Circuitos Crowbar: Cómo Protegen contra Sobretensión

Diagrama de Circuito Crowbar para Protección contra Sobretensión

¿Qué es un Circuito Crowbar?

El circuito crowbar es básicamente un circuito eléctrico para prevenir condiciones de sobretensión. Opera creando un cortocircuito o camino de baja resistencia a la salida de voltaje, como dejar caer una barra de hierro (crowbar) entre bornes de la fuente, de ahí el nombre. Es un tipo de circuito de protección contra sobretensión.

Difiere de otros circuitos de seguridad o retentivos (latching), p. ej., un clamp. Una vez disparado, el voltaje cae por debajo del nivel de disparo, cerca de tierra. Un crowbar no vuelve a operación normal al eliminarse la sobretensión.

Según operación, un crowbar activo puede eliminar el cortocircuito al cesar el transitorio, reanudando operación normal. Usados cuando transitorios son frecuentes/altos, p. ej., circuito de rotor de generadores doblemente alimentados contra transitorios de alta corriente/tensión por sobretensión en red. Permite al generador atravesar la falla y continuar operando incluso durante hundimiento de tensión.

El crowbar tiene baja tensión de mantenimiento, permitiendo alta corriente de fallo sin gran pérdida de potencia. Menor pérdida lo hace preferible frente a otros dispositivos de seguridad.

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Componentes Necesarios

1. Fusible
2. Diodo Zener
3. Diodo Schottky
4. Tiristores (SCR/Thyristors)
5. Resistencias
6. Condensadores

Diagrama del Circuito Crowbar

Diagrama simple, fácil de implementar, económico y solución rápida para protección contra sobretensión. Diagrama completo con valores calculados de componentes.

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Fusible

Dispositivo de seguridad eléctrica contra picos de sobrecorriente. Componente esencial: hilo o lámina metálica en serie con circuito. Cuando corriente supera umbral, metal se funde rompiendo circuito. Umbral depende solo de punto de fusión del metal. Dispositivo sacrificial: tras actuar, hay que reemplazarlo o rebobinarlo según tipo.

Fusibles llevan mucho tiempo usándose y han evolucionado para trabajar con valores específicos de corriente/tensión, capacidad de ruptura y tiempos de respuesta según aplicación.

Existen también interruptores automáticos (circuit breakers) como alternativa, pero con características significativamente distintas. Elemento del fusible suele ser zinc, cobre, aluminio o aleación para características predecibles y estables.

Representación esquemática genérica de fusible:

El símbolo varía según representación: primera IEC, las otras IEEE.

Ventajas de fusibles:

1. Dispositivo más barato para protección de circuito eléctrico.
2. Mantenimiento nulo.
3. Operación simple, sin complejidad.
4. Interrumpe enormes corrientes de cortocircuito sin ruido, llama, gas o humo.
5. Tiempo de operación puede ser mucho menor que interruptor automático.

Desventajas:

1. En cortocircuito/sobrecarga, al fundirse el fusible, su reemplazo lleva tiempo; durante ese periodo el circuito pierde potencia.
2. Con fusibles en serie, es difícil discriminar cuál fundió salvo diferencia significativa de tamaño.

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Diodo Schottky

En este proyecto no es obligatorio; se usa solo para protección. Principalmente como rectificador en inversores alta frecuencia baja tensión, diodo protección polaridad y diodo rueda libre (freewheeling). También llamado diodo barrera superficie, diodo electrón caliente o portador caliente. Difiere de diodo PN normal: metal (platino/aluminio) sustituye semiconductor tipo P.

En Schottky, semiconductor y metal forman unión metal-semiconductor: lado semiconductor = cátodo, lado metal = ánodo. Al formarse unión, resulta capa agotamiento o barrera Schottky.

Schottky tiene baja carga almacenada, menor pérdida de potencia y mayor eficiencia. Fabricado con superficies externas resistentes a corrosión y terminales fácilmente soldables. Corriente fluye una dirección y bloquea la opuesta. Caída de tensión menor que diodos PN. Al aplicar voltaje, corriente fluye con pequeña caída → mayor eficiencia y velocidad conmutación.

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Diodo Zener

Diodo que permite corriente en ambas direcciones (a diferencia de diodo normal: solo ánodo→cátodo). Flujo inverso ocurre solo cuando voltaje en bornes supera voltaje umbral llamado voltaje Zener. Es característica del dispositivo que gobierna efecto Zener y su funcionamiento.

Unión PN altamente dopada permite funcionar con voltaje inverso. Muchos Zeners usan ruptura por avalancha. Ambos tipos ocurren: efecto Zener predomina en bajas tensiones; avalancha en altas. Usados para fuentes estabilizadas baja potencia, protección contra sobretensión y descarga electrostática.

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Esquema típico de diodo Zener en circuitos:

Tiristor (Thyristor/SCR)

Dispositivo de 4 capas: dos tipo P y dos tipo N alternados (P-N-P-N). Forma básica: 3 terminales: ánodo, cátodo y gate. Gate controla flujo corriente entre ánodo y cátodo. Función principal: controlar potencia y corriente actuando como interruptor.

Usado como rectificador por conmutación rápida entre conducción y no conducción. Bajo coste mantenimiento y larga vida en condiciones adecuadas. Usado extensivamente: alarmas antirrobo simples a líneas de transmisión potencia.

Funcionamiento estudiado extensamente. Tiristor básico 4 capas (P-N-P-N) y 3 uniones (PN, NP, PN). Si ánodo positivo respecto a cátodo, uniones PN externas directa, central NP inversa → NP bloquea corriente ánodo→cátodo → estado bloqueo directo. Corriente inversa bloqueada por uniones PN externas → estado bloqueo inverso. Tercer estado: conducción directa – recibe señal suficiente en gate, comienza a conducir.

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Diagrama típico de tiristor:

Funcionamiento del Circuito Crowbar

Conecte todos los componentes con valores del circuito. El crowbar monitoriza voltaje de entrada y actúa solo cuando supera el límite. Al excederse, causa cortocircuito entre líneas de potencia y el fusible (metal bajo punto fusión) se funde rompiendo circuito. Valor de voltaje donde ocurre cortocircuito depende del Voltaje Zener.

SCR en circuito está directamente conectado entre voltaje entrada y tierra. Se mantiene OFF conectando gate a tierra. Cuando voltaje Zener se supera, diodo Zener conduce y aplica voltaje al gate del SCR. Voltaje en gate hace conducir al SCR → cortocircuito entre entrada y tierra. Este cortocircuito extrae máxima corriente posible del circuito y funde el fusible, aislando fuente de la carga.

Este arreglo salva componentes y circuito de sobretensiones, fundiendo un fusible sacrificial reemplazable fácilmente.