Circuitos de protección en interruptores

En esta entrada queremos ofrecer una explicación detallada sobre aquellos circuitos de protección que se pueden implementar en interruptores, parte esencial de los convertidores de  potencia.

Muchos de los conceptos que se comentan en esta entrada son de nivel avanzado, dedicado a muchos usuarios con alto grado de conocimiento que nos comentaron algunas propuestas a partir de la entrada anterior “conectar relé a la cama caliente”, pero hemos intentado que las explicaciones sean entendibles para muchos otros usuarios menos experimentados para que podamos aprender todos.

Estos circuitos de amortiguamiento o snubbers tienen la función de suprimir o suavizar los picos de voltaje e intensidad y amortiguar la oscilación transitoria.

Para identificar en un circuito el estado en que se encuentra, podemos ver la siguiente imagen donde se muestra un circuito con su parte transitoria, en la fase de carga del condensador, y la fase permanente, cuando las condiciones no varían en el tiempo.

 Además, en el estudio y análisis de circuitos, se distinguen dos etapas:
 

-El régimen transitorio, viene dado por la solución general de la ecuación diferencia lineal que describe el circuito.

-El régimen permanente se obtiene de la solución particular.

Para el estudio de circuitos simples donde se utilizan ecuaciones diferenciales lineales de primer y segundo orden, pero para circuitos más complejos, se utiliza la transformada de Laplace.

El amortiguamiento, nos indica la evolución del transitorio.

Por eso, en los relés, la simple acción de conmutación se considera un estado transitorio y debemos conocer el daño que pueden causar al resto de componentes, aunque en muchos casos, es suficiente con colocar un diodo.

Para conocer qué tipo de protección debemos implementar, realizamos un estudio de variables del circuito para garantizar que nuestro diseño adecuado ofrece estabilidad, eficiencia y menor EMI.

Existen varios métodos de control y protección de interruptores, como uso de transistores, mosfet, optoacopladores, tiristores, tiristores bidireccionales (triac y alternistor), circuitos RC o RL…

Para comenzar esta explicación, nos centraremos en el circuito de protección más popular por su simpleza y gran aplicación, el circuito RC.

Circuito RC:

Un circuito RC está formado por una resistencia y un condensador, conectado en serie o en paralelo, y que realizan la función de filtro. Este filtrado, permite pasar rangos de frecuencia por encima o por debajo de valores que se establecen dependiendo del tipo de resistencia y condensador que tenga nuestro circuito de protección.

A continuación explicamos cómo hallar los parámetros de intensidad y capacidad del condensador para un circuito de protección RC Serie utilizando ecuaciones diferenciales.

 

Por ejemplo, tenemos un circuito RC serie con una fuerza electromotriz de 100V, cuyo valor de resistencia son 200 ohmios y una capacidad del condensador de 1x10^-4 F.

Calcular: 

a)q(t) si q(0)=0

b)i(t)

a)Representación matemática de caídas de voltaje en función de i(t) y en función de la carga q(t):

 Esta ecuación, esta condicionada por el parámetro de intensidad, el cual se sustituye por su equivalente según la definición de cantidad de carga eléctrica por unidad de tiempo.

 Ahora sustituimos los valores de Resistencia, Carga y Fuerza electromotriz en la ecuación:

Resolvemos el factor integrante P(x):

Para obtener la solución de la ecuación, debemos hallar su solución general a partir de la ecuación homogénea y su solución particular:

Donde:

y: es la solución completa.

y_{c: es la solución general.}

y_{p: es la solución particular.}

_{qtr: es la carga transitoria del condensador.}

_{qs: es la carga estacionaria del condensador.}

  Hallamos las soluciónes:

 

Escribimos la solución completa de q(t), que representa la carga total del circuito:

Hallamos el valor de C para la condición en el momento inicial donde se cumple que q(0)=0 :

Por tanto, nos queda que q(t) se representa mediante la ecuación en función del tiempo:

 b)Obtenemos i(t) del circuito RC:

Para resolver esta ecuación mediante un calculador online como Wolfram Alpha, realizamos un cambio de variable y sustituimos la i por x:

 Obteniendo la solución de la ecuación, donde este valor corresponde a la intensidad i(t) del circuito en función del tiempo:

Observamos la gráfica de i(t) a lo largo del tiempo, desde t=0 a t=infinito: 

El circuito RC paralelo obtiene en la salida un voltaje similar al voltaje de entrada, por esa razón se suele utilizar menos, salvo que aportemos una fuente de intensidad.

TRANSISTORES (BJT y FET:

Otros sistemas de conmutación también muy utilizados son los transistores. Además, este componente tiene la capacidad de regular la cantidad de corriente que circula, por lo que resulta muy práctico para regular componentes desde un mínimo hasta un máximo pasando por los estados intermedios, por ejemplo, regular la velocidad de un motor.

Una manera sencilla de controlar un relé es utilizando un transistor tipo NPN. Su función, es actuar de interruptor, cerrando el circuito que excita la bobina del relé.

Esta configuración es muy útil si necesitamos alimentar un relé con tensiones distintas a la electrónica de control.

Por ejemplo, tenemos Arduino Due, cuya tensión en las salidas ya no es de 5V sino de 3.3V y disponemos de un relé que se controla a 5V.

En este caso, no podemos conectar el relé directamente, pues no se accionará correctamente. Para este caso, utilizamos un transistor. De esta manera un modelo de transistor que admita 3.3V, puede controlar el relé de 5V.

Esta práctica se utiliza por que existen diferentes tecnologías en los circuitos lógicos con rangos de voltaje diferentes, TTL(3.3V), CMOS(5V), LVTTL(3,3V), LVCMOS(3.3V, 2,5V y 1,8V) y componentes que exigen unos valores mínimos para su activación/desactivación:

 

Como podemos observar en esta imagen, para distintas familias lógicas, por ejemplo si tenemos una señal de estado bajo a 0,4V, la familia TTL a 5V funcionará, pero sin embargo, el nivel lógico para 3,3V necesita 0,5V.

Para tener la activación del relé, es necesario que el transistor se encuentre en modo saturación, es decir, que permita el máximo de intensidad circulando. Análogamente, sería como abrir un grifo de agua al máximo para que deje circular la mayor cantidad de agua posible.
Por esta razón, debemos utilizar un transistor, que conduzca por encima de los valores de voltajes que tengamos a la salida. Por ejemplo, si nuestra salida esta a 3.3V, y nuestro transistor conduce a partir de 0,7V tendremos un correcto funcionamiento y podría funcionar con salidas de control de circuitos lógicos tanto de la familia CMOS o TTL.

Con todo esto ya tenemos el control del relé, sin embargo, ahora nuestro transistor es un componente desprotegido de sobre tensiones producidas por la fuerza contra-electromotriz (fcem) que generan las conmutaciones. Además, el efecto de inducción en la bobina del relé crea un campo magnético que genera un pico en dirección opuesta en el momento de conmutación que podemos prevenir con un diodo conectado a los bornes de contacto de la bobina del relé:

Para más información sobre transistores, visita la entrada:

 Elecciónde un transistor: Calcular compatibilidad

Otro tipo de transistores muy utilizados son los llamados de efecto campo (FET). Dentro de este grupo, existe una amplia variedad de tipos, como los MOSFET.

Para conocer que tipo de transistor es más conveniente, debemos conocer características de la utilidad que vaya a tener y las condiciones a las que va a ser sometido.

Sus principales prestaciones que lo diferencian de los BJT son:

-Dispositivos controlados por tensión. Esta ventaja a veces puede suponer un inconveniente, ya que la mayoría de MOSFET necesitan un voltaje alto para su control en la patilla de puerta o Gate(G), sin embargo, existen en el mercado dispositivo de control lógico adaptados a voltajes más bajos.

-Presenta alta impedancia de entrada: esto permite contener carga un tiempo limitado pero suficiente como para permitir almacenamiento.

-Generan menor nivel de ruido eléctrico.

-No son tan sensibles a la radiación.

-Son más estables a cambios de temperatura. En los BJT, al aumentar la temperatura, disminuye V_be, al disminuir V_be, aumenta I_c, al aumentar I_c, aumenta nuevamente la temperatura hasta llegar a un estado de no retorno que termina con la destrucción del dispositivo.

Otro componente utilizado en los módulos de Arduino son optoacopladores (U1), que aislan el circuito de la parte lógica de control y previenen ante corrientes inversas:

 Para entender mejor este diagrama, a continuación podemos ver los componentes en su placa electrónica original de Arduino, detallando cada parte del circuito:

Podemos observar que esta regleta de relés conta de 4 unidades independientes, por eso en el diagrama viene sólo explicada para 1 solo relé pues el resto son conexiones idénticas.

La forma de alimentar con una fuente externa los relés se realiza de la siguiente forma:

Otro sistema más compacto y silencioso son los relés de estado sólido (SSR). Su funcionamiento interno, no tiene partes móviles, por eso no emiten ruido y no sufren desgaste por movimiento de piezas.

En muchas aplicaciones se pueden implementar  directamente para controlar resistencias, como las plataformas de impresión de las impresoras 3D, la desventaja de este componentes es su precio, relativamente mayor en el mercado que otros sistemas más económicos.Sin embargo, muchos proveedores y fabricantes de productos para proteger sus circuitos de control por su fiabilidad y robustez.

Para implmentar este tipo de relés en Arduino, muchos llevan un circuito de regulación mediante transistor:

Con estos tipos de componentes, hemos visto brevemente su implementación y diferentes circuitos de protección y regulación que podemos implmentar con trasistores o circuitos RC muy utilizados en la actualidad.


Esperamos que esta información os sea de utilidad.

Un saludo a todos,

Ingenio Triana.