Circuito de protección de sobretensión de red de 230 V CA

La mayoría de la fuente de alimentación en estos días es muy confiable debido al avance de la tecnología y las mejores preferencias de diseño, pero siempre existe la posibilidad de falla debido a un defecto de fabricación o puede ser el transistor de conmutación principal o el MOSFET que se estropea. Además, existe la posibilidad de que falle debido a una sobretensión en la entrada, aunque se pueden usar dispositivos de protección como el varistor de óxido metálico (MOV) como protección de entrada, pero una vez que se activa un MOV, el dispositivo se vuelve inútil.

Para resolver este problema, vamos a construir un dispositivo de protección contra sobrevoltaje con un amplificador operacional, que puede detectar altos voltajes y puede cortar la energía de entrada en una fracción de segundo protegiendo el dispositivo de un alto voltaje. Además, habrá una prueba detallada del circuito para verificar nuestro diseño y funcionamiento del circuito. El siguiente examen le da una idea sobre el proceso de construcción y prueba de este circuito. Si le gusta el diseño SMPS, puede consultar nuestros artículos anteriores sobre consejos de diseño de PCB SMPS y técnicas de reducción de EMI SMPS.

¿Qué es la protección contra sobretensiones y por qué es tan importante?

Hay muchas formas en las que un circuito de alimentación puede fallar, una de ellas se debe a una sobretensión. En un artículo anterior, hicimos un circuito de protección contra sobretensión para el circuito de CC, puede verificarlo si eso le interesa. La protección contra sobretensión se puede ilustrar como una característica en la que la fuente de alimentación se apaga cuando ocurre una condición de sobretensión, aunque una situación de sobretensión ocurre con menos frecuencia, cuando eso sucede, hace que la fuente de alimentación sea inútil. Además, el impacto de una condición de sobrevoltaje puede llevarse a cabo desde la fuente de alimentación al circuito principal, cuando eso sucede, terminará no solo con una fuente de alimentación rota sino también con un circuito roto. razón por la cual un circuito de protección contra sobretensiones se vuelve importante en cualquier diseño electrónico.

Por lo tanto, para diseñar un circuito de protección para situaciones de sobretensión, necesitamos aclarar los conceptos básicos de la protección contra sobretensión. En nuestros tutoriales de circuitos de protección anteriores, hemos diseñado muchos circuitos de protección básicos que se pueden adaptar a su circuito, a saber, protección contra sobretensión, protección contra cortocircuitos, protección contra polaridad inversa, protección contra sobrecorriente, etc.

En este artículo, nos concentraremos en una sola cosa, que es hacer un circuito de protección contra sobretensión de la red de entrada para evitar que se destruya.

¿Cómo funciona el circuito de protección contra sobretensiones de red de 230 V?

Para comprender los conceptos básicos del circuito de protección contra sobretensión, desmontemos el circuito para comprender el principio de funcionamiento básico de cada parte del circuito.

El corazón de este circuito es un OP-Amp, que está configurado como comparador. En el esquema, tenemos un amplificador operacional LM358 básico y en su Pin-6, tenemos nuestro voltaje de referencia que se genera a partir de un IC regulador de voltaje LM7812 y en el pin-5, tenemos nuestro voltaje de entrada que viene de la red principal tensión de alimentación. En esta situación, si el voltaje de entrada supera el voltaje de referencia, la salida del amplificador operacional será alta, y con esa señal alta, podemos conducir un transistor que enciende un relé, pero hay un gran problema en este circuito., Debido al ruido en la señal de entrada, el amplificador operacional oscilará muchas veces antes de llegar a un estado estable,

La solución es agregar histéresis de la acción del disparador Schmitt en la entrada. Anteriormente, hemos creado circuitos como el contador de frecuencia con Arduino y el medidor de capacitancia con Arduino, los cuales usan entradas de disparador Schmitt, si desea obtener más información sobre estos proyectos, consulte estos. Al configurar el amplificador operacional con retroalimentación positiva, podemos ampliar el margen en la entrada de acuerdo con nuestras necesidades. Como puede ver en la imagen de arriba, hemos proporcionado comentarios con la ayuda de R18 y R19 al hacerlo, prácticamente hemos agregado dos voltajes de umbral, uno es el voltaje de umbral superior, otro es el voltaje de umbral inferior.

Cálculo de los valores de los componentes para la protección contra sobretensión

Si miramos el esquema, tenemos nuestra entrada de red, la cual la rectificamos con la ayuda de un puente rectificador, luego la pasamos por un divisor de voltaje que se hace con R9, R11 y R10, luego la filtramos a través de un 22uF 63V condensador.

Después de hacer el cálculo para el divisor de voltaje, obtendremos un voltaje de salida de 3.17V, ahora, necesitamos calcular los voltajes de umbral superior e inferior, digamos que queremos cortar la energía cuando el voltaje de entrada alcanza los 270V. Ahora, si hacemos el cálculo del divisor de voltaje nuevamente, obtendremos un voltaje de salida de 3.56V, que es nuestro umbral superior. Nuestro umbral más bajo permanece en 3.17V ya que hemos conectado a tierra el amplificador operacional.

Ahora, con la ayuda de una fórmula simple de divisor de voltaje, podemos calcular fácilmente los voltajes de umbral superior e inferior. Tomando el esquema como referencia el cálculo se muestra a continuación, UT = R18 / (R18 + R19) * Vout = 62K / (1.5M + 62K) = 0.47V LT = R18 / (R18 + R19) * -Vout = 62K / (1.5M + 62K) = 0V

Ahora, después del cálculo, podemos ver claramente que hemos establecido su voltaje de umbral superior en 0.47V por encima del nivel de activación con la ayuda de la retroalimentación positiva.

Nota: Tenga en cuenta que nuestros valores prácticos diferirán un poco de nuestros valores calculados debido a las tolerancias de la resistencia.

Diseño de PCB del circuito de protección de sobrevoltaje de la red

La placa de circuito impreso de nuestro circuito de protección contra sobretensiones de red está diseñada para un solo aparador. He usado Eagle para diseñar mi PCB, pero puede usar cualquier software de diseño de su elección. La imagen 2D del diseño de mi placa se muestra a continuación.

Se utiliza un diámetro de traza suficiente para que las vías de potencia fluyan la corriente a través de la placa de circuito. La entrada de la red de CA y la sección de entrada del transformador se crean en el lado izquierdo y la salida se crea en el lado inferior para una mejor usabilidad. El archivo de diseño completo para Eagle junto con el Gerber se puede descargar desde el siguiente enlace.

• GERBER para circuito de protección de sobretensión de red

Ahora que nuestro Diseño está listo, es el momento de soldar la placa. Una vez finalizado el proceso de grabado, taladrado y soldadura, la placa se parece a la imagen que se muestra a continuación.

Prueba del circuito de protección contra sobretensión y corriente

Para la demostración, se utiliza el siguiente aparato

1. Multímetro Meco 108B + TRMS
2. Multímetro Meco 450B + TRMS
3. Osciloscopio Hantek 6022BE
4. Transformador 9-0-9
5. Bombilla de 40W (carga de prueba)

Como puede ver en la imagen de arriba, he preparado esta configuración de prueba para probar este circuito, he soldado dos cables en el pin5 y pin6 del Op-amp y el multímetro meco 108B + muestra el voltaje de entrada y el multímetro meco 450B + muestra el voltaje de referencia.

En este circuito, el transformador se alimenta desde una fuente de alimentación de red de 230 V, y desde allí la energía se alimenta al circuito rectificador como entrada, la salida del transformador también se alimenta a la placa, ya que proporciona energía y voltaje de referencia al circuito..

Como puede ver en la imagen de arriba, el circuito está encendido y el voltaje de entrada en el multímetro meco 450B + es menor que el voltaje de referencia, lo que significa que la salida está encendida.

Ahora para simular la situación si reducimos el voltaje de referencia, la salida se apagará, detectando una condición de sobrevoltaje, también se encenderá un LED rojo en la placa, puedes observar eso en la imagen de abajo.

Más mejoras

Para la demostración, el circuito se construye en una PCB con la ayuda del esquema, este circuito se puede modificar fácilmente para mejorar su rendimiento, por ejemplo, las resistencias que he usado tienen tolerancias del 5%, el uso de resistencias nominales al 1% puede mejorar la precisión del circuito.

Espero que hayas disfrutado del artículo y hayas aprendido algo útil. Si tiene alguna pregunta, puede dejarla en la sección de comentarios a continuación o utilizar nuestros foros para publicar otras preguntas técnicas.