Protecció de sobretensió per a fonts d'alimentació

La protecció contra sobretensió de la font d'alimentació és realment útil: algunes fallades de la PSU poden provocar grans tensions perjudicials a l'equip. La protecció contra sobretensió evita que això passi tant als reguladors lineals com a les fonts d'alimentació en mode de commutació.

Tot i que les fonts d'alimentació modernes són ara molt fiables, sempre hi ha una petita però real possibilitat que puguin fallar.

Poden fallar de moltes maneres i una possibilitat especialment preocupant és que l'element de pas en sèrie, és a dir, el transistor de pas principal o el FET, puguin fallar de tal manera que quedi curtcircuit. Si això succeeix, podria aparèixer una tensió molt gran que sovint es coneix com a sobretensió als circuits que s'alimenta i causant danys catastròfics a tot l'equip.

Afegint una mica de circuits de protecció addicionals en forma de protecció contra sobretensió, és possible protegir contra aquesta possibilitat poc probable però catastròfica.

La majoria de fonts d'alimentació dissenyades per a un funcionament molt fiable d'equips d'alt valor incorporaran algun tipus de protecció contra sobretensió per garantir que qualsevol fallada de la font d'alimentació no provoqui danys a l'equip que s'alimenta. Això s'aplica tant a fonts d'alimentació lineals com a fonts d'alimentació de mode de commutació.

És possible que algunes fonts d'alimentació no incorporin protecció contra sobretensió i aquestes no s'han d'utilitzar per alimentar equips cars; és possible fer un petit disseny de circuits electrònics i desenvolupar un petit circuit de protecció contra sobretensió i afegir-ho com a element addicional.

Conceptes bàsics de protecció contra sobretensió

Hi ha moltes maneres en què una font d'alimentació pot fallar. Tanmateix, per entendre una mica més la protecció de sobretensió i els problemes del circuit, és fàcil prendre un exemple senzill d'un regulador de tensió lineal que utilitza un díode Zener molt senzill i un transistor de pas en sèrie.

Regulador de sèrie bàsic que utilitza un díode zener i un seguidor emissor

Tot i que els subministraments més complicats donen un millor rendiment, també es basen en un transistor en sèrie per passar el corrent de sortida. La principal diferència és la forma en què s'aplica la tensió del regulador a la base del transistor.

Normalment, la tensió d'entrada és tal que es cauen diversos volts a través de l'element regulador de tensió en sèrie. Això permet que el transistor de pas en sèrie reguli la tensió de sortida adequadament. Sovint, la tensió caiguda a través del transistor de pas en sèrie és relativament alta; per a un subministrament de 12 volts, l'entrada pot ser de 18 volts fins i tot més per donar la regulació necessària i el rebuig d'ondulació, etc.

Això vol dir que pot haver-hi un nivell significatiu de calor dissipat a l'element regulador de tensió i combinat amb qualsevol punt transitori que pugui aparèixer a l'entrada, això significa que sempre hi ha una possibilitat de fallada.

El dispositiu de transmissió en sèrie de transistors normalment fallaria en una condició de circuit obert, però en algunes circumstàncies, el transistor pot desenvolupar un curtcircuit entre el col·lector i l'emissor. Si això passa, la tensió d'entrada no regulada completa apareixeria a la sortida del regulador de tensió.

Si la tensió completa apareixia a la sortida, podria danyar molts dels circuits integrats que es troben al circuit que s'està subministrant. En aquest cas, el circuit podria estar més enllà de la reparació econòmica.

La manera com funcionen els reguladors de commutació és molt diferent, però hi ha circumstàncies en què la sortida completa podria aparèixer a la sortida de la font d'alimentació.

Tant per a fonts d'alimentació regulades lineals com per a fonts d'alimentació en mode de commutació, sempre és recomanable algun tipus de protecció contra sobretensió.

Tipus de protecció contra sobretensió

Com passa amb moltes tècniques electròniques, hi ha diverses maneres d'implementar una capacitat determinada. Això és cert per a la protecció contra sobretensió.

Hi ha diverses tècniques que es poden utilitzar, cadascuna amb les seves pròpies característiques. El rendiment, el cost, la complexitat i el mode d'operació s'han de valorar a l'hora de determinar quin mètode utilitzar durant l'etapa de disseny del circuit electrònic.

• SCR Crowbar: com el seu nom indica, el circuit de la palanca col·loca un curtcircuit a la sortida de la font d'alimentació si s'experimenta una condició de sobretensió. Normalment s'utilitzen tiristors, és a dir, SCR, ja que poden canviar grans corrents i romandre encesos fins que s'hagi dispersat qualsevol càrrega. El tiristor es pot connectar de nou a un fusible que bufa i aïlla el regulador de cap voltatge addicional.

  Circuit de protecció contra sobretensió de la palanca del tiristor

  En aquest circuit, el díode Zener es tria de manera que la seva tensió estigui per sobre de la tensió de funcionament normal de la sortida, però per sota de la tensió on es produiria dany. En aquesta conducció, no circula cap corrent a través del díode Zener perquè no s'ha arribat a la seva tensió de ruptura i cap corrent flueix a la porta del tiristor i roman apagat. La font d'alimentació funcionarà amb normalitat.

  Si falla el transistor de pas en sèrie de la font d'alimentació, la tensió començarà a augmentar; el desacoblament de la unitat garantirà que no s'aixequi a l'instant. A mesura que s'eleva, s'elevarà per sobre del punt on el díode Zener comença a conduir i el corrent fluirà cap a la porta del tiristor provocant-lo.

  Quan el tiristor s'activa, curtirà la sortida de la font d'alimentació a terra, evitant danys als circuits que alimenta. Aquest curtcircuit també es pot utilitzar per saltar un fusible o un altre element, desconnectant el regulador de tensió i aïllant la unitat de més danys.

  Sovint, es col·loca una mica de desacoblament en forma d'un petit condensador des de la porta del tiristor fins a terra per evitar que els transitoris aguts o RF de la unitat que és l'alimentació entrin a la connexió de la porta i provoquin un disparador espúre. Tanmateix, això no s'ha de fer massa gran, ja que pot alentir l'encesa del circuit en un cas real de fallada i la protecció pot ser massa lentament.

  Nota sobre la protecció contra sobretensió de la palanca del tiristor:

  El tiristor o SCR, rectificador controlat de silici es pot utilitzar per proporcionar protecció contra sobretensió en un circuit d'alimentació. En detectar l'alta tensió, el circuit pot disparar el tiristor per col·locar un curtcircuit o una palanca a través del rail de tensió per assegurar-se que no s'eleva a una tensió alta.

  Llegiu més sobre Circuit de protecció contra sobretensió de la palanca del tiristor.

• Subjecció de tensió: una altra forma molt senzilla de protecció contra sobretensió utilitza un enfocament anomenat subjecció de tensió. En la seva forma més senzilla, es pot proporcionar mitjançant un díode Zener col·locat a través de la sortida de la font d'alimentació regulada. Amb la tensió del díode Zener escollida per ser lleugerament per sobre de la tensió màxima del carril, en condicions normals no conduirà. Si la tensió augmenta massa, començarà a conduir, subjectant la tensió a un valor lleugerament superior a la tensió del carril.

  Si es necessita una capacitat de corrent més alta per a la font d'alimentació regulada, es pot utilitzar un díode Zener amb un buffer de transistor. Això augmentarà la capacitat de corrent sobre el circuit de díode Zener simple, en un factor igual al guany de corrent del transistor. Com que es necessita un transistor de potència per a aquest circuit, els nivells de guany de corrent probables seran baixos, possiblement entre 20 i 50.

  Pinça de sobretensió de díode Zener
  (a) - díode Zener simple, (b) - corrent més alt amb buffer de transistors

• Limitació de tensió: quan es requereix protecció contra sobretensió per a fonts d'alimentació en mode de commutació, SMPS les tècniques de pinça i palanca s'utilitzen menys a causa dels requisits de dissipació de potència i de la possible mida i cost dels components.

  Afortunadament, la majoria dels reguladors de mode de commutació fallen en condicions de baixa tensió. No obstant això, sovint és prudent establir capacitats limitadores de tensió en cas de condicions de sobretensió.
  
  Sovint, això es pot aconseguir detectant la condició de sobretensió i apagant el convertidor. Això és especialment aplicable en el cas dels convertidors DC-DC. En implementar-ho, cal incorporar un bucle de sentit que es troba fora del regulador IC principal: molts reguladors de mode de commutació i convertidors DC-DC utilitzen un xip per aconseguir la major part del circuit. És molt important utilitzar un bucle de detecció extern perquè si el xip regulador del mode de commutació està danyat causant la condició de sobretensió, el mecanisme de detecció també es pot danyar.

  Òbviament, aquesta forma de protecció contra sobretensió requereix circuits específics per al circuit particular i els xips d'alimentació en mode de commutació utilitzats.

S'utilitzen les tres tècniques i poden proporcionar una protecció eficaç de sobretensió de la font d'alimentació. Cadascun té els seus propis avantatges i desavantatges i l'elecció de la tècnica s'ha de fer en funció de la situació donada.

Deixa un missatge 

Llista de missatges