Circuito de Proteção contra Sobretensão com Diodo Zener: Projeto Confiável

Como Fazer um Circuito de Proteção contra Sobretensão usando Diodo Zener?

Circuitos e componentes elétricos modernos dão grande prioridade à segurança. Fontes de alimentação atuais são muito confiáveis, mas sempre existe chance de falha. Uma fonte pode falhar de várias formas, mas uma possibilidade particularmente preocupante é que o elemento regulador em série (transistor ou FET) falhe em curto-circuito. Este curto faz uma tensão muito grande aparecer no circuito alimentado, causando danos terríveis a todo o equipamento. Os danos aos componentes e ao circuito como um todo podem ser minimizados ou eliminados com um circuito de proteção na forma de proteção contra sobretensão.

Proteção contra curto-circuito, polaridade reversa e sobre/subtensão são alguns circuitos de proteção usados para proteger aparelhos ou circuitos eletrônicos de imprevistos. Geralmente, fusível ou disjuntor é usado para proteção contra sobretensão, porém neste projeto nosso objetivo é criar um circuito que funcione melhor que fusível ou disjuntor, superando as limitações destes dispositivos primários de segurança.

Proteção contra sobretensão é uma característica de um sistema de fonte de alimentação que lida com a tensão na carga quando a tensão de entrada excede um valor predefinido. Em situações onde a tensão de entrada é maior que o esperado, sempre usamos um circuito de proteção contra sobretensão ou crowbar. O circuito crowbar é um dos mais usados para proteção contra sobretensão.

Uma fonte pode falhar de várias maneiras; similarly, existem várias formas de proteger um circuito contra sobretensão. A mais simples é conectar um fusível na entrada. Mas a desvantagem é que é proteção de uso único: quando a tensão excede o valor predefinido, o filamento do fusível queima, abrindo o circuito. A única forma de restaurar o funcionamento é substituir o fusível e refazer toda a circuitaria pertinente.

Instâncias de falha de fonte normalmente são vistas quando a fonte para de funcionar e não há saída. No entanto, existem casos raros onde ocorre curto-circuito e tensões muito altas aparecem na saída. Para um regulador linear, podemos tomar o exemplo de um regulador simples baseado em diodo Zener. Podemos fazer circuitos mais sofisticados para melhores resultados, que usam a mesma ideia de passar corrente pelo transistor.

Materiais Necessários

• Diodo Zener 1N4740A
• Transistor PNP FMMT718
• Resistores – 1k, 2.2k e 6k
• Transistor NPN 2N2222

Diodo Zener

O diodo Zener é um tipo de diodo que permite corrente em ambas as direções, diferentemente de um diodo normal que só permite fluxo do ânodo para o cátodo. Este fluxo reverso ocorre apenas quando a tensão nos terminais excede a tensão de limiar chamada tensão Zener. Esta tensão é uma característica do dispositivo que governa o efeito Zener, que por sua vez governa o funcionamento do diodo.

Diodos Zener têm junção p-n altamente dopada, permitindo funcionamento adequado mesmo com tensão reversa aplicada. Muitos diodos Zener dependem de ruptura por avalanche. Ambos os tipos de ruptura ocorrem no dispositivo; a diferença é que o efeito Zener predomina em tensões mais baixas, enquanto a ruptura por avalanche ocorre em tensões mais altas. São usados para gerar fontes de alimentação estabilizadas de baixa potência, proteger circuitos contra sobretensão e descarga eletrostática.

Transistor NPN 2N2222

O 2N2222 é um transistor bipolar NPN muito comum, usado principalmente para amplificação ou chaveamento de baixa potência de propósito geral. É projetado para operar moderadamente em alta velocidade. É um transistor muito comum e usado como exemplo de transistor NPN.

Devido ao baixo custo e tamanho pequeno, é o transistor mais comumente usado. Uma característica chave é sua capacidade de lidar com altas correntes comparado a outros transistores pequenos similares. É feito de silício ou germânio e dopado com material carregado positiva ou negativamente. Em aplicações de amplificação, recebe sinal analógico via coletor e outro sinal na base. O sinal analógico pode ser sinal de voz com frequência de quase 4kHz (voz humana).

Pinagem do 2N2222:

Pino	Função
1	Emissor
2	Base
3	Coletor, conectado ao corpo

Transistor PNP FMMT718

O FMMT718 é um transistor PNP, logo coletor e emissor estarão fechados (polarização direta) quando a base estiver em terra e abertos (polarização reversa) quando um sinal for aplicado à base. É aqui que o transistor PNP difere do NPN; uma porta lógica é usada para alternar entre sinais de tensão de terra.

Pinagem do FMMT718:

Pino	Nome	Descrição
1	Coletor	Corrente entra pelo coletor
2	Base	Controla a polarização do transistor
3	Emissor	Corrente sai 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 da carga, mas também regula a tensão de alimentação de entrada para manter uma tensão estável.

A tensão de limiar acima da qual o circuito desconecta a alimentação da carga é chamada de valor de tensão predefinido do circuito. O projeto é tal que o valor predefinido é a classificação do diodo Zener. Portanto, o valor de limiar acima do qual o circuito não conduz é aproximadamente 5.1V.

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

Diagrama do Circuito de Proteção contra Sobretensão usando Diodo Zener

O diagrama do circuito para proteção contra sobretensão é mostrado abaixo.

Primeiro, consideramos o funcionamento quando a fonte está operando corretamente. Em estado normal, o terminal de base do transistor Q2 está alto, fazendo com que ele desligue. Com Q2 desligado, o terminal de base do transistor Q1 fica baixo e ele começa a conduzir. Assim, a carga fica conectada à alimentação quando a tensão está abaixo do limiar definido.

Agora, quando a tensão de alimentação excede o valor de limiar, ocorre a ruptura Zener e o diodo Zener D2 começa a conduzir. Isso leva o terminal de base de Q2, que estava alto, para terra. Com a base de Q2 aterrada, ele começa a conduzir. A base do transistor Q1, conectada à saída de Q2, agora fica alta e para de conduzir. Isso isola a carga da alimentação, protegendo-a de danos potenciais causados pelo pico de tensão.

O funcionamento dos circuitos acima também depende da queda de tensão de cada transistor. Idealmente, deveria ser baixa para o circuito corresponder ao seu equivalente teórico. Para manter a queda de tensão do transistor mínima, usamos o transistor PNP FMMT718 que tem valor muito baixo de saturação coletor-emissor. Este baixo Vce permite que a queda de tensão nos transistores seja baixa.