Protección Contra Sobretensiones Para Fuentes De Alimentación - Fundamentos Y Tipos.

Aunque las fuentes de alimentación modernas son ahora muy fiables, siempre existe una pequeña pero real posibilidad de que fallen. Pueden fallar de muchas maneras y una posibilidad especialmente preocupante es que el elemento de paso en serie, es decir, el transistor de paso principal o FET, falle de tal manera que se produzca un cortocircuito.

Si esto ocurre, podría aparecer una tensión muy grande, a menudo denominada 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 incorporan algún tipo 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 no incorporan protección contra sobretensiones y no deberían utilizarse para alimentar equipos caros; es posible realizar un pequeño diseño de circuito electrónico y desarrollar un pequeño circuito de protección contra sobretensiones y añadirlo como elemento adicional.

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    Fundamentos de la protección contra sobretensiones

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

    Fundamentos de la protección contra sobretensiones

    Aunque las fuentes más complicadas ofrecen 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.

    Normalmente, 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 proporcionar la regulación y el rechazo de ondulaciones requeridos, 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 hay una posibilidad de fallo.

    El dispositivo de paso en serie del transistor suele fallar 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 de entrada no regulada completa aparecería en la salida del regulador de tensión.

    Si la tensión completa apareciera en la salida, entonces podría dañar muchos de los circuitos integrados que se encuentran en el circuito alimentado. 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 algún tipo de protección contra la sobretensión.

    Tipos de protección contra sobretensiones

    Como ocurre con muchas técnicas electrónicas, hay varias formas de implementar una capacidad concreta. Esto es lo que ocurre con la protección contra la sobretensión.

    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 de palanca pone un cortocircuito en la salida de la fuente de alimentación si se produce 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.

    Tipos de protección contra sobretensiones

    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 ninguna corriente a través del diodo Zener porque no se ha alcanzado su tensión de ruptura y no fluye ninguna corriente hacia 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 hará que no suba instantáneamente. A medida que suba, lo hará por encima del punto en el que el diodo Zener comienza a conducir y la corriente fluirá hacia la puerta del tiristor haciendo que se dispare.

    Cuando el tiristor se dispara, cortocircuita 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 tensión y aislando la unidad de otros daños.

    A menudo se coloca un desacoplamiento en forma de 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 ser demasiado grande, ya que puede ralentizar el disparo del circuito en un caso real de fallo y la protección puede ser demasiado lenta.

    Sujeción de la tensión: Otra forma muy sencilla de protección contra la sobretensión utiliza un enfoque llamado bloqueo 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 empezará a conducir, sujetando el voltaje a un valor ligeramente superior al del carril.

    Si se necesita una mayor capacidad de corriente para la fuente de alimentación regulada, se puede utilizar un diodo Zener con un transistor de amortiguación. 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.

    Sujeción de la tensión

    Limitación de la 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 al posible tamaño y coste de los componentes.

    Afortunadamente, la mayoría de los reguladores de modo conmutado fallan en condiciones de baja tensión. Sin embargo, a menudo es prudente establecer capacidades de limitación de 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 dañarse.

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

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

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