Circuito a palanchino

L'affidabilità di qualsiasi dispositivo elettronico dipende da quanto bene sono stati progettati i circuiti di protezione hardware. L'utente finale (consumatore) è incline a commettere errori ed è responsabilità di un buon progettista di hardware proteggere il proprio hardware da qualsiasi malfunzionamento. Esistono numerosi tipi di circuiti di protezione ciascuno con le proprie applicazioni specifiche. Il tipo più comune di circuiti di protezione sono il circuito di protezione da sovratensione, il circuito di protezione dall'inversione di polarità, la protezione da sovratensioni di corrente e i circuiti di protezione dal rumore. In questo tutorial discuteremo del circuito Crowbar, che è un tipo di circuito di protezione da sovratensioni ed è comunemente usato nei dispositivi elettronici. Creeremo anche praticamente questo circuito e verificheremo come funziona nella vita reale.

Materiali richiesti

• Fusibile
• Diodo Zener
• Tiristore
• Condensatori
• Resistenze
• Diodo Schottky

Schema del circuito del piede di porco

Lo schema elettrico di un circuito a palanchino è molto semplice e facile da costruire e implementare, rendendolo una soluzione rapida ed economica. Lo schema elettrico completo del piede di porco è mostrato di seguito.

Qui la tensione di ingresso (sonda blu) è la tensione che deve essere monitorata e il circuito è progettato per interrompere l'alimentazione quando la tensione di alimentazione supera 9,1 V. Discuteremo la funzione di ogni componente nella sezione di lavoro di seguito.

Funzionamento del circuito Crowbar

Un circuito Crowbar controlla la tensione di ingresso e quando supera il limite crea un cortocircuito attraverso le linee elettriche e fa saltare in aria il fusibile. Una volta che il fusibile è bruciato, l'alimentazione verrà scollegata dal carico impedendo così l'alta tensione. Il circuito funziona creando un cortocircuito diretto attraverso le linee elettriche, come se un piede di porco cadesse tra le linee elettriche del circuito. Da qui prende il suo nome iconico circuito a piede di porco.

La tensione sulla quale il circuito dovrebbe creare un cortocircuito dipende dalla tensione Zener. Il circuito è costituito da un SCR che è direttamente collegato attraverso la tensione di ingresso e la massa del circuito, ma questo SCR viene mantenuto per impostazione predefinita nello stato spento mettendo a terra il pin del gate dell'SCR. Quando la tensione in ingresso supera la tensione Zener il diodo Zener inizia a condurre e quindi viene fornita una tensione al pin Gate dell'SCR che chiude la connessione tra la tensione in ingresso e la massa creando così un cortocircuito. Questo cortocircuito assorbirà una corrente massima dall'alimentatore e farà saltare il fusibile isolando l'alimentatore dal carico. Il funzionamento completo può essere facilmente compreso anche guardando l'immagine GIF qui sopra. Puoi anche trovare un video dimostrativo alla fine di questo tutorial.

L'immagine sopra rappresenta come il circuito del piede di porco risponde esattamente quando si verifica la condizione di sovratensione. Come puoi vedere, il diodo Zener qui è valutato per 9,1 V ma la tensione di ingresso ha superato il valore ed è attualmente a 9,75 V. Quindi il diodo Zener si apre e inizia a condurre fornendo una tensione al pin di gate dell'SCR. L'SCR inizia quindi a condurre cortocircuitando la tensione di ingresso e la massa e quindi fa saltare in aria il fusibile a causa del massimo assorbimento di corrente, come mostrato nella GIF sopra. La funzione di ogni componente in questo circuito è spiegata di seguito.

Fusibile: il fusibile è il componente vitale in questo circuito. Il valore nominale del fusibile deve essere sempre inferiore alla corrente nominale massima dell'SCR e superiore alla corrente assorbita dal carico. Dovremmo anche assicurarci che l'alimentatore possa fornire corrente sufficiente per rompere il fusibile in caso di guasti.

Condensatore 0.1uF: Questo è un condensatore di filtraggio; rimuove i picchi e altri rumori come le armoniche dalla tensione di alimentazione per evitare che il circuito formi falsi trigger.

Diodo Zener da 9,1 V: questo diodo decide il valore di sovratensione, poiché qui abbiamo utilizzato un diodo Zener da 9,1 V il circuito risponderà a qualsiasi tensione che sia superiore al valore di soglia di 9,1 V. Il progettista può scegliere il valore di questa resistenza in base alle sue esigenze.

Resistore 1K: Questo è solo un resistore pull down che tiene a terra il pin Gate dell'SCR e quindi lo tiene spento finché lo Zener non inizia a condurre.

Condensatore 47nF: ogni interruttore di alimentazione come l'SCR richiede un circuito snubber per sopprimere i picchi di tensione durante la commutazione e impedire il falso innesco dell'SCR. Qui abbiamo appena usato un condensatore per fare il lavoro. Il valore del condensatore dovrebbe essere appena sufficiente per filtrare il rumore, perché un valore elevato di capacità aumenterà il ritardo con cui l'SCR inizia a condurre dopo l'applicazione dell'impulso Gate.

Tiristore (SCR): il tiristore è responsabile della creazione di un cortocircuito tra i binari di alimentazione. È necessario prestare attenzione affinché l'SCR possa gestire un valore di corrente così elevato attraverso di esso da far saltare il fusibile e danneggiarsi. La tensione di gate dell'SCR dovrebbe essere inferiore alla tensione di rottura Zener. Scopri di più su Thyristor qui.

Diodo Schottky: questo diodo non è obbligatorio e viene utilizzato solo a scopo di protezione. Si assicura che non riceviamo alcuna corrente inversa dal lato del carico che potrebbe danneggiare il circuito di protezione. Un diodo Schottky viene utilizzato al posto di un diodo normale perché ha meno caduta di tensione su di esso.

Hardware

Ora che abbiamo compreso la teoria alla base del circuito Crowbar, è tempo di entrare nella parte divertente. Questo è in realtà costruire il circuito in cima a una breadboard e controllare come funziona in tempo reale. Il circuito che sto costruendo è per una lampadina da 12V. Questa lampadina consuma circa 650 mA con una normale tensione operativa di 12V. Progetteremo il circuito del piede di porco per verificare se la tensione supera i 12V e se lo fa metteremo in cortocircuito l'SCR e quindi spegneremo il fusibile. Quindi qui ho usato un diodo Zener da 12V e un tiristore TYN612. Il fusibile è montato all'interno di un portafusibile, qui abbiamo utilizzato un fusibile a cartuccia da 500mA. La configurazione completa è mostrata nell'immagine sottostante

Ho usato un RPS per controllare la tensione di ingresso, inizialmente il setup viene testato con 12V e funziona bene accendendo la lampadina. Successivamente la tensione viene aumentata tramite la manopola RPS creando così un cortocircuito attraverso l'SCR e facendo saltare il fusibile che spegne anche la lampadina e la isola dall'alimentazione. Il funzionamento completo può essere verificato anche nel video in fondo a questa pagina.

Limitazioni del circuito Crowbar

Sebbene il circuito sia ampiamente utilizzato, presenta le proprie limitazioni elencate di seguito

• Il valore di sovratensione del circuito dipende esclusivamente dal valore di tensione Zener e sono disponibili solo pochi valori del diodo Zener.
• Anche il circuito è soggetto a problemi di rumore; questo rumore può spesso creare un falso innesco e far saltare il fusibile.
• In caso di sovratensione il circuito salta il fusibile e successivamente richiede un aiuto manuale per far funzionare nuovamente il carico quando la tensione torna normale.
• Il fusibile è un fusibile meccanico che deve essere sostituito e quindi richiede fatica, tempo e denaro.