Circuito de palanca

La confiabilidad de cualquier dispositivo electrónico depende de qué tan bien se hayan diseñado los circuitos de protección del hardware. El usuario final (consumidor) es propenso a cometer errores y es responsabilidad de un buen diseñador de hardware proteger su hardware de cualquier percance. Existen amplios tipos de circuitos de protección, cada uno con sus propias aplicaciones específicas. Los tipos más comunes de circuitos de protección son circuito de protección contra sobretensión, circuito de protección de polaridad inversa, protección contra sobretensiones de corriente y circuitos de protección contra ruido. En este tutorial, discutiremos sobre el circuito de palanca, que es un tipo de circuito de protección contra sobretensiones y se usa comúnmente en dispositivos electrónicos. También crearemos prácticamente este circuito y comprobaremos cómo está funcionando en la vida real.

Materiales necesarios

• Fusible
• Diodo Zener
• Tiristor
• Condensadores
• Resistencias
• Diodo Schottky

Diagrama de circuito de palanca

El diagrama de circuito de un circuito de palanca es muy simple y fácil de construir e implementar, lo que lo convierte en una solución rentable y rápida. El diagrama completo del circuito de palanca se muestra a continuación.

Aquí el voltaje de entrada (sonda azul) es el voltaje que debe monitorearse y el circuito está diseñado para cortar el suministro cuando el voltaje de suministro excede los 9.1V. Discutiremos la función de cada componente en la sección de trabajo a continuación.

Funcionamiento del circuito de palanca

Un circuito Crowbar monitorea el voltaje de entrada y cuando excede el límite crea un cortocircuito en las líneas eléctricas y explota el fusible. Una vez que se quema el fusible, la fuente de alimentación se desconecta de la carga y, por lo tanto, se evita la alta tensión. El circuito funciona creando un cortocircuito directo a través de las líneas eléctricas, como si se dejara caer una palanca entre las líneas eléctricas del circuito. De ahí su nombre icónico de circuito de palanca.

El voltaje sobre el cual el circuito debería crear un corto depende del voltaje Zener. El circuito consta de un SCR que está conectado directamente a través del voltaje de entrada y la tierra del circuito, pero este SCR se mantiene por defecto en estado apagado conectando a tierra el pin de puerta del SCR. Cuando el voltaje de entrada excede el voltaje Zener, el diodo Zener comienza a conducir y, por lo tanto, se suministra voltaje al pin de puerta del SCR, lo que hace que se cierre la conexión entre el voltaje de entrada y tierra, creando así un cortocircuito. Este cortocircuito extraerá una corriente máxima de la fuente de alimentación y hará explotar el fusible que aísla la fuente de alimentación de la carga. El trabajo completo también se puede entender fácilmente mirando la imagen GIF de arriba. También puede encontrar un video de demostración al final de este tutorial.

La imagen de arriba representa cómo el circuito de palanca responde exactamente cuando ocurre la condición de sobrevoltaje. Como puede ver, el diodo Zener aquí tiene una potencia nominal de 9,1 V, pero el voltaje de entrada ha superado el valor y actualmente es de 9,75 V. Entonces, el diodo Zener se abre y comienza a conducir proporcionando un voltaje al pin de puerta del SCR. El SCR luego comienza a conducir cortando el voltaje de entrada y tierra y, por lo tanto, explota el fusible debido al consumo máximo de corriente como se muestra en GIF arriba. La función de cada componente de este circuito se explica a continuación.

Fusible: el fusible es el componente vital en este circuito. La clasificación del fusible siempre debe ser menor que la clasificación de corriente máxima del SCR y mayor que la corriente consumida por la carga. También debemos asegurarnos de que la fuente de alimentación pueda generar suficiente corriente para romper el fusible en caso de fallas.

Condensador de 0.1uF: Este es un condensador de filtrado; elimina los picos y otros ruidos como armónicos de la tensión de alimentación para evitar que el circuito se active en falso.

Diodo Zener de 9.1V: Este diodo decide el valor de sobretensión, ya que aquí hemos usado un diodo Zener de 9.1V, el circuito responderá a cualquier voltaje que esté por encima de su valor umbral de 9.1V. El Diseñador puede elegir el valor de esta resistencia según sus necesidades.

Resistencia de 1K: Esta es solo una resistencia desplegable que mantiene el pin de la puerta del SCR a tierra y, por lo tanto, lo mantiene apagado hasta que el Zener comienza a conducir.

Condensador de 47nF: cada interruptor de alimentación como el SCR requiere un circuito amortiguador para suprimir los picos de voltaje durante la conmutación y evitar que el SCR se active en falso. Aquí acabamos de utilizar un condensador para hacer el trabajo. El valor del capacitor debe ser suficiente para filtrar el ruido, porque un valor alto de capacitancia aumentará el retraso en el que el SCR comienza a conducir después de aplicar el pulso de puerta.

Tiristor (SCR): el tiristor es responsable de crear un cortocircuito en los rieles de alimentación. Se debe tener cuidado para que el SCR pueda manejar un valor tan alto de corriente a través de él como para quemar el fusible y dañarse. El voltaje de la puerta del SCR debe ser menor que el voltaje de ruptura del Zener. Obtenga más información sobre el tiristor aquí.

Diodo Schottky: este diodo no es obligatorio y se utiliza solo con fines de protección. Se asegura de que no recibamos ninguna corriente inversa del lado de la carga que pueda dañar el circuito de protección. Se usa un diodo Schottky en lugar de un diodo regular porque tiene menos caída de voltaje a través de él.

Hardware

Ahora que hemos entendido la teoría detrás del circuito Crowbar, es hora de entrar en la parte divertida. Eso es construir el circuito en la parte superior de una placa de pruebas y verificar cómo está funcionando en tiempo real. El circuito que estoy construyendo es para una bombilla de 12V. Esta bombilla consume aproximadamente 650 mA con un voltaje de funcionamiento normal de 12 V. Diseñaremos el circuito de palanca para comprobar si el voltaje supera los 12V y si lo hace cortocircuitaremos el SCR y así quemaremos el fusible. Entonces aquí he usado un diodo Zener de 12V y un Tiristor TYN612. El fusible está montado dentro de un portafusibles, aquí hemos utilizado un fusible de cartucho de 500 mA. La configuración completa se muestra en la siguiente imagen

He usado un RPS para controlar el voltaje de entrada, inicialmente la configuración se prueba con 12V y funciona bien encendiendo la bombilla. Posteriormente, el voltaje se eleva utilizando la perilla RPS creando así un cortocircuito a través del SCR y quemando el fusible que también apaga la bombilla y la aísla de la fuente de alimentación. El funcionamiento completo también se puede ver en el video al final de esta página.

Limitaciones del circuito de palanca

Aunque el circuito se usa ampliamente, tiene sus propias limitaciones que se enumeran a continuación.

• El valor de sobretensión del circuito depende puramente del valor de voltaje Zener, y solo se encuentran disponibles unos pocos valores del diodo Zener.
• El circuito también está sujeto a problemas de ruido; este ruido a menudo puede crear un gatillo falso y hacer estallar el fusible.
• En caso de sobretensión, el circuito quema el fusible y luego requiere ayuda manual para hacer funcionar la carga nuevamente cuando la tensión se normaliza.
• El fusible es un fusible mecánico que debe reemplazarse y, por lo tanto, consume esfuerzo, tiempo y dinero.