Circuito Crowbar

A confiabilidade de qualquer dispositivo eletrônico depende de quão bem os circuitos de proteção de hardware foram projetados. O usuário final (consumidor) está sujeito a cometer erros e é responsabilidade de um bom projetista de hardware proteger seu hardware de qualquer contratempo. Existem vários tipos de circuitos de proteção, cada um com suas próprias aplicações específicas. Os tipos mais comuns de circuitos de proteção são circuito de proteção contra sobretensão, circuito de proteção de polaridade reversa, proteção contra surto de corrente e circuitos de proteção contra ruído. Neste tutorial iremos discutir sobre o Circuito Crowbar que é um tipo de circuito de proteção contra sobretensão e é comumente usado em dispositivos eletrônicos. Também vamos criar esse circuito na prática e verificar como ele funciona na vida real.

Materiais requisitados

• Fusível
• Diodo Zener
• Tiristor
• Capacitores
• Resistores
• Diodo Schottky

Diagrama de Circuito Crowbar

O diagrama de circuito de um circuito de crowbar é muito simples e fácil de construir e implementar, tornando-o uma solução econômica e rápida. O diagrama completo do circuito do pé-de-cabra é mostrado abaixo.

Aqui, a tensão de entrada (ponta de prova azul) é a tensão que deve ser monitorada e o circuito é projetado para cortar a alimentação quando a tensão de alimentação exceder 9,1 V. Discutiremos a função de cada componente na seção de trabalho abaixo.

Funcionamento do Circuito Crowbar

Um circuito Crowbar monitora a tensão de entrada e quando excede o limite, ele cria um curto-circuito nas linhas de energia e explode o fusível. Assim que o fusível estiver queimado, a fonte de alimentação será desconectada da carga, evitando assim a alta tensão. O circuito funciona criando um curto-circuito direto através das linhas de força, como se um pé de cabra caísse entre as linhas de força do circuito. Conseqüentemente, ele recebe seu icônico nome de circuito de pé de cabra.

A tensão sobre a qual o circuito deve criar um curto depende da tensão Zener. O circuito consiste em um SCR que é conectado diretamente através da tensão de entrada e aterramento do circuito, mas este SCR é mantido por padrão no estado desligado aterrando o pino da porta do SCR. Quando a tensão de entrada excede a tensão Zener, o diodo Zener começa a conduzir e, portanto, uma tensão é fornecida ao pino do Gate do SCR fazendo-o fechar a conexão entre a tensão de entrada e o aterramento, criando assim um curto-circuito. Este curto-circuito extrairá uma corrente máxima da fonte de alimentação e explodirá o fusível, isolando a fonte de alimentação da carga. O funcionamento completo também pode ser facilmente compreendido olhando a imagem GIF acima. Você também pode encontrar um vídeo de demonstração no final deste tutorial.

A imagem acima representa como o circuito crowbar responde exatamente quando a condição de sobretensão ocorre. Como você pode ver, o diodo Zener aqui é classificado para 9,1 V, mas a tensão de entrada excedeu o valor e está atualmente em 9,75 V. Assim, o diodo Zener abre e começa a conduzir fornecendo uma voltagem ao pino do Gate do SCR. O SCR então começa a conduzir causando um curto na tensão de entrada e no aterramento e, portanto, explode o fusível devido ao consumo máximo de corrente, conforme mostrado no GIF acima. A função de cada componente neste circuito é explicada a seguir.

Fusível: O fusível é o componente vital neste circuito. A classificação do fusível deve ser sempre menor que a classificação de corrente máxima do SCR e maior que a corrente consumida pela carga. Devemos também nos certificar de que a fonte de alimentação pode fornecer corrente suficiente para quebrar o fusível em caso de falhas.

Capacitor 0.1uF: Este é um capacitor de filtragem; ele remove os picos e outros ruídos, como harmônicos, da tensão de alimentação para evitar que o circuito dê um falso disparo.

Diodo Zener 9.1V: Este diodo decide o valor de sobretensão, uma vez que aqui usamos um diodo Zener 9.1V o circuito irá responder a qualquer tensão que esteja acima de seu valor limite de 9.1V. O Designer pode escolher o valor deste resistor de acordo com suas necessidades.

Resistor 1K: Este é apenas um resistor pull down que mantém o pino Gate do SCR para o aterramento e, portanto, mantendo-o desligado até que o Zener comece a conduzir.

Capacitor 47nF: Todos os interruptores de energia, como o SCR, requerem um circuito de amortecimento para suprimir os picos de tensão durante a comutação e evitar que o SCR tenha um disparo falso. Aqui, acabamos de usar um capacitor para fazer o trabalho. O valor do capacitor deve ser apenas o suficiente para filtrar o ruído, porque o valor alto da capacitância aumentará o atraso no qual o SCR começa a conduzir após a aplicação do pulso do Gate.

Tiristor (SCR): O tiristor é responsável por criar um curto-circuito nos barramentos de alimentação. Deve-se tomar cuidado para que o SCR possa lidar com um valor tão alto de corrente através dele para queimar o fusível e se danificar. A tensão do Gate do SCR deve ser menor que a tensão de ruptura do Zener. Saiba mais sobre o Thyristor aqui.

Diodo Schottky: Este diodo não é obrigatório e é usado apenas para fins de proteção. Ele garante que não recebamos nenhuma corrente reversa do lado da carga que poderia danificar o circuito de proteção. Um diodo Schottky é usado em vez de um diodo regular porque tem menos queda de tensão nele.

Hardware

Agora que entendemos a teoria por trás do circuito Crowbar, é hora de entrar na parte divertida. Isso é construir o circuito no topo de uma placa de pão e verificar como está funcionando em tempo real. O circuito que estou construindo é para uma lâmpada de 12V. Esta lâmpada consome cerca de 650mA sob tensão operacional normal de 12V. Iremos projetar o circuito de pé-de-cabra para verificar se a tensão excede os 12 V e se isso acontecer, iremos curto-circuitar o SCR e, assim, explodir o fusível. Então aqui eu usei um diodo 12V Zener e tiristor TYN612. O fusível é montado dentro de um porta-fusível, aqui usamos o fusível de cartucho de 500mA. A configuração completa é mostrada na imagem abaixo

Usei um RPS para controlar a tensão de entrada, inicialmente o setup é testado com 12V e funciona bem ligando a lâmpada. Posteriormente, a tensão é elevada usando o botão RPS, criando assim um curto-circuito através do SCR e queimando o fusível que também desliga a lâmpada e a isola da alimentação. O funcionamento completo também pode ser conferido no vídeo no final desta página.

Limitações do circuito Crowbar

Embora o circuito seja amplamente utilizado, ele vem com suas próprias limitações, que estão listadas abaixo

• O valor de sobretensão do circuito depende puramente do valor de tensão Zener e apenas alguns valores de diodo Zener estão disponíveis.
• O circuito também está sujeito a problemas de ruído; esse ruído pode muitas vezes criar um gatilho falso e explodir o fusível.
• Em caso de sobretensão, o circuito queima o fusível e, posteriormente, requer ajuda manual para fazer a carga funcionar novamente quando a tensão voltar ao normal.
• O fusível é um fusível mecânico que deve ser substituído e, portanto, consome esforço, tempo e dinheiro.