Circuito de protección de sobretensión simple con diodo Zener

¿Cómo hacer un circuito de protección contra sobretensiones usando un diodo Zener?

Los circuitos y componentes eléctricos que se utilizan en la actualidad dan mucha preferencia y tiempo para que sea lo más seguro posible. Las fuentes de alimentación modernas en estos días son muy confiables, pero siempre existe la posibilidad de fallar. Una fuente de alimentación puede fallar de muchas maneras, pero una posibilidad particularmente preocupante es que el elemento regulador en serie, es decir, el transistor o FET, pueda fallar de tal manera que se convierta en un cortocircuito. Este cortocircuito de elementos hace que aparezca un voltaje muy grande en el circuito que se está alimentando, causando daños terribles en todo el equipo. El daño al componente y al circuito en su conjunto puede minimizarse o eliminarse por completo proporcionando un circuito de protección en forma de protección contra sobretensiones. .

La protección contra cortocircuitos, la protección contra polaridad inversa y la protección contra sobrevoltaje o bajo voltaje son algunos de los circuitos de protección que se utilizan para proteger cualquier dispositivo o circuito electrónico de cualquier percance repentino. Por lo general, se utiliza un fusible o MCB para la protección contra sobretensiones; sin embargo, en este proyecto, nuestro objetivo es crear un circuito que pueda funcionar mejor que un fusible o MCB y superar las limitaciones de la mayoría de los dispositivos de seguridad primarios mencionados anteriormente.

La protección contra sobrevoltaje es una característica de un sistema de suministro de energía, que de alguna manera maneja el voltaje en el lado de la carga cuando el voltaje de entrada excede el valor preestablecido. En algunas situaciones donde el voltaje de entrada es más alto de lo esperado, siempre usamos un circuito de protección contra sobrevoltaje o protección de palanca. El circuito de protección de palanca es uno de los circuitos de protección contra sobretensiones más utilizados.

Una fuente de alimentación puede fallar de muchas maneras; De manera similar, puede haber muchas formas de proteger un circuito contra sobretensiones. La forma más sencilla es conectar un fusible en el lado de suministro de entrada. Pero, la desventaja de usar un fusible es que es una protección de una sola vez, porque a medida que el voltaje excede el valor preestablecido, el cable del fusible se quema y hace que el circuito se abra. Entonces, la única forma de hacer que el circuito comience a funcionar nuevamente es reemplazar el fusible por uno nuevo y rehacer todos los circuitos relacionados con el fusible.

Las instancias de falla de la fuente de alimentación normalmente se ven como cuando la fuente de alimentación deja de funcionar y no hay salida. Sin embargo, hay algunos casos raros de falla, donde hay un cortocircuito y pueden aparecer voltajes muy altos en la salida. Para un regulador lineal, podemos tomar el ejemplo de un regulador basado en diodo Zener muy simple. Podemos hacer un circuito más sofisticado para lograr mejores resultados, esos circuitos usan la misma idea de pasar corriente a través del transistor.

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La principal diferencia es la forma en que se aplica el voltaje del regulador a la base del transistor. Por lo general, el voltaje en el lado de entrada es tal que caen varios voltios a través del elemento regulador en serie. Por lo tanto, esto permite que el transistor de paso en serie regule el voltaje de salida de manera adecuada. Por lo general, un transistor como este caería en una condición de circuito abierto, pero en algunas circunstancias, el transistor puede desarrollar un cortocircuito entre el colector y el emisor. Si esto ocurre, el voltaje de entrada no regulado completo aparecerá en la salida.

Si apareciera el voltaje completo en la salida, podría dañar muchos de los circuitos integrados que están en el circuito y que están siendo alimentados. En este caso, el circuito podría estar más allá de la reparación económica. La forma en que funcionan los reguladores de conmutación es muy diferente, pero hay situaciones en las que la salida completa podría aparecer en la salida de la fuente de alimentación.

Podemos hacer un circuito de protección contra sobretensiones usando un diodo Zener y transistor bipolar en dos métodos.

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Circuito regulador de voltaje Zener :

este circuito usa un diodo Zener para proporcionar una salida regulada al lado de la carga, protegiendo el circuito. Pero las conexiones son tales que el flujo de energía hacia el lado de la carga no se corta incluso cuando el voltaje excede los límites de seguridad. La salida siempre recibirá un voltaje que depende de la clasificación del diodo Zener.

Circuito de protección contra sobretensiones mediante diodo Zener:

este método es más sencillo, en el que el circuito está diseñado para cortar la alimentación del lado de la carga cuando el voltaje supera los valores establecidos.

Materiales necesarios

• 1N4740A diodo Zener
• Transistor FMMT718 PNP
• Resistencias:1k, 2,2k y 6k
• Transistor NPN 2N2222

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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.

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

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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Transistor NPN 2N2222

2N2222 es un transistor NPN bipolar muy común, utilizado principalmente para aplicaciones de conmutación o amplificación de bajo consumo de uso general. 2N222 está diseñado para operar moderadamente a alta velocidad. Es un transistor muy común y se utiliza como ejemplo de un transistor NPN.

El diagrama esquemático del transistor se muestra a continuación.

A continuación se proporciona el pinout para el transistor NPN 2N2222.

2N2222
1	Emisor
2	Base
3	Colector, conectado a la caja

Debido a su bajo costo y pequeño tamaño, es el transistor más utilizado. Una de sus características clave es su capacidad para manejar valores altos de corriente en comparación con otros transistores pequeños similares. Está hecho de material de silicio o germanio y dopado con material cargado positiva o negativamente. Mientras realiza aplicaciones de amplificación, recibe una señal analógica a través de colectores y otra señal se aplica a su base. La señal analógica podría ser la señal de voz con una frecuencia analógica de casi 4 kHz (voz humana).

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Transistor PNP FMMT718

FMMT718 es un transistor PNP, por lo tanto, el colector y el emisor se cerrarán (con polarización directa) cuando el pin de la base se mantiene en tierra y se abrirán (con polarización inversa) cuando se reciba una señal. proporcionado al pasador base. Aquí es donde el transistor PNP difiere de un transistor NPN; se utiliza una puerta lógica para alternar entre los voltajes de la señal de tierra.

A continuación se muestra un diagrama esquemático del transistor PNP.

El pinout para un FMMT718 se proporciona en forma tabular a continuación.

FMMT718
1	Coleccionista	La corriente fluye a través del colector
2	Base	Controla la polarización del transistor
3	Emisor	La corriente se drena a través del emisor

  Circuito regulador de voltaje Zener

Esta es una de las dos configuraciones de circuitos de protección contra sobretensiones que utilizan el diodo Zener. Este circuito no solo protege el circuito del lado de la carga, sino que también regula el voltaje de suministro de entrada para mantener un voltaje constante. El diagrama de circuito para la protección contra sobrevoltaje utilizando el circuito regulador de voltaje Zener se proporciona a continuación.

El voltaje umbral por encima del cual el circuito desconecta el suministro al lado de la carga se denomina valor de voltaje preestablecido del circuito. El diseño del circuito es tal que el valor preestablecido del circuito es la clasificación del diodo Zener. Entonces, el valor de umbral sobre el cual el circuito no conduce es de aproximadamente 5,1 V.

La conducción del transistor Q1 depende del voltaje del emisor base del transistor. Cuando el voltaje de salida del circuito comienza a aumentar, aumenta la Vbe del transistor y conduce menos. Esto a su vez reduce el voltaje de salida, manteniendo el voltaje de salida casi constante.

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Diagrama de circuito de protección contra sobretensiones mediante diodo Zener

El diagrama del circuito para el circuito de protección contra sobretensiones se proporciona a continuación.

Primero, consideramos el funcionamiento del circuito cuando la fuente de alimentación funciona correctamente. En un estado de funcionamiento adecuado, el terminal base del transistor Q2 está alto, lo que hace que el transistor se apague. Cuando Q2 se apaga, la terminal base del transistor Q1 está baja y comienza a conducir. De esta forma, la carga se conecta a la alimentación cuando la tensión de alimentación está por debajo del umbral de tensión establecido.

Ahora, cuando el suministro de voltaje es más alto que el valor de umbral, ocurre una ruptura de Zener y el diodo Zener D2 comienza a conducir. Esto hace que la terminal base de Q2, que anteriormente estaba alta a tierra. Ahora que la terminal base de Q2 está conectada a tierra, comienza a conducir. La base del transistor Q1 que está conectado a la salida del Q2 ahora está alta y deja de conducir. Esto aísla la carga del suministro y la salva de cualquier daño potencial que podría haber causado debido a la sobretensión.

El funcionamiento de los circuitos dados arriba también depende de la caída de voltaje de cada transistor. Idealmente, debería ser bajo para que un circuito coincida con su contraparte teórica. Para mantener la caída de voltaje del transistor al mínimo, hemos utilizado el transistor PNP FMMT718 que tiene un valor de saturación del emisor del colector muy bajo. Este bajo valor de Vce permite que la caída en el voltaje a través de los transistores sea baja.