Proteção contra sobretensão para fontes de alimentação

A proteção contra sobretensão da fonte de alimentação é realmente útil - algumas falhas de PSU podem causar grandes tensões prejudiciais no equipamento. A proteção contra sobretensão evita que isso aconteça tanto em reguladores lineares quanto em fontes de alimentação comutadas.

Embora as fontes de alimentação modernas sejam agora muito confiáveis, sempre há uma chance pequena, mas real, de que elas possam falhar.

Eles podem falhar de várias maneiras e uma possibilidade particularmente preocupante é que o elemento de passagem em série, ou seja, o transistor de passagem principal ou FET pode falhar de tal forma que entre em curto-circuito. Se isso acontecer, uma tensão muito grande, muitas vezes chamada de sobretensão, pode aparecer no circuito que está sendo alimentado, causando danos catastróficos a todo o equipamento.

Ao adicionar um pequeno circuito de proteção extra na forma de proteção contra sobretensão, é possível proteger contra essa possibilidade improvável, mas catastrófica.

A maioria das fontes de alimentação projetadas para operação muito confiável de equipamentos de alto valor incorporará alguma forma de proteção contra sobretensão para garantir que qualquer falha na fonte de alimentação não resulte em danos ao equipamento que está sendo alimentado. Isso se aplica a fontes de alimentação lineares e também a fontes de alimentação comutadas.

Algumas fontes de alimentação podem não incorporar proteção contra sobretensão e não devem ser usadas para alimentar equipamentos caros - é possível fazer um pequeno projeto de circuito eletrônico e desenvolver um pequeno circuito de proteção contra sobretensão e adicioná-lo como um item extra.

Noções básicas de proteção contra sobretensão

Há muitas maneiras pelas quais uma fonte de alimentação pode falhar. No entanto, para entender um pouco mais sobre proteção contra sobretensão e os problemas do circuito, é fácil pegar um exemplo simples de um regulador de tensão linear usando um diodo Zener muito simples e um transistor de passagem em série.

Regulador de série básico usando um diodo zener e seguidor de emissor

Embora fontes mais complicadas ofereçam melhor desempenho, elas também contam com um transistor em série para passar a corrente de saída. A principal diferença é a forma como a tensão do regulador é aplicada à base do transistor.

Normalmente, a tensão de entrada é tal que vários volts caem no elemento regulador de tensão em série. Isso permite que o transistor de passagem em série regule a tensão de saída adequadamente. Muitas vezes, a queda de tensão no transistor de passagem em série é relativamente alta - para uma alimentação de 12 volts, a entrada pode ser de 18 volts ou ainda mais para fornecer a regulação necessária e a rejeição de ondulação, etc.

Isso significa que pode haver um nível significativo de calor dissipado no elemento regulador de tensão e combinado com quaisquer picos transitórios que possam aparecer na entrada, isso significa que sempre há a possibilidade de falha.

O dispositivo de passagem em série do transistor geralmente falharia em uma condição de circuito aberto, mas em algumas circunstâncias, o transistor pode desenvolver um curto-circuito entre o coletor e o emissor. Se isso ocorrer, a tensão de entrada não regulada completa aparecerá na saída do regulador de tensão.

Se a tensão total aparecer na saída, isso poderá danificar muitos dos CIs que estão no circuito sendo fornecido. Nesse caso, o circuito pode estar além do reparo econômico.

A maneira como os reguladores de comutação operam é muito diferente, mas há circunstâncias em que a saída total pode aparecer na saída da fonte de alimentação.

Tanto para fontes de alimentação reguladas lineares quanto para fontes de alimentação comutadas, é sempre aconselhável alguma forma de proteção contra sobretensão.

Tipos de proteção contra sobretensão

Tal como acontece com muitas técnicas eletrônicas, existem várias maneiras de implementar uma capacidade específica. Isso é verdade para a proteção contra sobretensão.

Existem várias técnicas diferentes que podem ser utilizadas, cada uma com suas características próprias. Desempenho, custo, complexidade e modo de operação precisam ser avaliados ao determinar qual método usar durante o estágio de projeto do circuito eletrônico.

• Pé de cabra SCR: Como o nome indica, o circuito de pé de cabra coloca um curto-circuito na saída da fonte de alimentação se ocorrer uma condição de sobretensão. Tipicamente tiristores, ou seja, SCRs são usados ​​para isso, pois podem alternar grandes correntes e permanecer ligado até que qualquer carga se disperse. O tiristor pode ser ligado de volta a um fusível que queima e isola o regulador de ter qualquer tensão adicional colocada sobre ele.

  Circuito de proteção contra sobretensão do pé de cabra do tiristor

  Neste circuito, o diodo Zener é escolhido de forma que sua tensão fique acima da tensão normal de operação da saída, mas abaixo da tensão onde ocorreria o dano. Nesta condução, nenhuma corrente flui através do diodo Zener porque sua tensão de ruptura não foi alcançada e nenhuma corrente flui para a porta do tiristor e ele permanece desligado. A fonte de alimentação funcionará normalmente.

  Se o transistor de passagem em série na fonte de alimentação falhar, a tensão começará a aumentar - o desacoplamento na unidade garantirá que ela não aumente instantaneamente. À medida que sobe, ele se eleva acima do ponto em que o diodo Zener começa a conduzir e a corrente fluirá para a porta do tiristor, fazendo com que ele seja acionado.

  Quando o tiristor é acionado, ele encurta a saída da fonte de alimentação para o terra, evitando danos ao circuito que alimenta. Este curto-circuito também pode ser usado para queimar um fusível ou outro elemento, desligando o regulador de tensão e isolando a unidade de mais danos.

  Freqüentemente, algum desacoplamento na forma de um pequeno capacitor é colocado da porta do tiristor para o terra para evitar que transientes agudos ou RF da unidade que está sendo alimentada entre na conexão da porta e cause um disparo espúrio. No entanto, isso não deve ser muito grande, pois pode retardar o disparo do circuito em um caso real de falha e a proteção pode estar em vigor muito lentamente.

  Nota sobre a proteção de sobretensão do tiristor Crowbar:

  O Tiristor ou SCR, Retificador Controlado de Silício pode ser usado para fornecer proteção contra sobretensão em um circuito de alimentação. Ao detectar a alta tensão, o circuito pode disparar o tiristor para colocar um curto-circuito ou um pé-de-cabra no trilho de tensão para garantir que ele não suba para alta tensão.

  Leia mais sobre Circuito de proteção de sobretensão do tiristor Crowbar.

• Fixação de tensão: Outra forma muito simples de proteção contra sobretensão usa uma abordagem chamada fixação de tensão. Em sua forma mais simples, pode ser fornecido usando um diodo Zener colocado na saída da fonte de alimentação regulada. Com a tensão do diodo Zener escolhida ligeiramente acima da tensão máxima do trilho, em condições normais ele não conduzirá. Se a tensão subir muito, ela começará a conduzir, fixando a tensão em um valor ligeiramente acima da tensão do trilho.

  Se for necessária uma capacidade de corrente mais alta para a fonte de alimentação regulada, um diodo Zener com um buffer de transistor pode ser usado. Isso aumentará a capacidade de corrente sobre o circuito de diodo Zener simples, por um fator igual ao ganho de corrente do transistor. Como um transistor de potência é necessário para este circuito, os níveis prováveis ​​de ganho de corrente serão baixos - possivelmente 20 - 50.

  Grampo de sobretensão do diodo Zener
  (a) - diodo Zener simples, (b) - corrente mais alta com buffer de transistor

• Limitação de tensão: Quando a proteção contra sobretensão é necessária para fontes de alimentação comutadas, as técnicas de grampo e pé de cabra SMPS são menos amplamente utilizadas devido aos requisitos de dissipação de energia e ao possível tamanho e custo dos componentes.

  Felizmente, a maioria dos reguladores de modo de comutação falham em condições de baixa tensão. No entanto, muitas vezes é prudente colocar em prática recursos de limitação de tensão em caso de condições de sobretensão.
  
  Muitas vezes, isso pode ser obtido detectando a condição de sobretensão e desligando o conversor. Isto é particularmente aplicável no caso de conversores DC-DC. Ao implementar isso, é necessário incorporar um loop de detecção que esteja fora do regulador IC principal - muitos reguladores de modo de comutação e conversores DC-DC usam um chip para atingir a maior parte do circuito. É muito importante usar um circuito de detecção externo porque se o chip regulador do modo de comutação estiver danificado, causando a condição de sobretensão, o mecanismo de detecção também poderá ser danificado.

  Obviamente, essa forma de proteção contra sobretensão requer circuitos específicos para o circuito específico e os chips de fonte de alimentação de modo de comutação usados.

Todas as três técnicas são usadas e podem fornecer proteção eficaz contra sobretensão da fonte de alimentação. Cada um tem suas próprias vantagens e desvantagens e a escolha da técnica precisa ser feita dependendo da situação dada.

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