Circuit de palanca

La fiabilitat de qualsevol dispositiu electrònic depèn del grau de disseny dels circuits de protecció del maquinari. L’usuari final (consumidor) és propens a equivocar-se i és responsabilitat d’un bon dissenyador de maquinari protegir el seu maquinari de qualsevol contratemps. Hi ha amplis tipus de circuits de protecció cadascun amb les seves pròpies aplicacions específiques. Els tipus de circuits de protecció més habituals són els circuits de protecció contra sobretensió, els circuits de protecció contra la polaritat inversa, els circuits de protecció contra sobretensions de corrent i de soroll. En aquest tutorial parlarem del circuit de palanca, que és un tipus de circuit de protecció contra sobretensió i que s’utilitza habitualment en dispositius electrònics. Pràcticament també crearem aquest circuit i verificarem com funciona a la vida real.

Materials necessaris

• Fusible
• Diodo Zener
• Tiristor
• Condensadors
• Resistències
• Diodo de Schottky

Diagrama del circuit de palanca

El diagrama de circuits d'un circuit de palanca és molt senzill i fàcil de construir i implementar, cosa que el converteix en una solució rendible i ràpida. A continuació es mostra el diagrama complet del circuit de palanca.

Aquí la tensió d'entrada (sonda blava) és la tensió que s'ha de controlar i el circuit està dissenyat per tallar l'alimentació quan la tensió d'alimentació supera els 9,1V. A la secció de treball següent discutirem la funció de tots els components.

Funcionament del circuit de palanca

Un circuit de palanca controla la tensió d'entrada i quan supera el límit crea un curtcircuit a través de les línies elèctriques i fa saltar el fusible. Un cop bufat el fusible, la font d’alimentació es desconnectarà de la càrrega i evitarà així l’alta tensió. El circuit funciona creant un curtcircuit directe a través de les línies elèctriques, com si es deixés caure una palanca entre les línies elèctriques del circuit. D’aquí que rebi el seu nom icònic com a palanca.

La tensió sobre la qual el circuit hauria de crear un curtcircuit depèn de la tensió de Zener. El circuit consisteix en un SCR que es connecta directament a través de la tensió d'entrada i la terra del circuit, però per defecte aquest SCR es manté en estat apagat posant a terra el pas de la porta del SCR. Quan la tensió d'entrada supera la tensió de Zener, el díode Zener comença a conduir-se i, per tant, es subministra una tensió al pin de porta del SCR fent que tanqui la connexió entre la tensió d'entrada i la terra creant així un curtcircuit. Aquest curtcircuit obtindrà un corrent màxim de la font d'alimentació i farà saltar el fusible aïllant la font d'alimentació de la càrrega. El funcionament complet també es pot entendre fàcilment mirant la imatge GIF de més amunt. També podeu trobar un vídeo de demostració al final d'aquest tutorial.

La imatge superior representa com el circuit de la palanca respon exactament quan es produeix la condició de sobretensió. Com podeu veure, el díode Zener aquí té una puntuació de 9,1 V, però la tensió d’entrada supera el valor i actualment és de 9,75 V. Així doncs, el díode Zener s’obre i comença a conduir proporcionant una tensió al pin Gate del SCR. Aleshores, el SCR comença a conduir mitjançant un curtcircuit de la tensió d’entrada i la terra i, per tant, fa saltar el fusible a causa del màxim consum de corrent, tal com es mostra al GIF anterior. A continuació s’explica la funció de cada component d’aquest circuit.

Fusible: el fusible és el component vital d’aquest circuit. La potència del fusible sempre ha de ser inferior a la potència màxima de corrent del SCR i superior al corrent consumit per la càrrega. També hem d’assegurar-nos que la font d’alimentació pot generar prou corrent per trencar el fusible en cas de fallades.

Condensador 0.1uF: és un condensador de filtratge; elimina els pics i altres sorolls com els harmònics de la tensió d'alimentació per evitar que el circuit formi un fals desencadenament.

Diode Zener de 9,1 V: aquest díode decideix el valor de la sobretensió, ja que aquí hem utilitzat un díode Zener de 9,1 V, el circuit respondrà a qualsevol voltatge que estigui per sobre del seu valor llindar de 9,1 V. El dissenyador pot triar el valor d'aquesta resistència segons les seves necessitats.

Resistència 1K: només és una resistència de tracció que manté el pas de la porta del SCR a terra i, per tant, el manté apagat fins que el Zener comença a conduir.

Condensador de 47 nF: tots els interruptors d’alimentació, com ara SCR, requereixen un circuit de protecció per suprimir els pics de tensió durant la commutació i evitar que el SCR es desencadeni falsament. Aquí acabem d’utilitzar un condensador per fer la feina. El valor del condensador hauria de ser suficient per filtrar el soroll, perquè un alt valor de capacitat augmentarà el retard en què comença a realitzar el SCR després d’aplicar el pols Gate.

Tiristor (SCR): el tiristor és responsable de crear un curtcircuit a través dels rails elèctrics. S’ha de tenir precaució perquè el SCR pugui manejar un valor tan alt de corrent per fer saltar el fusible i danyar-se. La tensió de la porta del SCR ha de ser inferior a la tensió de ruptura de Zener. Obteniu més informació sobre Tiristor aquí.

Diodo Schottky: aquest díode no és obligatori i només s’utilitza amb finalitats de protecció. Assegura que no obtenim cap corrent invers del costat de la càrrega que pugui danyar el circuit de protecció. S'utilitza un díode Schottky en lloc d'un díode normal, ja que té menys caiguda de tensió.

Maquinari

Ara que hem entès la teoria del circuit de Crowbar, és hora d’entrar en la part divertida. En realitat, es tracta de construir el circuit a la part superior d’una taula de pa i comprovar com funciona en temps real. El circuit que estic construint és per a una bombeta de 12V. Aquesta bombeta consumeix uns 650 mA sota una tensió de funcionament normal de 12V. Dissenyarem el circuit de palanca per comprovar si la tensió supera els 12V i, si ho fa, curtcircuitarem el SCR i, per tant, farem saltar el fusible. Així doncs, aquí he utilitzat un díode Zener de 12V i un tiristor TYN612. El fusible està muntat dins d’un portafusibles, aquí hem utilitzat un fusible de cartutx de 500 mA. La configuració completa es mostra a la imatge següent

He utilitzat un RPS per controlar la tensió d'entrada, inicialment la configuració es prova amb 12V i funciona bé en encendre la bombeta. Més tard, la tensió augmenta mitjançant el comandament RPS, creant així un curtcircuit a través del SCR i fent saltar el fusible, que també apaga la bombeta i l'aïlla de la font d'alimentació. El funcionament complet també es pot comprovar al vídeo al final d'aquesta pàgina.

Limitacions del circuit de palanca

Tot i que el circuit s’utilitza àmpliament, té les seves pròpies limitacions que s’enumeren a continuació

• El valor de sobretensió del circuit depèn exclusivament del valor de la tensió Zener, i només hi ha disponibles pocs valors de díode Zener.
• El circuit també està sotmès a problemes de soroll; aquest soroll sovint pot crear un fals disparador i fer saltar el fusible.
• En cas de sobretensió, el circuit fa saltar el fusible i, posteriorment, necessita ajuda manual per tornar a executar la càrrega quan la tensió es normalitza.
• El fusible és un fusible mecànic que s’ha de substituir i, per tant, consumeix esforç, temps i diners.