Circuito de proteção contra sobretensão de rede 230 Vca

A maioria das fontes de alimentação atualmente é muito confiável devido ao avanço na tecnologia e às melhores preferências de design, mas sempre há uma chance de falha devido a um defeito de fabricação ou pode ser o transistor de chaveamento principal ou o MOSFET estragando. Além disso, existe a possibilidade de que ele possa falhar devido a sobretensão na entrada, embora dispositivos de proteção como Varistor de Óxido de Metal (MOVs) possam ser usados como proteção de entrada, mas uma vez que um MOV dispara, ele torna o dispositivo inútil.

Para resolver este problema, vamos construir um dispositivo de proteção contra sobretensão com um amplificador operacional, que pode detectar altas tensões e pode cortar a energia de entrada em uma fração de segundo protegendo o dispositivo de um surto de alta tensão. Além disso, haverá um teste detalhado do circuito para verificar nosso projeto e funcionamento do circuito. O exame a seguir dá uma ideia sobre o processo de construção e teste deste circuito. Se você gosta de design SMPS, pode verificar nossos artigos anteriores sobre dicas de design SMPS PCB e técnicas de redução de SMPS EMI.

O que é proteção contra sobretensão e por que é tão importante?

Existem várias maneiras de um circuito de fonte de alimentação falhar, uma delas é devido à sobretensão. Em um artigo anterior, fizemos um circuito de proteção de sobretensão para o circuito CC, você pode verificar se isso despertar seu interesse. A proteção contra sobretensão pode ser ilustrada como um recurso em que a fonte de alimentação é desligada quando ocorre uma condição de sobretensão, embora uma situação de sobretensão ocorra com menos frequência, quando isso acontece, torna a fonte de alimentação inútil. Além disso, o impacto de uma condição de sobretensão pode ir da fonte de alimentação ao circuito principal, quando isso acontecer, você acabará não apenas com uma fonte de alimentação quebrada, mas também com um circuito quebrado. é por isso que um circuito de proteção contra sobretensão torna-se importante em qualquer projeto eletrônico.

Portanto, para projetar um circuito de proteção para situações de sobretensão, precisamos esclarecer os fundamentos da proteção de sobretensão. Em nossos tutoriais de circuito de proteção anteriores, projetamos muitos circuitos de proteção básicos que podem ser adaptados em seu circuito, ou seja, proteção contra sobretensão, proteção contra curto-circuito, proteção contra polaridade reversa, proteção contra sobrecorrente, etc.

Neste artigo, vamos nos concentrar em apenas uma coisa, que é fazer um circuito de proteção contra sobretensão da rede de entrada para evitar que seja destruído.

Como funciona o circuito de proteção contra sobretensão da rede elétrica de 230 V?

Para entender os fundamentos do circuito de proteção contra sobretensão, vamos desmontar o circuito para entender o princípio básico de funcionamento de cada parte do circuito.

O coração deste circuito é um OP-Amp, que é configurado como um comparador. No esquema, temos um LM358 OP-amp básico e em seu Pin-6, temos nossa tensão de referência que é gerada a partir de um regulador de tensão LM7812 IC e no pino 5, temos nossa tensão de entrada que vem do principal tensão de alimentação. Nesta situação, se a tensão de entrada ultrapassar a tensão de referência, a saída do amplificador operacional ficará alta, e com esse sinal alto, podemos acionar um transistor que liga um relé, mas existe um grande problema neste circuito, Devido ao ruído no sinal de entrada, o Op-amp oscilará muitas vezes antes de se estabilizar

A solução é adicionar a histerese da ação do gatilho Schmitt na entrada. Anteriormente, fizemos circuitos como o contador de frequência usando Arduino e medidor de capacitância usando o Arduino, ambos usando entradas de gatilho Schmitt. Se você quiser aprender mais sobre esses projetos, verifique-os. Configurando o amplificador operacional com feedback positivo, podemos ampliar a margem na entrada de acordo com nossas necessidades. Como você pode ver na imagem acima, fornecemos feedback com a ajuda de R18 e R19 ao fazer isso, praticamente adicionamos duas tensões de limite, uma é a tensão de limite superior e a outra é a tensão de limite inferior.

Calculando os valores dos componentes para proteção contra sobretensão

Se olharmos o esquema, temos nossa entrada principal, que retificamos com a ajuda de um retificador em ponte, então a colocamos em um divisor de tensão que é feito com R9, R11 e R10, então a filtramos por 22uF 63V capacitor.

Após fazer o cálculo para o divisor de tensão, obteremos uma tensão de saída de 3,17V, agora, precisamos calcular as tensões limite superior e inferior, digamos que queremos cortar a energia quando a tensão de entrada atingir 270V. Agora, se fizermos o cálculo do divisor de tensão novamente, obteremos uma tensão de saída de 3,56 V, que é nosso limite superior. Nosso limite inferior permanece em 3,17V, pois aterramos o Op-amp.

Agora, com a ajuda de uma fórmula divisora de tensão simples, podemos calcular facilmente as tensões limite superior e inferior. Tomando o esquema como referência, o cálculo é mostrado abaixo, UT = R18 / (R18 + R19) * Vout = 62K / (1,5M + 62K) = 0,47V LT = R18 / (R18 + R19) * -Vout = 62K / (1,5M + 62K) = 0V

Agora, após o cálculo, podemos ver claramente que definimos sua tensão de limite superior em 0,47 V acima do nível de disparo com a ajuda do feedback positivo.

Nota: Observe que nossos valores práticos serão um pouco diferentes dos valores calculados devido às tolerâncias do resistor.

Projeto do circuito de proteção contra sobretensão da rede elétrica

O PCB do nosso circuito de proteção contra sobretensão de rede é projetado para um único painel lateral. Usei o Eagle para projetar meu PCB, mas você pode usar qualquer software de design de sua escolha. A imagem 2D do design da minha placa é mostrada abaixo.

Um diâmetro de rastreamento suficiente é usado para fazer os rastreamentos de energia fluirem a corrente através da placa de circuito. A entrada da rede elétrica CA e a seção de entrada do Transformer são criadas no lado esquerdo e a saída é criada no lado inferior para melhor usabilidade. O arquivo completo do projeto do Eagle junto com o Gerber pode ser baixado do link abaixo.

GERBER para circuito de proteção contra sobretensão da rede elétrica

Agora que nosso Design está pronto, é a vez de cada um soldar a placa. Após o processo de gravação, perfuração e soldagem, a placa se parece com a imagem mostrada abaixo.

Teste do circuito de proteção contra sobretensão e corrente

Para a demonstração, o seguinte aparelho é usado

Meco 108B + multímetro TRMS
Multímetro Meco 450B + TRMS
Osciloscópio Hantek 6022BE
9-0-9 Transformer
Lâmpada 40W (carga de teste)

Como você pode ver na imagem acima, preparei esta configuração de teste para testar este circuito, soldei dois fios no pino 5 e no pino 6 do Op-amp e o multímetro meco 108B + está mostrando a tensão de entrada e o multímetro meco 450B + está mostrando a tensão de referência.

Neste circuito, o transformador é alimentado pela fonte de alimentação de 230 V e, a partir daí, a energia é alimentada para o circuito retificador como entrada, a saída do transformador também é alimentada para a placa, pois fornece energia e tensão de referência para o circuito.

Como você pode ver na imagem acima, o circuito está ligado e a tensão de entrada no multímetro meco 450B + é menor que a tensão de referência, o que significa que a saída está ligada.

Agora para simular a situação se reduzirmos a tensão de referência, a saída irá desligar, detectando uma condição de sobretensão, também irá acender um LED vermelho na placa, você pode observar isso na imagem abaixo.

Outras melhorias

Para a demonstração, o circuito é construído em um PCB com a ajuda do esquema, este circuito pode ser facilmente modificado para melhorar seu desempenho, por exemplo, os resistores que usei têm tolerâncias de 5%, usar resistores de 1% pode melhorar a precisão do circuito.

Espero que você tenha gostado do artigo e aprendido algo útil. Se você tiver alguma dúvida, pode deixá-la na seção de comentários abaixo ou usar nossos fóruns para postar outras questões técnicas.