¿Qué es el circuito de palanca? Diseño y Operación

Diagrama de circuito de palanca para protección contra sobretensiones

¿Qué es el circuito de palanca?

El circuito de palanca es básicamente un circuito eléctrico que se utiliza para evitar que el circuito sufra una condición de sobretensión . Funciona poniendo un cortocircuito o una ruta de baja resistencia en la salida de voltaje, muy parecido a dejar caer una palanca en los terminales de salida de la fuente de alimentación, de ahí el nombre. El circuito de palanca es un tipo de circuito de protección contra sobretensiones.

Un circuito de palanca es diferente de otros circuitos de seguridad o de enganche, por ejemplo, una abrazadera en la tracción. Una vez activado, el voltaje cae por debajo del nivel de activación, generalmente cerca de tierra. Una palanca no vuelve al funcionamiento normal cuando se elimina la condición de sobretensión.

Según la operación, una palanca activa se define como una palanca que puede eliminar el cortocircuito cuando se elimina el transitorio, lo que hace que el dispositivo reanude su funcionamiento normal. Las palancas activas se utilizan cuando las posibilidades de que ocurra un transitorio son altas y frecuentes, en circuitos como el circuito del rotor de generadores doblemente alimentados contra transitorios de alta corriente y voltaje producidos por el pico de voltaje en la red eléctrica. Por lo tanto, el generador puede superar la falla y continuar funcionando rápidamente incluso durante la caída de voltaje.

El circuito de palanca tiene un voltaje de retención bajo que le permite transportar una corriente de falla más alta sin perder mucha energía durante el proceso. La menor pérdida de potencia en el circuito de palanca lo convierte en una opción preferible en comparación con otros dispositivos de seguridad.

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Componentes necesarios

1. Fusible
2. Diodo Zener
3. Diodo Schottky
4. Tiristores
5. Resistencias
6. Condensadores

Diagrama de circuito de palanca

El diagrama de circuito anterior es el circuito de palanca que es simple y fácil de implementar. El circuito también es rentable y una solución rápida para la protección contra sobretensiones. El diagrama de palanca completo junto con los valores calculados de los componentes utilizados.

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Fusible

Un fusible es un dispositivo de seguridad eléctrica que se utiliza para brindar seguridad al circuito contra picos de sobrecorriente. Su componente esencial es un alambre o tira de metal que se utiliza en serie al circuito. Cuando la corriente en el circuito es demasiado alta, la tira de metal se derrite rompiendo el circuito. Los valores del umbral de la corriente en un circuito solo dependen del punto de fusión de la tira de metal. Es un dispositivo de sacrificio, lo que significa que, una vez que se opera en un circuito para romperlo, se debe reemplazar o volver a cablear según el tipo.

Los fusibles se han utilizado durante mucho tiempo y, con el tiempo, han evolucionado para funcionar en función de clasificaciones de corriente y voltaje, capacidad de corte y tiempos de respuesta muy específicos, según la aplicación.

Hay algunos otros dispositivos también disponibles para la misma aplicación, llamados disyuntores. Los disyuntores se pueden utilizar como alternativa a los fusibles, pero tienen características significativamente diferentes. En general, el elemento del fusible es de zinc, cobre, aluminio o aleación para obtener la característica predecible y estable.

A continuación se proporciona una representación esquemática general de un fusible.

El símbolo del fusible puede ser diferente en función de las distintas representaciones. En el circuito anterior, hay cuatro representaciones, la primera es la representación IEC y las dos restantes se basan en la representación IEEE.

Los fusibles se usan mucho porque vienen con su propio conjunto de ventajas. Algunos de ellos se enumeran a continuación:

1. El fusible es el dispositivo más barato disponible para la protección de un circuito eléctrico.
2. El fusible no necesita mantenimiento.
3. La operación del fusible es simple y no involucra ninguna complejidad.
4. El fusible tiene la capacidad de interrumpir una enorme corriente de cortocircuito sin producir ruido, llamas, gas o humo.
5. El tiempo de funcionamiento de un fusible puede ser mucho menor que el de un disyuntor.

Por supuesto, junto con todas las ventajas, también hay desventajas, aunque no tantas como las ventajas. Dos de ellos se dan a continuación:

1. Durante un cortocircuito o una sobrecarga, una vez que el fusible se funde, el reemplazo del fusible lleva tiempo. Durante este período, el circuito pierde energía.
2. Cuando los fusibles están conectados en serie, es difícil discriminar el fusible a menos que el fusible tenga una diferencia de tamaño significativa.

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Diodo Schottky

El diodo Schottky en este proyecto no es obligatorio y se usa solo con fines de protección. Se utiliza principalmente como rectificadores en inversores de baja tensión de alta frecuencia, diodos de protección de polaridad y diodos de rueda libre. También se denomina diodo de barrera de superficie, diodo de electrones calientes o diodo portador caliente. Es un poco diferente de los diodos de unión PN normales donde se usa metal como platino o aluminio en lugar de semiconductores de tipo P.

En el diodo Schottky, el semiconductor y el metal se unen, formando una unión de metal semiconductor donde el lado del semiconductor actúa como cátodo y el lado del metal actúa como ánodo. Cuando la unión metal-semiconductor se forma entre el metal y el semiconductor, dan como resultado una capa de agotamiento también conocida como barrera de Schottky.

Schottky viene con una carga almacenada baja y presenta una menor pérdida de energía y características mecánicas de mayor eficiencia. Está fabricado de tal manera que todas las superficies externas son resistentes a la corrosión y los terminales se pueden soldar fácilmente donde la corriente fluye en una sola dirección y detiene el flujo de corriente en la otra dirección. La caída de potencia que ocurre en este diodo es menor que la de los diodos de unión PN. Cuando se aplica voltaje a través de los terminales del diodo, la corriente comienza a fluir, lo que resulta en una pequeña caída de voltaje a través de los terminales. Las caídas de voltaje más bajas dan como resultado una mayor eficiencia y una mayor velocidad de conmutación.

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Diodo Zener

El diodo Zener es un tipo de diodo que permite que la corriente fluya a través de él en ambas direcciones, a diferencia de un diodo normal que permite el flujo de corriente solo en una dirección, que es del ánodo al cátodo. Este flujo de corriente en la dirección opuesta ocurre solo cuando el voltaje a través de las terminales excede el voltaje umbral llamado voltaje Zener. Este voltaje Zener es una característica del dispositivo, que gobierna el efecto Zener que a su vez gobierna el funcionamiento del diodo.

Los diodos Zener tienen una unión p-n altamente dopada, lo que permite que el dispositivo funcione correctamente incluso cuando se aplica voltaje inverso a través de él. Sin embargo, muchos diodos Zener se basan en cambio en la ruptura de avalancha. Ambos tipos de ruptura ocurren en el dispositivo, la única diferencia es que el efecto Zener predomina en voltajes más bajos, mientras que la ruptura por avalancha ocurre en voltajes más altos. Se utilizan para generar fuentes de alimentación estabilizadas de baja potencia. También se utilizan para proteger los circuitos de sobretensiones y descargas electrostáticas.

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A continuación se muestra un diagrama esquemático de un diodo Zener generalmente utilizado en circuitos.

Tiristor

El tiristor es básicamente un dispositivo de cuatro capas, consta de dos semiconductores de tipo P y dos de tipo N alternativamente. La constitución de un tiristor se puede mostrar como P-N-P-N. En su forma más básica, un tiristor tiene tres terminales:ánodo, cátodo y puerta. La puerta controla el flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo. La función principal de Thyristor es controlar la energía eléctrica y la corriente actuando como un interruptor.

Se utiliza principalmente como rectificador porque puede cambiar rápidamente de un estado de conducción de corriente a un estado de no conducción. Además, su costo de mantenimiento es bajo y operando en las condiciones adecuadas, se mantiene funcionando a largo plazo sin desarrollar una falla. Los tiristores se usan ampliamente y en una amplia gama de circuitos eléctricos, desde alarmas antirrobo más simples hasta líneas de transmisión de energía.

El funcionamiento de un tiristor se ha estudiado extensamente a lo largo de los años y se conocen datos sobre su funcionamiento que son bastante precisos. Para el tipo más básico de tiristor que tiene cuatro capas (P-N-P-N) y tres uniones (PN, NP, PN). Si el ánodo es un terminal positivo con respecto al cátodo, las uniones PN y PN tienen polarización directa, mientras que la unión NP central tiene polarización inversa. Por lo tanto, la unión NP bloquea el flujo de corriente positiva del ánodo al cátodo. Se dice que el tiristor está en estado de bloqueo hacia adelante. De manera similar, el flujo de corriente negativa está bloqueado por las uniones PN externas. El tiristor está en un estado de bloqueo inverso. Otro estado en el que puede existir un tiristor es el estado de conducción directa. En este estado, recibe una señal suficiente para encenderse y comienza a conducir.

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En la figura anterior se muestra un diagrama típico de tiristor.

Funcionamiento del circuito de palanca

Adjunte correctamente todos los componentes de los valores actuales como se indica en el circuito. Un circuito de palanca realiza un seguimiento del voltaje de entrada y solo actúa cuando excede el límite. Cuando se excede el límite, el circuito provoca un cortocircuito en las líneas eléctricas y el fusible conectado, hecho de un metal de bajo punto de fusión, se funde rompiendo el circuito. El valor del voltaje al que ocurre el cortocircuito depende del voltaje Zener. El SCR en el circuito está conectado directamente a través del voltaje de entrada y la tierra del circuito. Sin embargo, este SCR se mantiene apagado conectando a tierra la terminal de puerta del SCR. Cuando se excede el voltaje Zener, el diodo Zener comienza a conducir y el voltaje se aplica a la terminal de puerta del SCR. El voltaje aplicado en la terminal de puerta del SCR lo hace conductor y hay un cortocircuito entre el voltaje de entrada y tierra. Este cortocircuito extrae la máxima corriente posible del circuito y quema el fusible que aísla la fuente de alimentación de la carga.

Esta disposición del circuito evita que los componentes y el circuito en sí se sobrecarguen de voltajes, al explotar un fusible de sacrificio que se puede reemplazar muy fácilmente.