Fusible electrónico

Fusible electrónico por corriente y temperatura

Siempre que andamos probando un paso final u otro tipo de circuitos también, corremos el riesgo de sufrir un destrozo por una subida súbita de corriente o por un calentamiento gradual del componente de potencia. Normalmente en ambos casos acabamos viendo como se nos quema un transistor que no suele ser barato.

El circuito que presentamos es un accesorio para montar entre la fuente de alimentación y el dispositivo que estamos ajustando o probando. El circuito actúa como un interruptor que podemos cerrar o abrir en cualquier momento, pero además dispone de un sensor de corriente que abre el circuito en cuanto superamos la corriente establecida. Para acabar de completar las posibilidades se conecta una resistencia NTC que mide la temperatura de tal forma que si se supera la temperatura de protección establecida se abrirá el interruptor. Mientras la temperatura sea demasiado alta el interruptor estará abierto, sin embargo si se dispara la corriente y se abre el interruptor por este motivo, solamente estará abierto unos segundos rearmándose automáticamente. Tanto la corriente como la temperatura y el tiempo de rearme son ajustables dentro de unos márgenes.

Circuito

En la figura adjunta vemos el esquema eléctrico del circuito. Parece un poco enrevesado pero en realidad es bastante sencillo. Lo primero es ver como se conecta y para qué sirve cada conector.

J1 es el conector de entrada por donde conectamos la fuente de alimentación, el positivo J1-1.

J2 nos permite conectar un interruptor externo para encender o apagar el circuito. De no querer usar esta opción se tiene que hacer un puente entre las patillas 1 y 2 de J2.

J3 se destina a conectar una resistencia NTC de 10K nominales a temperatura ambiente. La resistencia NTC se puede montar en el radiador, cerca del componente o componentes a proteger de exceso de temperatura. Si el radiador tiene una buena inercia térmica tardará en calentarse aunque la corriente se dispare, de ahí proteger por sobre corriente. Si una vez calentado el radiador se corta la alimentación el circuito empezará a enfriarse, pero tardará bastante tiempo. Si se restituye la alimentación en poco tiempo, la temperatura volvería a subir y cada vez más, acabando por destruir los componentes. De ahí que se haya incluido un circuito de histéresis para la temperatura.

J4 es el conector de salida, donde conectamos el circuito que queremos proteger, el positivo J4-1.

J5 permite conectar un LED exterior en lugar del que lleva la placa.

Descripción de funcionamiento

Q4 es un FET de potencia que hace de interruptor controlado por tensión, La alimentación entra por J2-1, pasa por un par de resistencias en paralelo, R3 y R4, para llegar al surtidor del FET Q4. El drenador sale por J4-1. Cuando la puerta de Q4 está a 0 voltios, aproximadamente, el FET presenta una baja resistencia, de tal forma que la corriente pasa de J2-1 a J4-1. Si la tensión de puerta es muy alta, próxima a la tensión de alimentación, el FET pasa al corte y por tanto el circuito conectado a J4 se queda sin alimentación. La tensión de puerta de Q4 está gobernada por varios circuitos, el interruptor de encendido en J2, la temperatura de la NTC o la corriente que circula por el paralelo R2, R3. Cada uno de ellos puede cortar de forma independiente la tensión de salida en J4.

La puerta de Q4 está controlada por Q1 y la puerta de Q1 está a 5Vcc por efecto del diodo zener D1. El surtidor mediante R1 también estará a 5Vcc. Si en J2 hay un puente o un interruptor cerrado, el surtidor de Q1 pasa a 0V y por tanto Q1 queda saturado al tener una tensión entre puerta y surtidor de 5Vcc. Esto hace que la puerta de Q4 se ponga a 0 voltios a través de Q1. Por tanto el circuito conectado a J4 queda alimentado. Si J2 está abierto entonces Q4 siempre estará al corte y no habrá tensión en J4.

Protección térmica

Vamos a fijarnos ahora que la puerta de Q1 está conectada a un comparador "trigger-smith" formado por Q2 y Q3. Este comparador dispara a una tensión alta y se relaja a otra más baja. De esta forma se evita que haya estados indeterminados. La tensión de base de Q3 está gobernada por el divisor de tensión R8+R10 y la resistencia NTC conectada a J3. El circuito "trigger-smith" Q2-Q3 está diseñado para funcionar entre 0,65Vcc y 1,1Vcc. Supongamos que la NTC está fría, presenta unos 10K. Por tanto la tensión en la base de Q3 (simplificando los cálculos) estará entre los siguientes valores en función del ajuste de R8:

Cuando la tensión en la base de Q3 es suficientemente alta la corriente de base por Q3 provocará que éste conduzca, dado la alta resistencia de carga del colector R6 este transistor se saturará con muy poca corriente de base. Una vez Q3 conduce lo suficiente para que la tensión colector-emisor sea de 0,6Vcc, Q2 pasa al corte. La corriente que circula ahora por R2 viene determinada principalmente por el valor de R6. Con esta débil corriente la tensión en el emisor de Q3 será de 0,05 Vcc, aproximadamente y por tanto la tensión de base de Q3 estará 0,6Vcc por encima, es decir 0,65Vcc aproximadamente. Como la tensión a temperatura ambiente en la resistencia NTC es mayor a 0,65Vcc, esto obliga a que parte de la corriente se vaya por la base de Q3 y lo mantenga saturado. La corriente de base de Q3 estará, en función del ajuste de R8, entre:

Debido que la ganancia del transistor es mayor a 100, la corriente de colector como mínimo será 3mA, pero R6 limita a solo 1mA y por tanto satura. Q2 queda polarizado al corte y por tanto la tensión de puerta de Q1 está fijada por el zener.

Si la NTC se calienta disminuye su resistencia, la tensión de base de Q3 va a bajar paulatinamente con la temperatura. El ajuste de R8 fija hasta cuanto se tiene que calentar la NTC para que la tensión de base de Q3 caiga por debajo de 0,65Vcc, instante en el que la corriente de base será muy próxima a 0.

Por tanto la corriente de colector baja y R6 polariza la base de Q2 que empieza a conducir. La corriente que circula por Q2 provoca una caída de tensión en R2 que sumada a los 0,6Vcc de la unión base emisor de Q3 hace que la corriente por éste disminuya rápidamente lo que hace que pase al corte y Q2 quede saturado rápidamente. La corriente que pasa por R2 viene determinada por la resistencia R7 más 1mA que aporta R6. Simplificando los cálculos la corriente en este transistor está entre 11mA y 17mA en función de la tensión de alimentación. Por tanto la tensión en R2 viene a estar entre 0,52Vcc y 0,8Vcc. En estas condiciones Q1 ha quedado polarizado al corte ya que la tensión de puerta ha caído por debajo de 1Vcc y este FET necesita unos 2Vcc de tensión de puerta para conducir. La tensión en R2 se superpone a la tensión de la unión base-emisor necesaria para hacer conducir a Q3. Es decir, 1,1Vcc a 1,4Vcc. Bien, la NTC se tiene que enfriar hasta que la resistencia valga lo suficiente como para que la tensión de la base de Q3 suba hasta estar entre 1,1 a 1,4 Vcc. A partir de este momento se rearma el circuito y vuelve a alimentar la salida. Como vemos, una vez se ha calentado el final es necesario que se enfríe suficientemente para volver a alimentar el circuito.

Protección de corriente

Ahora vemos el circuito limitador de corriente. El sensor de corriente lo forma Q6 y las resistencias R3, R4. La tensión base emisor de este transistor es la suma de la caída de tensión en el paralelo R3, R4 más la tensión del punto de ajuste de R17. Supongamos que R17 se ajusta en sentido horario, es decir el cursor estará conectado al paralelo R3, R4. Este paralelo tiene un valor de 0,6Ω. Por tanto cuando la corriente de carga sea de 1A, la caída de tensión es estas resistencias será de 0,6Vcc y por tanto Q6 empezará a conducir. En R14 aparecerá una tensión que mediante D5 polariza la puerta de Q5. Cuando la tensión de puerta llegue a unos 2Vcc Q5 empieza a conducir haciendo que la tensión de los cátodos de D3 y D4 baje. Cuando esta tensión baje 1,2Vcc, C4, vía D4 aumenta la corriente en la base de Q6 obligando a que aumente rápidamente la corriente de colector y por tanto subirá más la tensión de puerta de Q5 hasta el punto de saturarse. Vía D3 baja la tensión de polarización de Q3 hasta el punto que Q3 pase al corte, desencadenando el proceso anteriormente que acaba por desactivar Q4. En este momento la corriente por el paralelo pasa 0, la corriente por Q6 también pasa a 0, pero C5 está cargado y mantiene a Q5 saturado mientras se descarga por R11+ R12. Cuando la puerta de Q5 caiga por debajo de 2Vcc, Q5 pasa al corte, se satura Q3 y se activa Q4, restituyendo la alimentación.

Si R17 la giramos hacia el cátodo de D6, la corriente de disparo baja en la medida que la corriente de carga, necesaria para hacer conducir a Q6, es menor ya que se suma con la polarización aportada por R17. Si hay un pico de corriente instantáneo suficiente para activar a Q5, C4 obliga a conducir más a Q6 de forma que un pico de corriente es suficiente para provocar el corte de la alimentación durante el tiempo que determine R11+R12. Si retiramos C4, el circuito solo responderá a la corriente y cortará solo cuando la sobrecarga de corriente sea lo suficientemente grande y prolongada como para mantener a Q5 al corte. C4 es una realimentación positiva para obligar que C5 se cargue al máximo independientemente de la duración del pico de corriente. Por tanto si se conecta un condensador de suficiente capacidad y baja ESR en J4, esto será suficiente para que al conectar la alimentación se corte inmediatamente y entre en un ciclo de encendido y apagados sucesivos hasta cargar el condensador.

El drenador de Q5 está conectado a un LED de forma que este se enciende cuando hay un corte de alimentación por exceso de corriente. No así si es por temperatura. Si se retira el LED de la placa se puede conectar un LED externo en J5. Hay que respetar la polaridad de la conexión del diodo LED.

Montaje

El circuito viene en una placa de una sola cara de 50mmx80mm, marcada en el lado de cobre como 01022016 Ed1. Es necesario un único puente de hilo de 0,8mm, marcado en la cara de serigrafía como PT1.

 

El montaje se puede hacer todo de una vez o por fases y comprobar cada una de ellas. Aquí vamos a hacerlo por fases para ayudar a evitar errores, pero los montadores experimentados no es necesario que lo hagan así.

Como siempre, las referencias de los componentes se incrementan de arriba a abajo y de izquierda a derecha.

Fase 1: Circuito de interruptor.

Montar C1, C2, R1, R3, R4, R5, R7, D1, Q1, Q4 con su radiador y los conectores.

Q4 puede aguantar corrientes bastante altas con un radiador pequeño, no obstante si se le hace trabajar mucho tiempo con corrientes de 1A será necesario montarlo en un radiador más grande o incluso fuera de la placa.

Conectar el interruptor en J2. Conectar la alimentación en J1 y comprobar con un voltímetro en J4 que hay tensión cuando se cierra el interruptor y que desaparece cuando se abre. Conviene cargar con 100Ω en J4 para tirar a cero la tensión cuando se abre el interruptor.

Fase 2: Sensor térmico.

Montar R2, R6, R8, R9, R10, C3, D2, Q2 y Q3.

Conectar una resistencia de 5,1K en J3. Alimentar el circuito y cerrar el interruptor. Girar R8 totalmente en sentido horario. Comprobar que en J4 hay tensión. Ajustar lentamente R8 en sentido antihorario hasta ver que se corta la alimentación. Reemplazar la resistencia por una NTC y comprobar que vuelve a haber alimentación en J4. Calentar la NTC a unos 60ºC con cuidado de no romperla y comprobar que se corta la alimentación en J4, una vez retirada la fuente de calor pasado un tiempo de enfriamiento se restituye la alimentación en J4.

Fase 3: limitador de corriente.

Montar R11 a R18, C4, C5, D3 a D6, Q5, Q6 y el LED bien en la PCB o conectado en J5.

Ajustar R12 y R17 totalmente en sentido horario. Conectar un condensador de 1000uF con una resistencia de 100Ω, en paralelo, en J4. Comprobar que al conectar la alimentación y con el interruptor cerrado, el LED luce intermitentemente. R12 permite ajustar el tiempo que está apagado que se comprueba viendo como cambia la frecuencia de intermitencia del LED. R17 permite ajustar la corriente de corte que se comprueba viendo como aumenta el número de destellos del LED hasta conseguir la carga del condensador. Para repetir la prueba hay que retirar la alimentación y esperar que el condensador se descargue totalmente.

Lista de materiales

Otros componentes:

NTC de 10K a temperatura ambiente.

Interruptor

Radiador

Conectores para PCB de dos contactos apilables.

Variantes

El circuito es fácil de modificar a necesidad de cada uno. Podemos aumentar o disminuir el rango del sensor de corriente variando el valor de las resistencias R3 y R4. La máxima corriente que se puede ajustar es aquella que produce una caída de 0,6Vcc en el paralelo de estas resistencias. No olvidar que la potencia total disipada en las resistencias tiene que ser menor a la que puede disipar el paralelo de ambas. Si ponemos dos resistencias de 1Ω, el paralelo es 0,5Ω y por tanto necesitamos:

La histéresis de temperatura también podemos modificarla. R2 determina el rango de histéresis. A mayor valor mayor histéresis y a menor valor de R2 menor histéresis. Hay que recordar que Q1 pasará al corte para una tensión de drenador-surtidor menor a 2Vcc, por seguridad deberíamos usar 1,5Vcc. Por tanto R2 no puede ser muy grande ya que entonces no llegará a caer la tensión de puerta como para abrir el circuito. De necesitar una histéresis muy grande habrá que aumentar también el valor de R6.

Publicado en EA-QRP navidad de 2016