se requiere protección contra sobrevoltaje para las fuentes de alimentación conmutadas, las técnicas SMPS de abrazadera y palanca se usan menos debido a los requisitos de disipación de energía y al posible tamaño y costo de los componentes.

  Afortunadamente, la mayoría de los reguladores de modo de conmutación fallan en condiciones de bajo voltaje. Sin embargo, a menudo es prudente implementar capacidades de limitación de voltaje en caso de condiciones de sobrevoltaje.
  
  A menudo, esto se puede lograr detectando la condición de sobrevoltaje y apagando el convertidor. Esto es particularmente aplicable en el caso de convertidores DC-DC. 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 CC-CC 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 de conmutación se daña y causa la condición de sobretensión, el mecanismo de detección también puede dañarse.

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

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

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