SIMPLES PROTEÇÃO PARA FONTE DE ALIMENTAÇÃO

Artigo de JK De Marco (PY2WM), publicado em seu site: http://py2wm.qsl.br/

overvoltage: http://py2wm.qsl.br/power_supply_overvoltage_protection/power_supply_overvoltage_protection.html

rf protection: http://py2wm.qsl.br/RFI/RF_protection.html

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PROTEÇÃO CONTRA SOBREVOLTAGEM

As fontes de alimentação comuns, do tipo com regulação linear, compreendem, além do circuito regulador, um circuito com transformador, retificador e capacitor, calculados de modo a prover uma tensão sempre superior àquela desejada na saída. O circuito regulador então, usualmente um transistor bipolar colocado em série, funcionando como um resistor variável, vai propiciar uma tensão de saída constante, independentemente da carga, dentro dos limites do projeto.

Para uma fonte projetada para uma saída de 12 Volts é comum calcularmos uma tensão retificada na ordem de 16 a 20 ou mais Volts. Mesmo se considerarmos um transformador com saída de 12 Volts RMS, que é o chamado "valor nominal", vamos obter 12x1,4 = 16,8 Volts de tensão retificada, quando estiver sem, ou quase sem carga.

Um problema que pode surgir é quando esse transistor entra em curto, ou então algum componente do circuito ligado a ele falha. Nessa situação, a elevada tensão retificada vai aparecer na saída, o que pode causar danos ao que estiver sendo alimentado pela fonte.

Foi o que me aconteceu. Por sorte, a única perda foi um circuito integrado amplificador de áudio que estava sendo alimentado pela fonte. Um transistor 2N3055 fazia a regulação e entrou em curto, jogando cerca de 21 Volts no pobre integrado que queimou feio! Nem pensar disso acontecer com aquele custoso Yacomkenwood!

Um circuito simples que pode ser adicionado a quase qualquer fonte linear é descrito a seguir. Coloquei ele na minha fonte caseira, 12V 10A e também numa Soundy 12V 30A. Esta última tem "proteção contra sobrevoltagem" feita com um relé. Isto não funciona. O relé mecânico é muito lento, o tempo de acionamento é maior que o tempo necessário para queimar um componente semicondutor. Além do mais, no circuito empregado, ele não protege nada caso um dos 2N3055 entre em curto. Aliás, esta mesma fonte precisou de mudanças pois não fornecia mais de 10 A, mas isso é outra história.

O circuito adicionado consiste em um resistor, um diodo zener e um SCR. A fonte deve ter um fusível adequado e é melhor colocar mais um, na saída retificada. Se por alguma razão a tensão na saída ultrapassar um valor pré-estabelecido, o SCR conduz e faz abrir o fusível. O funcionamento é rápido, protegendo qualquer circuito que esteja sendo alimentado pela fonte.

Abaixo vemos o esquema de uma fonte genérica com os elementos essenciais.

O resistor, de 330 ou 470 Ohms, limita a corrente máxima na porta do SCR. Devemos escolher um Zener para uma tensão semelhante àquela de trabalho. Para uma fonte de 12 a 13,5 Volts um Zener de 12 Volts, 1/2 Watt estará ótimo. A tensão de disparo será maior que essa pois o Zener está em série com a porta do SCR, cuja tensão é em geral em torno de 2 Volts. Temos também uma diminuta queda de tensão no resistor. No meu caso, utilizando Zener de 12 V obtive cerca de 15 Volts como máxima tensão na saída, acima disso o SCR conduz e permanece conduzindo, fazendo o fusível abrir.

O fusível opcional, após o capacitor eletrolítico, aumenta a segurança, colocando dois fusíveis efetivamente em série. Este deverá ser escolhido para uma corrente acima da corrente máxima de saída da fonte. Assim, para uma fonte de 10 A escolheremos um fusível (opcional) de 15 ou 20 A. O fusível original deverá ser mantido mas convém examinar seu valor. Para uma fonte de 12V 10A, alimentada por 127 Volts AC, teremos aproximadamente 1 A no primário do transformador. Assim um fusível de 1,5 ou 2 A será adequado.

O SCR deverá suportar toda a corrente de curto do transformador. Como o fusível deverá abrir instantaneamente, não é necessário disspador de calor. Um SCR em encapsulamento TO220 bastará, coloquei esses "gigantes" porque os tinha à mão.

VERIFICANDO O FUNCIONAMENTO

Pode-se verificar o funcionamento do circuito ligando uma lâmpada de filamento de 40 a 100 Watts, 127 ou 220 V de acordo com a fonte, em série com o primário do transformador. Se a fonte dispõe de ajuste de tensão de saída (usualmente um trim-pot), deve-se atuar no ajuste para elevar a tensão de saída, monitorando-se com um voltímetro. Quando é atingida a tensão de disparo, o SCR conduz, colocando a saída retificada em curto, isso fará a lâmpada acender. Anota-se qual a voltagem que antecedeu o disparo. Se a fonte não dispor de ajuste será então necessário desfazer alguma ligação no circuito de controle.

RESOLVENDO OS PROBLEMAS DE ACIONAMENTO POR RF

O circuito de proteção contra sobrevoltagem apresentado tem uma deficiência, pode acontecer de ser acionado por RF presente no shack.

Este problema pode ser desmembrado em três aspectos:

1 - Existência de campo intenso de RF no shack.

2 - Entrada de RF no compartimento da fonte de alimentação.

3 - Sensibilidade do circuito ao acionamento por RF que adentrou a caixa da fonte.

Vamos explicar esses três pontos.

1 - RF no shack.

O campo eletromagnético gerado por uma antena não é suficiente para causar problemas no shack, se ela estiver digamos há 5 ou mais metros de distância, o que é o usual. Portanto, a existência de RF no shack é resultado de uma deficiência no sistema irradiante. No caso de linha aberta, é inevitável uma parcela de campo eletromagnético na proximidade da linha. Neste caso somente poderemos lidar com o problema atacando nos itens 2 e 3. No caso de uso de cabo coaxial, a existência de campo eletromagnético, resultado de corrente na parte externa da malha, não somente causa problemas como também piora o funcionamento da antena. Não é interessante que o cabo irradie pois a irradiação tão próxima do solo não será aproveitada, não irá longe, e na recepção somente servirá para captação de toda sorte de ruído gerado por aparelhos no QTH. Portanto, mesmo que não causasse problemas aos aparelhos no shack ainda assim deveria ser combatida pois desvia energia que deveria se concentrar na antena.

O assunto de corrente na parte externa do cabo coaxial é longo e aqui vamos resumir o principal.

Há duas razões para corrente na parte externa do cabo. Primeiro, como a extremidade superior do cabo está bastante próximo à antena, surgem nele correntes induzidas pala antena. Para reduzir isso, devemos orientar o cabo para que ele se afaste da antena da maneira mais simétrica que for possível. Para uma dipolo, yagi, cúbica, isso quer dizer perpendicular à antena. Para esse efeito, um Balun NÃO trará solução, contrariamente ao que se pensa. Contudo, um balun de corrente pode modificar o comprimento elétrico do cabo, pela indutância introduzida, e por essa razão sim fazer diferença. A indução, pela antena, de corrente no cabo, pode ser diminuída pela modificação do comprimento elétrico do cabo. Notemos que o efeito de indução no cabo pode acontecer tanto ao próprio cabo da antena quanto a outros cabos, de outras antenas, que estejam na proximidade da antena.

Para se poder medir a existência de corrente na parte externa do cabo coaxial precisamos de uma sonda e medidor de corrente. Existe um medidor pronto, da Palomar, nos EUA. Podemos facilmente construir um. Artigos descrevendo montagens apareceram na revista QST (agosto/2000, outubro/2000, fevereiro/1999).

A segunda razão para existência de corrente no cabo se deve ao fato do cabo estar eletricamente ligado à antena. A energia no cabo viaja pelo interior do mesmo. Na ligação com a antena, a parte externa da malha do cabo coaxial funciona como se fosse um fio independente do que acontece no seu interior. De fato, na simulação de antenas por software (utilizo o EZNEC), esse efeito é simulado colocando-se um fio igual ao cabo coaxial. Tanto para o software quanto no mundo real, supomos que a extremidade do cabo coaxial seja o ponto de onde surge a energia. Esta energia é entregue a uma antena que consiste nela própria e mais um fio, que é a parte externa do cabo! O que acontece dentro e fora do cabo é completamente diferente! A corrente dentro do cabo não se relaciona com a corrente externa.

Para esse efeito o balun de corrente é eficaz. Ele pode ser construído simplesmente por uma bobina feita com o cabo, no ponto de ligação com a antena. Para torná-lo mais eficaz numa faixa extensa de frequência, para servir para diversas bandas, podemos colocar esse enrolamento num núcleo de ferrite. Notemos que a corrente de RF dentro do cabo "nada sabe" sobre essa bobina assim feita, nada se altera internamente. Contudo, a parte externa do cabo vê uma indutância que está em série com o cabo, e portanto "isola" a malha da antena.

2 - Entrada de RF no compartimento da fonte de alimentação.

Uma fonte de alimentação regulada, por possuir circuitos ativos, deve ser blindada contra campos eletromagnéticos. É por essa razão que sempre se utiliza caixas metálicas. Mesmo em aparelhos corriqueiros, é comum encontrarmos uma caixa de plástico porém dentro veremos revestimentos de alumínio, para fins de blindagem.

A presença de superfícies metálicas separando duas áreas é eficaz para isolar campos elétricos, geralmente associados a circuitos de alta impedância (tensão alta). Superfícies metálicas FECHADAS, funcionam como uma espira em curto, e isolam o campo magnético, associado a baixa impedância (corrente alta). Uma caixa metálica, portanto, é eficaz para isolar ambos componentes do campo eletromagnético.

Então a primeira conclusão é que devemos empregar caixas metálicas sem grandes aberturas.

Numa fonte de alimentação, temos dois pontos onde a nossa "barreira" constituída pela caixa poderá ser atravessada, por onde RF poderá penetrar. São a entrada de força de AC e a saída da fonte em DC.

A situação então é a de presença de RF no cabo de alimentação de AC (127 ou 220 V) e no cabo de saída DC. O remédio para ambos é similar. Temos que dificultar a circulação de corrente de RF nesses cabos, e desviar a corrente neles para a caixa. Como a corrente em RF vai para a superfície externa do condutor (não confundir com o cabo coaxial, ali o condutor central mantém o campo internamente), então se desviarmos a corrente nos cabos da fonte para a caixa, os circuitos dentro dela estarão protegidos.

Esses dois objetivos podem ser conseguidos utilizando indutância e capacitância. Podemos colocar indutância em série nos cabos e também capacitores entre os cabos e a caixa. Estes componentes, por serem fáceis de achar, pequenos e baratos, são o caminho mais prático.

Para proteger então uma fonte (ou outro aparelho, por sinal), contra a entrada de RF pelos cabos, colocamos capacitores logo no ponto onde adentram a caixa, entre cada cabo e a caixa.

Podemos também aumentar a proteção, enrolando algumas espiras de cada cabo em núcleos de ferrite. O núcleo de ferrite aumenta a indutância e introduz uma perda, que no caso interessa.

Na entrada de AC devemos escolher os capacitores para que a corrente neles em 60 Hz seja diminuta, senão poderemos sentir choque elétrico quando tocarmos na caixa. Valores como 1000 pF são satisfatórios. A corrente máxima em 220 VAC será I = E/X. A reatância X em 60 Hz é dada por: Xc = 1/ 2 pfC. Logo, X = 2,65 MW, resultando numa corrente máxima de 0,08 mA, totalmente imperceptível. O capacitor deverá ter isolação para 500 V ou mais. Devemos montá-lo com os lides bem curtos, lembrando que a corrente nele e no trecho de cabo dentro da caixa estará irradiando DENTRO da caixa.

Na saída de DC o capacitor poderá ter maior valor, por exemplo 10 nF, e para tensão pouco superior à tensão de saída DC.

Nos dois lugares podemos empregar capacitores cerâmicos de disco.

A caixa metálica da fonte de alimentação poderá somente ter essas ligações dos capacitores, ou então a saída de DC- poderá estar ligada a ela. Desse modo a saída terá somente um capacitor, do lado positivo. Com isso, desde que os equipamentos estejam devidamente aterrados, fica descartada a possibilidade de choques elétricos na eventualidade de curto-circuito num dos capacitores colocados na entrada AC.

Aqui segue um esquema genérico. Muitos componentes essenciais estão omitidos, para maior clareza.

Recebi por e-mail uma proposta de solução para a sensibilidade do SCR para disparo na presença de RF. A solução proposta consiste num capacitor de 1000 pF entre o gatilho do SCR e catodo, e um choque de RF de 2,5 mHy em série com o gatilho. Se trata portanto de um filtro LC passa-baixos. Vamos examinar essa proposta.

O que é um SCR?

SCR, de Silicon Controlled Rectifier, também conhecido por tiristor, é um diodo controlado por um gatilho. É um componente com três lides, dois correspondendo ao diodo e um terceiro, ao gatilho. A passagem de uma corrente pelo gatilho modifica a situação do diodo.

O diodo de um SCR normalmente está no estado em que não conduz corrente. Na proteção da fonte é o estado em que ele normalmente se encontra, e tudo se passa como se ele não estivesse ali.

Para fazer com que o diodo conduza, existem quatro formas:

1 - Fazendo passar uma corrente entre gatilho e catodo. Esta é a forma usual de funcionamento de SCR. Existe um valor mínimo de corrente para esse efeito. Por exemplo, um SCR do tipo 2N6400 precisa tipicamente de 9 mA, ou até 60 mA, com uma tensão típica de 0,7 V mas que pode ser até 2,5 V, para disparar o diodo. Uma vez tendo sido feito o disparo o SCR permanece conduzindo, mesmo que se retire a corrente do gatilho.

As outras três formas são consideradas indesejáveis, são limitações do componente, e nelas reside a origem da suscetibilidade ao acionamento por RF que estamos considerando.

2 - Por elevação de temperatura. Um SCR não é uma chave ideal, uma certa corrente flui mesmo em aberto. A elevação extrema de temperatura eleva também a corrente de fuga, podendo atingir um valor suficiente para o disparo. Não precisamos nos preocupar com isso em nosso circuito.

3 - Tensão de avalanche anodo-catodo. Um SCR tem um valor máximo de tensão anodo-catodo, acima do qual ele entra em estado de avalanche e conduz. O estado de avalanche é utilizado em diodos zener. Este efeito somente poderia apresentar problema em nosso circuito caso ocorresse uma ressonância parasita, na mesma frequência do campo de RF, que permitisse o aparecimento de uma tensão assim elevada. No caso do 2N6400 a tensão máxima anodo-catodo é de 50 V, num 2N6405, 800 V. Este fator é muito pouco provável de se manifestar nesse circuito.

4 - Pelo fator dV/dT. Todo pulso ou tensão alternada pode ser representado por uma variação de tensão no tempo. Uma senóide tem uma frequência no tempo em que a tensão, começando de um valor nulo, se eleva, atingindo um valor máximo, depois decresce, passando por zero, atingindo um valor máximo negativo e retornando a zero, num certo tempo. Definimos Frequência como o número de ciclos completados por segundo. Isso quer dizer que a tensão varia no tempo segundo uma taxa. Essa taxa é o fator dV/dT, que é uma notação do cálculo diferencial em matemática. Em termos simples se traduz pelo tanto de variação de tensão num certo tanto de variação no tempo. Em inglês se conhece por "slew rate". Vamos considerar uma onda quadrada. Nessa, a tensão passa de zero ao valor máximo "instantaneamente", perdura um tempo lá, depois passa "imediatamente" ao valor máximo negativo, assim por diante. Mas a passagem entre zero e máximo não é "imediata" pois leva um certo tempo, finito. Pensemos num pulso. A tensão é zero num instante e passa a x Volts num outro. Um exemplo é quando ligamos uma chave. Mas sempre há um tempo de crescimento da tensão, o slew rate do circuito.

No SCR sabemos que é necessário atingir uma certa corrente no gatilho para que ele possa conduzir, e podemos calcular a corrente pela lei de Ohm. Mas as junções PN do SCR contem capacidade, funcionam como capacitores. O capacitor é um circuito aberto para DC mas não para AC. Um pulso aplicado a um capacitor implica numa corrente, que dependerá do valor da capacidade e da taxa de crescimento slew rate, dada por: I = C dV/dT. Para dar um exemplo, vamos considerar um pulso de valor 10 Volts, sendo a subida de zero a 10 Volts feita em 3 nS (nanosegundos). Se esse pulso for aplicado a um capacitor pequeno, de 50 pF, teremos uma corrente de 166 mA! Evidentemente essa corrente também será um pulso de curta duração.

Num SCR temos capacidades da ordem de até dezenas de pF. Assim, um pulso rápido poderá fazer com que ele entre em condução. A entrada em condução pode se dar por um pulso no gatilho ou entre anodo e catodo.

Aqui está o lugar onde podemos ter problemas de acionamento por RF. Basta um pulso de RF atingir o gatilho ou anodo do SCR para que possa acontecer o disparo.

Então temos que protegê-lo contra isso.

PROTEGENDO O SCR

A melhor forma de proteger o SCR contra pulsos de tensão é oferecer um caminho alternativo para o pulso. A forma usual é a colocação de capacitores em paralelo com os capacitores das junções PN do SCR. Bastará então colocar capacitores maiores para que o pulso se escoe por eles e não pelo SCR.

Entretanto, há um perigo. Afinal queremos que na eventualidade de uma falha em nossa fonte, o SCR rapidamente atue, de modo que os aparelhos alimentados pela fonte não recebam a súbita tensão elevada. Estamos então interessados num funcionamento em velocidade.

A colocação de capacitores introduz um retardamento nas variações de tensão, porque estabelece redes RC. Basta pensar que os capacitores determinam tempos de carga. Assim, um capacitor ligado ao gatilho vai tornar a resposta do SCR mais lenta pois antes da tensão atingir o valor de disparo haverá um tempo em que o capacitor estará se carregando.

Então agora a questão é saber quão rápido nosso circuito precisa ser e qual valor de capacitor podemos colocar em nosso circuito.

Um SCR como o 2N6400 tem tempo de resposta típico de 1 uS (microsegundo). Queremos então capacitores que colocados entre gatilho e catodo, e entre anodo e catodo, sejam da ordem de centenas de pF, pelo menos, e que não diminuam a velocidade de resposta do SCR.

É importante lembrar que um semicondutor pode se estragar por dois motivos. Dissipação excessiva duradoura, que leva ao aquecimento exagerado e queima. Ou ultrapassar a tensão máxima suportada por uma junção PN, especificada pelo fabricante. Esta ultrapassagem determina a falha "instantânea" do semicondutor. É por essa razão que também é recomendável a colocação de varistores nas entradas de fontes para proteção contra surtos da rede de energia, e filtros em antenas e em linha telefônica. Basta um pulso rápido para destruir uma junção PN.

Um circuito de proteção, como o que estamos tratando, parecerá funcionar muito bem mesmo com capacitores grandes colocados em paralelo ao SCR. Entretanto a lentidão de resposta poderá torná-lo inútil. É por isso também que circuitos assim que empregam relés mecânicos simplesmente são inúteis. Funcionam só em demonstração mas não impedem uma elevação de tensão com a velocidade necessária para impedir que chegue aos aparelhos alimentados pela fonte.

A melhor forma de encontrar valores para os capacitores é com um programa de simulação. Somente o capacitor ligado ao gatilho nos importa. Aquele ligado ao anodo não impedirá uma resposta rápida, pois já terá sido feita! Como a resistência do SCR em condução é baixa, podemos colocar no anodo um capacitor maior sem preocupação.

O gráfico apresenta um pulso com tempo de subida de 0,5 uS. Portanto ele é duas vezes mais rápido que o próprio SCR. Queremos que a resposta em pulso não seja maior que 1 uS.

Vamos simular um circuito substituindo o zener por um resistor de 1,2 KW (valor aproximado que corresponde ao funcionamento onde teremos sobre o zener 12V e 10 mA). A junção gatilho-catodo do SCR será substituída por um resistor de 100W.

O eixo vertical não é significativo, estamos somente interessados no domínio do tempo.

Resta saber se a simulação vai se confirmar na bancada.

Para isso, montamos os circuitos simulados, submetemos o SCR a um pulso de um gerador de funções e obtemos no osciloscópio o resultado.

Podemos notar que na parte alta do pulso há um "calombo". Se trata de um pouco de "overshot" do gerador de construção caseira utilizado. Embora não dê para notar na foto, se trata de pulsos retangulares, na frequência de 20 KHz. Estamos somente interessados na "subida" de um pulso. O osciloscópio aqui, um Tektronix 453 de 50 Mhz, está no modo "delayed sweep", que é uma espécie de "zoom" que faz destacar um trecho estreito do sinal examinado.

Notamos que os resultados obtidos na bancada concordam perfeitamente com o que havia sido previsto pela simulação em computador.

Temos então o circuito final, lembrando que os lides dos capacitores devem ser curtos e soldados diretamente aos lides do SCR: