Circuito simples de proteção contra sobretensão usando diodo Zener

Como fazer um circuito de proteção contra sobretensão usando o diodo Zener?

Os circuitos e componentes elétricos que são usados ​​hoje em dia dão muita preferência e tempo para torná-lo o mais seguro possível. Atualmente, as fontes de alimentação modernas são muito confiáveis, mas sempre há uma chance de falha. Uma fonte de alimentação pode falhar de várias maneiras, mas uma possibilidade particularmente preocupante é que o elemento regulador em série, ou seja, transistor ou FET, possa falhar de tal forma que se torne um curto-circuito. Este curto-circuito de elementos faz aparecer uma tensão muito grande no circuito que está sendo alimentado, causando danos terríveis a todo o equipamento. Os danos ao componente e ao circuito como um todo podem ser minimizados ou completamente eliminados fornecendo um circuito de proteção na forma de proteção contra sobretensão .

Proteção contra curto-circuito, proteção contra inversão de polaridade e proteção contra sobre/subtensão são alguns dos circuitos de proteção usados ​​para proteger qualquer aparelho ou circuito eletrônico de quaisquer contratempos repentinos. Geralmente, o fusível ou MCB é usado para proteção contra sobretensão, porém neste projeto, nosso objetivo é fazer um circuito que possa funcionar melhor que um fusível ou MCB e superar as limitações dos dispositivos de segurança mais primários mencionados acima.

A proteção contra sobretensão é uma característica de um sistema de alimentação, que de alguma forma lida com a tensão no lado da carga quando a tensão de entrada excede o valor pré-definido. Em algumas situações em que a tensão de entrada é maior do que o esperado, sempre utilizamos uma proteção contra sobretensão ou circuito de proteção tipo pé-de-cabra. O circuito de proteção de pé de cabra é um dos circuitos de proteção de sobretensão mais utilizados.

Uma fonte de alimentação pode falhar de várias maneiras; da mesma forma, pode haver muitas maneiras de proteger um circuito de sobretensão. A maneira mais simples é conectar um fusível no lado da alimentação de entrada. Mas, a desvantagem de usar um fusível é que ele é uma proteção única, pois conforme a tensão ultrapassa o valor pré-estabelecido, o fio do fusível queima, fazendo com que o circuito se abra. Então, a única maneira de fazer o circuito começar a funcionar novamente é substituir o fusível por um novo e refazer todo o circuito pertencente ao fusível.

Os casos de falha na fonte de alimentação são normalmente vistos como quando a fonte de alimentação para de funcionar e não há saída. No entanto, existem alguns casos raros de falha, onde há um curto-circuito e tensões muito altas podem aparecer na saída. Para um regulador linear, podemos tomar o exemplo de um regulador baseado em diodo Zener muito simples. Podemos fazer um circuito mais sofisticado para obter melhores resultados, esses circuitos usam a mesma ideia de passar corrente pelo transistor.

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A principal diferença é a forma como a tensão do regulador é aplicada à base do transistor. Tipicamente, a tensão no lado de entrada é tal que vários volts caem no elemento regulador em série. Portanto, isso permite que o transistor de passagem em série regule a tensão de saída adequadamente. Normalmente, um transistor como esse cairia em uma condição de circuito aberto, mas em algumas circunstâncias, o transistor pode desenvolver um curto-circuito entre o coletor e o emissor. Se isso ocorrer, a tensão de entrada não regulada completa aparecerá na saída.

Se a tensão total aparecer na saída, isso poderá danificar muitos dos CIs que estão no circuito e estão sendo alimentados. Nesse caso, o circuito pode estar muito além do reparo econômico. A maneira como os reguladores de comutação funcionam é muito diferente, mas existem situações em que a saída total pode aparecer na saída da fonte de alimentação.

Podemos fazer um circuito de proteção contra sobretensão usando um diodo Zener e transistor bipolar em dois métodos.

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Circuito Regulador de Tensão Zener :

este circuito usa um diodo Zener para fornecer uma saída regulada para o lado da carga, protegendo o circuito. Mas as conexões são tais que o fluxo de energia para o lado da carga não é cortado mesmo quando a tensão excede os limites de segurança. A saída sempre receberá uma tensão que depende da classificação do diodo Zener.

Circuito de proteção contra sobretensão usando diodo Zener:

este método é mais direto, em que o circuito é projetado para cortar a energia para o lado da carga quando a tensão excede os valores definidos.

Materiais necessários

• 1N4740A diodo Zener
• Transistor FMMT718 PNP
• Resistores – 1k, 2,2k e 6k
• Transistor NPN 2N2222

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Díodo Zener

O diodo Zener é um tipo de diodo que permite que a corrente flua através dele em ambas as direções, ao contrário de um diodo normal que permite o fluxo de corrente apenas em uma direção, que é do ânodo para o cátodo. Esse fluxo de corrente na direção oposta acontece apenas quando a tensão nos terminais excede a tensão limite chamada tensão Zener. Esta tensão Zener é uma característica do dispositivo, que rege o efeito Zener que por sua vez rege o funcionamento do diodo.

Um diagrama esquemático de um diodo Zener geralmente usado em circuitos é dado abaixo.

Os diodos Zener possuem junção p-n altamente dopada, o que permite que o dispositivo funcione corretamente mesmo quando há tensão reversa aplicada através dele. No entanto, muitos diodos Zener dependem da avalanche. Ambos os tipos de ruptura ocorrem no dispositivo, sendo a única diferença, o efeito Zener é predominante em tensões mais baixas, enquanto a avalanche ocorre em tensões mais altas. Eles são usados ​​para gerar fontes de alimentação estabilizadas de baixa potência. Eles também são usados ​​para proteger circuitos de sobretensão e descarga eletrostática.

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2N2222 Transistor NPN

2N2222 é um transistor NPN bipolar muito comum, usado principalmente para aplicações gerais de amplificação ou comutação de baixa potência. O 2N222 foi projetado para operar moderadamente em alta velocidade. É um transistor muito comum e é usado como um exemplo de um transistor NPN.

O diagrama esquemático do transistor é dado abaixo.

A pinagem do transistor 2N2222 NPN é fornecida abaixo.

2N2222
1	Emissor
2	Base
3	Coletor, conectado ao caso

Devido ao baixo custo e tamanho pequeno, é o transistor mais utilizado. Uma de suas principais características é a capacidade de lidar com os altos valores de correntes em comparação com outros transistores pequenos semelhantes. É composto de material de silício ou germânio e dopado com material carregado positivamente ou negativamente. Ao realizar aplicações de amplificação, recebe um sinal analógico via coletores e outro sinal é aplicado em sua base. O sinal analógico pode ser o sinal de voz com a frequência analógica de quase 4kHz (voz humana).

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Transistor FMMT718 PNP

FMMT718 é um transistor PNP, portanto, o coletor e o emissor serão fechados (polarização direta) quando o pino base for mantido no terra e será aberto (polarização reversa) quando um sinal for fornecido ao pino base. É aqui que o transistor PNP difere de um transistor NPN; uma porta lógica é usada para alternar entre as tensões do sinal de terra.

Um diagrama esquemático do transistor PNP é dado abaixo.

A pinagem de um FMMT718 é fornecida em forma de tabela abaixo.

FMMT718
1	Colecionador	A corrente flui pelo coletor
2	Base	Controla a polarização do transistor
3	Emissor	A corrente é drenada pelo emissor

  Circuito Regulador de Tensão Zener

Esta é uma das duas configurações de circuitos de proteção contra sobretensão usando diodo Zener. Este circuito não apenas protege o circuito do lado da carga, mas também regula a tensão de alimentação de entrada para manter uma tensão constante. O diagrama de circuito para proteção de sobretensão usando o circuito regulador de tensão Zener é fornecido abaixo.

A tensão limite acima da qual o circuito desconecta a alimentação do lado da carga é chamada de valor de tensão predefinido do circuito. O projeto do circuito é tal que o valor pré-definido do circuito é a classificação do diodo Zener. Portanto, o valor limite acima do qual o circuito não conduz é de aproximadamente 5,1 V.

A condução do transistor Q1 depende da tensão do emissor de base do transistor. Quando a tensão de saída do circuito começa a aumentar, isso aumenta o Vbe do transistor e ele conduz menos. Isso, por sua vez, reduz a tensão de saída, mantendo a tensão de saída quase constante.

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Diagrama de circuito de proteção contra sobretensão usando diodo Zener

O diagrama de circuito para o circuito de proteção de sobretensão é fornecido abaixo.

Primeiro, consideramos o funcionamento do circuito quando a fonte de alimentação está funcionando corretamente. Em estado de funcionamento adequado, o terminal de base do transistor Q2 é alto, o que faz com que o transistor desligue. Quando Q2 é desligado, o terminal base do transistor Q1 está baixo e começa a conduzir. Desta forma, a carga é conectada à alimentação quando a tensão de alimentação está abaixo da tensão limite definida.

Agora, quando a tensão de alimentação é maior que o valor limite, ocorre a ruptura do Zener e o diodo Zener D2 começa a conduzir. Isso faz com que o terminal de base do Q2, que antes era alto para o solo. Agora que o terminal base do Q2 está conectado ao terra, ele começa a conduzir. A base do transistor Q1 que está conectada à saída do Q2 está agora alta e para de conduzir. Isso isola a carga da alimentação evitando qualquer dano potencial que poderia ter causado devido ao surto de tensão.

O funcionamento dos circuitos dados acima também depende da queda de tensão de cada transistor. Idealmente, deve ser baixo para um circuito corresponder à sua contraparte teórica. Para manter a queda de tensão do transistor no mínimo, usamos o transistor FMMT718 PNP, que possui um valor de saturação do emissor do coletor muito baixo. Este baixo valor de Vce permite a queda na tensão através dos transistores baixos.