Protezione da sovratensione per alimentatori

La protezione da sovratensione dell'alimentatore è davvero utile: alcuni guasti dell'alimentatore possono causare tensioni elevate dannose sull'apparecchiatura. La protezione da sovratensione impedisce che ciò accada sia sui regolatori lineari che sugli alimentatori a commutazione.

Sebbene i moderni alimentatori siano ora molto affidabili, c'è sempre una piccola ma reale possibilità che possano guastarsi.

Possono guastarsi in molti modi e una possibilità particolarmente preoccupante è che l'elemento di passaggio in serie, ovvero il transistor di passaggio principale o il FET, possa guastarsi in modo tale da andare in cortocircuito. Se ciò accade, una tensione molto elevata spesso definita sovratensione potrebbe apparire sul circuito che viene alimentato causando danni catastrofici all'intera apparecchiatura.

Aggiungendo un piccolo circuito di protezione extra sotto forma di protezione da sovratensione, è possibile proteggersi da questa possibilità improbabile ma catastrofica.

La maggior parte degli alimentatori progettati per un funzionamento molto affidabile di apparecchiature di alto valore incorporeranno una qualche forma di protezione da sovratensione per garantire che qualsiasi interruzione dell'alimentazione non provochi danni all'apparecchiatura alimentata. Questo vale sia per gli alimentatori lineari che per gli alimentatori a commutazione.

Alcuni alimentatori potrebbero non incorporare la protezione da sovratensione e questi non dovrebbero essere utilizzati per alimentare apparecchiature costose: è possibile progettare un piccolo circuito elettronico e sviluppare un piccolo circuito di protezione da sovratensione e aggiungerlo come elemento aggiuntivo.

Nozioni di base sulla protezione da sovratensione

Ci sono molti modi in cui un alimentatore può guastarsi. Tuttavia, per capire un po' di più sulla protezione da sovratensione e sui problemi del circuito è facile fare un semplice esempio di regolatore di tensione lineare che utilizza un diodo Zener molto semplice e un pass transistor in serie.

Regolatore della serie base che utilizza un diodo zener e un inseguitore di emettitore

Sebbene gli alimentatori più complicati forniscano prestazioni migliori, si basano anche su un transistor in serie per far passare la corrente di uscita. La differenza principale è il modo in cui la tensione del regolatore viene applicata alla base del transistor.

Tipicamente la tensione di ingresso è tale che diversi volt cadono attraverso l'elemento del regolatore di tensione in serie. Ciò consente al pass transistor in serie di regolare adeguatamente la tensione di uscita. Spesso la tensione caduta attraverso il transistor di passaggio in serie è relativamente alta: per un'alimentazione a 12 volt, l'ingresso può essere di 18 volt anche di più per fornire la regolazione richiesta e la reiezione dell'ondulazione, ecc.

Ciò significa che può esserci un livello significativo di calore dissipato nell'elemento del regolatore di tensione e combinato con eventuali picchi transitori che potrebbero apparire all'ingresso, ciò significa che c'è sempre una possibilità di guasto.

Il dispositivo di passaggio della serie di transistor generalmente si guasta in una condizione di circuito aperto, ma in alcune circostanze il transistor potrebbe sviluppare un cortocircuito tra il collettore e l'emettitore. In questo caso, la tensione di ingresso completamente non regolata apparirà nell'uscita del regolatore di tensione.

Se la piena tensione appare sull'uscita, potrebbe danneggiare molti dei circuiti integrati che si trovano nel circuito alimentato. In questo caso il circuito potrebbe essere irreparabile dal punto di vista economico.

Il modo in cui funzionano i regolatori a commutazione è molto diverso, ma ci sono circostanze in cui l'uscita completa potrebbe apparire sull'uscita dell'alimentatore.

Sia per gli alimentatori regolati lineari che per gli alimentatori switching, è sempre consigliabile una qualche forma di protezione da sovratensione.

Tipi di protezione da sovratensione

Come con molte tecniche elettroniche, ci sono diversi modi per implementare una particolare capacità. Questo è vero per la protezione da sovratensione.

Ci sono diverse tecniche che possono essere utilizzate, ognuna con le sue caratteristiche. Prestazioni, costi, complessità e modalità di funzionamento devono essere tutti valutati quando si determina quale metodo utilizzare durante la fase di progettazione del circuito elettronico.

• SCR Crowbar: come suggerisce il nome, il circuito del piede di porco crea un cortocircuito attraverso l'uscita dell'alimentatore se si verifica una condizione di sovratensione. Tipicamente vengono utilizzati i tiristori, ovvero gli SCR, poiché possono commutare correnti elevate e rimanere accesi fino a quando una carica non si è dispersa. Il tiristore può essere ricollegato a un fusibile che brucia e isola il regolatore dall'eventuale ulteriore tensione posta su di esso.

  Circuito di protezione da sovratensione del piede di porco a tiristori

  In questo circuito, il diodo Zener è scelto in modo che la sua tensione sia superiore alla normale tensione operativa dell'uscita, ma inferiore alla tensione in cui si verificherebbe il danno. In questa conduzione, nessuna corrente scorre attraverso il diodo Zener perché la sua tensione di rottura non è stata raggiunta e nessuna corrente scorre nel gate del tiristore e rimane spento. L'alimentatore funzionerà normalmente.

  Se il transistor di passaggio in serie nell'alimentatore si guasta, la tensione inizierà a salire: il disaccoppiamento nell'unità assicurerà che non aumenti all'istante. Man mano che sale, salirà al di sopra del punto in cui il diodo Zener inizia a condurre e la corrente fluirà nel gate del tiristore provocandone l'attivazione.

  Quando il tiristore si attiva, cortocircuiterà l'uscita dell'alimentatore a massa, prevenendo danni ai circuiti che alimenta. Questo cortocircuito può essere utilizzato anche per far saltare un fusibile o un altro elemento, togliendo l'alimentazione al regolatore di tensione e isolando l'unità da ulteriori danni.

  Spesso un disaccoppiamento sotto forma di un piccolo condensatore viene posizionato dal gate del tiristore a massa per evitare che transitori bruschi o RF dall'unità in alimentazione entrino nella connessione del gate e causino un trigger spurio. Tuttavia, questo non dovrebbe essere troppo grande in quanto potrebbe rallentare l'accensione del circuito in un caso reale di guasto e la protezione potrebbe essere installata troppo lentamente.

  Nota sulla protezione da sovratensione del piede di porco a tiristori:

  Il raddrizzatore controllato al silicio a tiristore o SCR può essere utilizzato per fornire protezione da sovratensione in un circuito di alimentazione. Rilevando l'alta tensione, il circuito può attivare il tiristore per posizionare un cortocircuito o un piede di porco attraverso il binario di tensione per garantire che non salga ad alta tensione.

  Per saperne di più, leggi Circuito di protezione da sovratensione del piede di porco a tiristori.

• Bloccaggio della tensione: un'altra forma molto semplice di protezione da sovratensione utilizza un approccio chiamato bloccaggio della tensione. Nella sua forma più semplice può essere fornito utilizzando un diodo Zener posizionato sull'uscita dell'alimentatore regolato. Con la tensione del diodo Zener scelta leggermente al di sopra della tensione massima del rail, in condizioni normali non condurrà. Se la tensione aumenta troppo, inizierà a condurre, bloccando la tensione a un valore leggermente superiore alla tensione del rail.

  Se è necessaria una capacità di corrente maggiore per l'alimentazione regolata, è possibile utilizzare un diodo Zener con buffer a transistor. Ciò aumenterà la capacità di corrente rispetto al semplice circuito a diodi Zener, di un fattore pari al guadagno di corrente del transistor. Poiché per questo circuito è richiesto un transistor di potenza, i probabili livelli di guadagno di corrente saranno bassi, forse 20 - 50.

  Morsetto di sovratensione diodo Zener
  (a) - diodo Zener semplice, (b) - corrente maggiore con buffer del transistor

• Limitazione della tensione: quando è richiesta la protezione da sovratensione per gli alimentatori in modalità switch, le tecniche SMPS, clamp e piede di porco, sono meno ampiamente utilizzate a causa dei requisiti di dissipazione della potenza e delle possibili dimensioni e costi dei componenti.

  Fortunatamente la maggior parte dei regolatori a commutazione si guasta in condizioni di bassa tensione. Tuttavia è spesso prudente mettere in atto capacità di limitazione della tensione in caso di condizioni di sovratensione.
  
  Spesso ciò può essere ottenuto rilevando la condizione di sovratensione e spegnendo il convertitore. Ciò è particolarmente applicabile nel caso di convertitori CC-CC. Quando si implementa questo, è necessario incorporare un circuito di rilevamento che si trova al di fuori del regolatore IC principale: molti regolatori a modalità switch e convertitori CC-CC utilizzano un chip per ottenere la maggior parte del circuito. È molto importante utilizzare un circuito di rilevamento esterno perché se il chip del regolatore della modalità di commutazione è danneggiato causando la condizione di sovratensione, anche il meccanismo di rilevamento potrebbe essere danneggiato.

  Ovviamente questa forma di protezione da sovratensione richiede circuiti specifici per il particolare circuito e chip di alimentazione a commutazione utilizzati.

Tutte e tre le tecniche vengono utilizzate e possono fornire un'efficace protezione da sovratensione dell'alimentazione. Ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi e la scelta della tecnica deve dipendere dalla situazione data.

Lasciate un messaggio 

Elenco dei messaggi