ES2262767T3 - Dispositivo de proteccion de una fuente de tension y de una carga alimentada por la fuente de tension. - Google Patents
Dispositivo de proteccion de una fuente de tension y de una carga alimentada por la fuente de tension.Info
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Abstract
Dispositivo de protección (1) de una fuente de tensión (2) y de una carga (3) alimentada por la fuente de tensión, que comprende un elemento de conmutación (14) interpuesto entre la fuente de tensión y la carga y asociado a un circuito de limitación de corriente (12) que comporta un órgano de medida (R1) de la corriente entregada por la fuente y un órgano de mando (A1) para gobernar el elemento de conmutación para impedir que la corriente supere un umbral de corriente predeterminado, caracterizado porque comprende además un circuito de limitación de tensión (15) concebido para gobernar el elemento de conmutación (14) para impedir que la tensión entregada a la carga (3) supere un umbral de tensión predeterminado.
Description
Dispositivo de protección de una fuente de
tensión y de una carga alimentada por la fuente de tensión.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de protección de una fuente de tensión y de una carga
alimentada por esa fuente.
Se aplica principalmente, pero no
exclusivamente, a los sistemas de distribución de electricidad en
los cuales es difícil y a veces imposible controlar las
características de impedancia de bus (barra colectora). Se aplica
más generalmente a todos los sistemas que utilizan corriente
continua, tales como el automóvil (42 V), las
telecomunicaciones
(48 V) los ingenios espaciales y en particular la estación espacial internacional ISS.
(48 V) los ingenios espaciales y en particular la estación espacial internacional ISS.
Ya se han propuesto circuitos de protección,
pero en general estos circuitos presentan una función específica.
Así, existen circuitos limitadores de corriente o de protección
contra las sobreintensidades, circuitos limitadores de potencia,
circuitos de supresión de picos de corriente y circuitos de
protección contra las sobretensiones.
Los circuitos de protección contra las
sobreintensidades están constituidos generalmente por un elemento
de conmutación como un MOS FET (transistor de efecto de campo de
metal-óxido-semi-conductor) asociado
a un dispositivo de medida de corriente. Cuando la intensidad de la
corriente alcanza un cierto valor de umbral, el elemento de
conmutación se gobierna de manera que mantenga la intensidad de la
corriente en ese valor de umbral o en un valor inferior, lo cual
tiene por efecto inducir una diferencia de potencial en los bornes
del elemento de conmutación y por ello reducir la tensión aplicada
a la carga y por consiguiente la corriente. A este fin, el elemento
de conmutación debe colocarse en un modo de funcionamiento
sensiblemente lineal (por oposición al modo saturado en el cual se
halla cuando se utiliza como elemento de conmutación puro).
Resulta de ello que debe disipar una potencia que es proporcional
al producto de la intensidad por la tensión que le son aplicadas.
Ahora bien, la capacidad del elemento de conmutación para disipar
potencia es limitada, y el elemento de conmutación debe ponerse
rápidamente fuera de tensión para que no se deteriore.
Así, la capacidad para limitar la intensidad de
los limitadores de corriente va siempre asociada a una capacidad en
tiempo de funcionamiento en modo lineal que es de corta duración,
del orden de algunos milisegundos.
En un sistema de distribución complejo, las
cargas pueden ser de cualquier clase y el conmutador de mando de la
carga puede estar a la vez alejado de la fuente y de la carga (éste
es el caso de la estación espacial internacional). Si el conmutador
se utiliza a modo de relé en estado abierto o cerrado, un tal
mando no plantea problemas de estabilidad. Por el contrario, si el
conmutador se utiliza en modo lineal para controlar la corriente
máxima (como es el caso de un limitador de corriente) pueden
aparecer importantes problemas de estabilidad. Generalmente, tales
problemas de estabilidad se resuelven limitando la anchura de banda
del bucle de corriente, lo cual aumenta el tiempo de respuesta, o
bien insertando una impedancia conocida y controlada antes y
después del limitador de corriente, lo cual exige condensadores y
circuitos de amortiguación, que aumentan las dimensiones de aquel
dispositivo.
Finalmente, un tal circuito de protección contra
las sobreintensidades necesita ser protegido contra las
sobretensiones que pueden deteriorarlo como consecuencia de un
disparo del circuito hacia el estado de abierto para proteger la
carga (protección del circuito en estado abierto).
Los documentos US 4.972.136 y US 4.536.699
describen unos reguladores de tensión que comportan un transistor
de efecto de campo (FET) que funciona en modo lineal.
Los circuitos de protección contra las
sobretensiones más eficaces (destinados a cargas que no toleran
ninguna sobretensión) son aquellos que actúan poniendo la fuente de
tensión en cortocircuito con ayuda de un tiristor y así transforman
la sobretensión en una sobreintensidad. Tales circuitos requieren,
pues, un circuito de protección contra las sobreintensidades que
presenta los inconvenientes antes citados. Además, una tal
protección se adapta bien a las sobretensiones que resultan de
averías. Por el contrario, en los sistemas de distribución
complejos, tales sobretensiones pueden aparecer en una situación
normal y por ello no deben accionar el circuito de protección.
Los circuitos de supresión de picos de tensión
comprenden generalmente un circuito de amortiguación RC o unos
diodos Zener, o aún unos diodos llamados "transorb" que tienen
la capacidad de absorber una cantidad de energía en alud y así de
limitar la tensión con cierta precisión, del orden de +/-l0% de su
tensión Zener.
Tales circuitos deben en cualquier caso absorber
la energía del pico y rebajar la tensión a un nivel de seguridad
pero deben igualmente ser compatibles con las sobretensiones y los
fenómenos transitorios susceptibles de aparecer en el sistema que
se debe proteger. Se observa que en los sistemas complejos de
distribución de electricidad resulta casi imposible asegurar esas
dos funciones de manera fiable con los medios convencionales.
Los circuitos de limitación de potencia se
conciben para medir la tensión y la intensidad de la corriente
aplicada a la carga y gobiernan un elemento de conmutación de
alimentación (como para los limitadores de corriente) de manera que
mantengan constante el producto tensión por intensidad. Se observa
que una tal regulación en función del producto tensión por
intensidad es complicado de realizar.
Se han propuesto igualmente circuitos de
amortiguación del factor de calidad (factor Q). Cuando la
impedancia del circuito que reagrupa el bus de alimentación y la
carga presenta un factor Q elevado, se pueden observar unas
oscilaciones que se producen a raíz de sobretensiones transitorias a
nivel de la fuente o de sobreintensidades transitorias a nivel de
la carga. Para suprimir dichas oscilaciones, se conoce utilizar una
capacidad de amortiguación elevada que necesariamente es de tamaño
y masa importantes. Dicha capacidad no se adapta, pues, a los
ingenios espaciales.
De manera general, los circuitos según el estado
de la técnica anterior pueden no soportar ciertas sobretensiones
inferiores a las que los conducen a la ruptura. Además, su
funcionamiento depende de las características de la fuente y de la
impedancia de la carga.
La presente invención tiene por objeto suprimir
estos inconvenientes y, en particular, proponer un dispositivo de
protección que se adapte a cualquier tipo de carga, a la vez que
presente un reducido tamaño y pérdidas limitadas, tanto del lado de
la carga como del lado de la fuente de alimentación. Este objetivo
se alcanza con la previsión de un dispositivo de protección de una
fuente de tensión y de una carga alimentada por la fuente de
tensión, que comprende un elemento de conmutación interpuesto
entre la fuente de tensión y la carga y asociado a un circuito de
limitación de corriente que comporta un órgano de medida de la
corriente suministrada por la fuente y un órgano de mando para
gobernar el elemento de conmutación para que impida que la
corriente sobrepase un umbral de intensidad predefinido.
Según la invención, ese dispositivo comprende
además un circuito de limitación de tensión concebido para gobernar
el elemento de conmutación para que impida que la tensión aplicada
a la carga sobrepase un umbral de tensión predefinido.
El dispositivo de protección según la invención
puede insertarse en cualquier lugar situado entre la fuente y la
carga, y actúa de manera transparente sin afectar las
funcionalidades de la carga en régimen nominal.
Ventajosamente, el circuito de limitación de
tensión comprende medios para la detección de las variaciones de
tensión a la salida del dispositivo, las cuales son revertidas al
órgano de mando del circuito de limitación de corriente, de manera
que asegure igualmente funciones de estabilización de impedancia,
de amortiguación del factor de calidad y de adaptación de
impedancia entre la fuente de tensión y la carga.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el elemento de conmutación comprende un transistor del
tipo MOSFET montado en serie en la línea positiva del bus de
alimentación que une la fuente de tensión a la carga, y cuya
rejilla es alimentada por el órgano de mando que actúa sobre el
transistor a la manera de una fuente de
corriente.
corriente.
De preferencia, el transistor se mantiene en
modo lineal para impedir que la corriente y la tensión aplicadas a
la carga superen los umbrales predefinidos, comprendiendo el
dispositivo, además, un circuito de desconexión para poner fuera de
tensión al transistor después de una cierta duración de
funcionamiento en modo lineal.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el órgano de mando del circuito de limitación de
corriente comprende un amplificador para elevar la medida de la
corriente suministrada por la fuente y gobernar el elemento de
conmutación, y en el que el circuito de limitación de tensión está
unido al amplificador para gobernar el elemento de conmutación en
caso de sobretensión.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el circuito de limitación de tensión comprende un diodo
Zener montado de manera que fije la tensión aplicada a la carga en
un valor determinado al comienzo de una sobretensión, gobernando
el circuito de limitación de tensión el elemento de conmutación
para tomar el relevo del diodo Zener y limitar la tensión durante
el final de la sobretensión.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el circuito de limitación de tensión comprende un diodo
Zener montado de manera que absorba la mayor parte de las
sobretensiones aplicadas por la fuente, mientras que el elemento de
conmutación es gobernado por el circuito de limitación de tensión
para que pase en modo lineal.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el transistor se escoge de manera que presente unas
capacidades parásitas rejilla-fuente y
rejilla-drenaje suficientes para que en caso de una
punta de energía, el transistor sea gobernado para pasar en modo
lineal gracias a la corriente inyectada en las capacidades
parásitas.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el dispositivo comprende además un circuito de
limitación de potencia concebido para gobernar el elemento de
conmutación para impedir que la potencia entregada por la fuente
supere un umbral de potencia predefinido durante un tiempo que
exceda de cierto valor.
A continuación se describirá un modo de
realización preferido de la invención, a título de ejemplo no
limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los
cuales:
La figura 1 representa un circuito de
alimentación que integra un dispositivo de protección según la
invención.
La figura 2 representa de una manera más
detallada el dispositivo de protección representado en la figura
1.
Las figuras 3 y 4 muestran en detalle ejemplos
de realización de dos partes del dispositivo representado en la
figura 2.
Las figuras 5 a 8 ilustran bajo la forma de
curvas el funcionamiento del dispositivo de protección según la
invención.
La figura 1 representa un dispositivo de
protección concebido según la invención alrededor de un único
elemento de conmutación y destinado a interponerse sobre un bus
(barra colectora) de alimentación de corriente continua que enlaza
una fuente de tensión 2 a una carga 3. La carga 3 puede
modelizarse por una inductancia L_{L} montada en serie con una
resistencia R_{L} en paralelo con un condensador C_{L}. El bus
comprende un tramo de bus 4, 5 que une la fuente de tensión 2 al
dispositivo 1 y un tramo 4', 5' que une el dispositivo 1 a la carga
3, estando constituido cada tramo por una línea de alimentación
positiva 4, 4' y una línea de alimentación negativa 5, 5'.
El bus de alimentación puede presentar de manera
natural una impedancia serie resistiva e inductiva y una débil
capacidad.
Se puede prever disponer un diodo Zener Z_{i}
de entrada entre la fuente de tensión 2 y el dispositivo de
protección 1 y un diodo Zener Z_{o} de salida entre el
dispositivo de protección y la carga 3. El diodo Z_{i} de
supresión de los transitorios de tensión permite por una parte
reemplazar disipando la energía almacenada en el circuito de la
inductancia de línea a la tensión máxima admisible por el elemento
de conmutación del dispositivo de protección 1. Por otra parte,
ese diodo permite, gracias a su reducida impedancia, convertir la
corriente de los picos de energía en tensión, de manera que permita
al dispositivo de protección 1 regular la tensión aplicada a la
carga 3.
El diodo Zener Z_{o} permite fijar, si es
preciso, la tensión a un valor admisible por la carga, hasta que
el elemento de conmutación del dispositivo de protección 1
reaccione para limitar la tensión. Ese diodo Zener puede
sustituirse por un diodo de rueda libre.
En la figura 2, el dispositivo de protección 1
comprende sucesivamente, partiendo de la fuente de tensión:
- -
- un circuito 11 de limitación de potencia,
- -
- un circuito 12 de limitación de corriente o de protección contra las sobreintensidades,
- -
- un circuito 13 de disparo de la ruptura,
- -
- un circuito 14 de conmutación, y
- -
- un circuito 15 de limitación en tensión o de protección contra las sobretensiones, que asegure igualmente una función de estabilización de impedancia.
Según la invención, la función de conmutación de
los circuitos de protección 11, 12 y 15 se asegura por el único
circuito de conmutación 14 asociado al circuito de disparo 13.
El circuito de conmutación 14 se concibe
alrededor de un transistor T_{M} de tipo MOSFET de canal P, en
que el drenaje y la fuente van montados en serie en la línea de
alimentación positiva 4, 4' y cuya rejilla se alimenta a través de
un diodo Zener Z3 cuyo borne indirecto está acoplado a la línea de
alimentación 4. Además, la rejilla del transistor T_{M} está
unida a la línea de alimentación 5' por medio de un diodo D1
montado en directo, en serie con una resistencia R4. El valor de la
resistencia R4 se escoge suficientemente elevado para que el
transistor T_{M} pase al modo de saturación, en cuanto se aplique
una tensión suficiente entre las líneas 4 y 5. Un valor elevado de
la resistencia R4 permite igualmente limitar el consumo de energía
del dispositivo.
El circuito 11 de limitación de potencia
comprende un diodo Zener Z1 en serie con una resistencia R2, estando
montado el conjunto en paralelo entre las líneas 4 y 5. Ese
circuito está dispuesto a la entrada del dispositivo para controlar
la potencia de entrada, siendo necesario sólo este control de
potencia en un sistema de distribución de potencia limitado. En
efecto, ese circuito permite hacer una aproximación de la ley
hiperbólica de potencia en función de la tensión y de la intensidad
de corriente por dos segmentos de recta u una parte curvada
definida por el diodo Zener Z1.
Si se aplica a la entrada una potencia demasiado
elevada durante demasiado tiempo, el circuito dispara la ruptura
por el circuito de conmutación 13, de la misma manera que el
circuito 12 de limitación de corriente o de protección contra las
sobreintensidades.
El circuito 12 de limitación de corriente o de
protección contra las sobreintensidades se concibe alrededor del
circuito de conmutación 13 y comprende un dispositivo de medida de
la corriente que gobierna a este último. El circuito 12 se basa en
la característica de tensión del diodo Zener Z3 asociado al
transistor T_{M}, de manera que pueda combinar de forma sencilla
la función de limitación de corriente con las otras funciones de
protección (limitación de tensión y estabilización de impedancia).
Ese circuito comprende un amplificador A1 del que una primera
entrada recibe una tensión suministrada por una fuente de tensión
S1, a la cual se añade la tensión en el punto de unión entre el
diodo Zener Z1 y la resistencia R2. La segunda entrada del
amplificador A1 recibe una medida de intensidad de corriente que
atraviesa una resistencia R1 montada en serie sobre la línea 4, 4'.
El amplificador A1 tiene por función amplificar la medida de la
corriente en los bornes de la resistencia R1 y de gobernar el
conmutador 14 para poner el transistor T_{M} en modo lineal a
partir de cierto umbral a fin de mantener la corriente en la
resistencia R1 por debajo de dicho umbral.
Cuando la corriente en la resistencia R1
aumenta, la tensión en los bornes del diodo Zener Z3 disminuye
hasta el punto en que esa tensión resulta insuficiente para que el
diodo Z3 sea pasante. El transistor T_{M} pasa entonces al modo
lineal, lo cual reduce la corriente en la resistencia R1.
El límite de la corriente depende del valor de
la resistencia R1, que ventajosamente es ajustable.
Con relación a las soluciones del estado de la
técnica anterior, este circuito presenta por lo menos una buena
precisión en el valor exacto de la limitación de la corriente pero
es sensiblemente más sencillo y más rápido.
En el circuito que se acaba de describir, toda
la electrónica de control se coloca en la línea de retorno (control
en tensión) o bien en la línea procedente de la fuente de tensión
(control en corriente), y actúa sobre el elemento de conmutación
(transistor T_{M}) como una fuente de corriente. Estas
disposiciones permiten soslayar los efectos de los transitorios en
modo común que podrían ser generados por la fuente.
El circuito 15 asegura a la vez una función de
protección contra las sobretensiones y de supresión de los picos,
una función de estabilización de impedancia y una función de
amortiguación del factor Q y de adaptación de impedancia entre la
fuente de tensión y la carga.
Estas dos últimas funciones quedan aseguradas en
particular por un condensador C2 y una resistencia R7, montados en
serie entre las líneas 4 y 5, estando conectado el punto de unión
entre el condensador C2 y la resistencia R7 a una entrada de un
amplificador A2 cuya otra entrada está unida a una fuente de
tensión S2 y la salida está unida a la rejilla del transistor
T_{M}. Este circuito reacciona ante las variaciones positivas de
la tensión entre las líneas 4, 4' y 5, 5' y amortigua las
oscilaciones que tienen tendencia a aparecer más abajo del
transistor T_{M} en la línea 4'.
Si aparece una variación negativa de tensión,
ésta es vista como una sobrecarga que es tratada por el circuito
limitador de corriente 12. Además, las oscilaciones se eliminan, ya
que el transistor T_{M} pasa al modo lineal a partir de la
aparición de aquéllas para amortiguar el factor Q.
La función de limitación y de supresión de picos
se asegura principalmente por un diodo Zener Z4 montado en
paralelo con el condensador C2. Ese diodo Zener funciona en
combinación con el transistor T_{M} para bloquear las
sobretensiones transitorias y limitar la tensión aplicada a la
carga. La tensión límite viene determinada por la característica de
tensión del diodo Zener Z4.
En el caso de un pico de energía, el diodo Z4
conduce. Resulta de ello que la salida del amplificador A2 pone el
transistor T_{M} en modo lineal, mientras que el diodo Zener Z4
absorbe la mayor parte de la energía de la sobretensión. De esta
manera, el transistor T_{M} sólo se ve expuesto al pico de
energía durante un tiempo muy corto, muy inferior a 10 \mus.
La supresión de picos se realiza por la
combinación del circuito que efectúa la función de limitación de
tensión y del diodo Zener Z_{i}, también llamado diodo
"transorb", que comprende una unión pn que tiene una débil
impedancia a raíz de un tirón por alud. El diodo transorb absorbe
la energía del pico convirtiendo la corriente del pico en tensión
(pero no bloquea la tensión a un nivel aceptable para la carga).
La tensión fijada por el diodo se selecciona en función de la
energía a disipar (y no en función de la tensión máxima aplicable a
la carga como en el caso anterior). El dispositivo de protección 1
ajusta pues la tensión del bus a un valor aceptable para los
componentes del dispositivo 1 situados más abajo en el bus 4', 5'
durante la supresión del pico. En el peor de los casos, el
dispositivo de protección 1 sólo necesita absorber la tensión
fijada por el diodo transorb.
La combinación del diodo transorb Z_{i} y del
circuito 15 de limitación de tensión permite así resolverlos
problemas de la absorción de los picos de energía y, de una manera
separada, el problema de la regulación de la tensión aplicada a la
carga. En la práctica, el diodo transorb Z_{i} comprende varios
diodos transorb montados en serie, de manera que no sea sensible al
fallo de un componente.
El circuito 13 de disparo de la ruptura permite
asegurar que si el transistor T_{M} pasa a un modo lineal como
consecuencia de una sobretensión o de una sobreintensidad, esa
situación no se prolongue más allá de algunos milisegundos de
manera que no exista el riesgo de dañar al transistor T_{M} que
disipa la energía en exceso calentándose. Este circuito tiene pues
por misión cortar el transistor T_{M} después de algunos
milisegundos de funcionamiento en modo lineal. En el ejemplo de la
figura 2, ese circuito comprende un transistor T1 del tipo pnp
montado entre la línea 4 y la salida del circuito 12 de limitación
de corriente, estando unida la base de ese transistor al borne
directo de un diodo D2. El otro borne del diodo D2 está unido por
una parte a la línea 4 por medio de un condensador C1 motado en
paralelo entre el colector y el emisor de otro transistor T2 del
tipo pnp, y por otra parte a la línea 5 por medio de un diodo Zener
Z2 montado a la inversa, en serie con una resistencia R3. La base
del transistor T2 está unida por medio de una resistencia R4 a la
línea 4, y por medio de una resistencia R5 al punto de unión entre
el diodo D1 y la resistencia R6 del circuito de conmutación 14.
El condensador C1 se carga a través del diodo
Zener Z2 y de la resistencia R3. En funcionamiento normal, es
decir, en ausencia de sobretensión o de sobreintensidad, el
condensador C1 es puesto en cortocircuito por el transistor T2
gobernado a través del puente divisor constituido por las
resistencias R4 y R5, por el diodo Zener Z3 que polariza su unión
base-emisor a más de 1 volt, asegurando así su
saturación. Cuando el transistor T_{M} pasa a modo lineal a causa
de una sobreintensidad, el transistor T2 pasa a modo lineal y el
condensador C1 se carga (a más de 1 V). El transistor T1 cambia
entonces de estado y actúa como una báscula de enclavamiento
tomando el estado de la salida del circuito 12 de protección contra
las sobreintensidades o del circuito 15 de protección contra las
sobretensiones, lo cual provoca la descarga del condensador C1. La
constante de tiempo del circuito de descarga se define por el
producto de la capacidad del condensador y del valor de la
resistencia R3. Cuanto más elevada sea la tensión de entrada (en la
línea 4) más reducida debe ser la constante de tiempo en
proporción a la manera de mantener constante la disipación de
energía en el transistor T_{M}. De esta manera, el circuito 13
permite controlar la energía disipada por el transistor
T_{M}.
La figura 3 representa un ejemplo de realización
del circuito limitador de corriente 12. En esa figura, el circuito
12 comprende dos transistores T3, T4 pnp montados en transistor
doble (las bases de los dos transistores están conectadas una a la
otra), en que los colectores están unidos respectivamente a los
dos bornes de la resistencia R1 por medio de dos resistencias R9,
R10 respectivas. El colector del transistor T3 está además unido a
la entrada del circuito 12 por medio de una resistencia R8,
hallándose unida esa entrada al punto de conexión del diodo Zener
Z1 y la resistencia R2. El emisor del transistor T3 está unido a
una salida B1 del circuito 12. El emisor del transistor T4 está
unido a su base, y unido a la línea 5 por medio de una resistencia
R11 de polarización de los dos transistores. El emisor del
transistor T4 está asimismo unido a una entrada B2 del circuito 12
por medio de una resistencia R12 montada en paralelo con un
condensador C3 de desacoplamiento. La salida B1 se destina a
conectarse a la rejilla del transistor T_{M}, mientras que la
salida B2 va a acoplarse a una entrada del circuito 15 de
protección contra las sobretensiones.
Resulta de ello que la resistencia R6 conectada
a la masa y unida a la rejilla del transistor T_{M} desempeña el
papel de resistencia de polarización del transistor T_{M}.
Cuando la corriente aumenta en la resistencia R1
de medida de la corriente, la tensión base-emisor
del transistor T4 aumenta. La corriente que atraviesa la
resistencia R10 resulta, pues, aumentada, lo cual reduce en
consecuencia la corriente que atraviesa el diodo Zener Z3 y, por lo
tanto, su tensión. Cuando la tensión en los bornes del diodo Zener
se hace inferior a la tensión Zener, el transistor T_{M} pasa al
modo lineal, limitado así la corriente en la resistencia R1.
Si se desea obtener una mayor precisión, es
preferible utilizar un transistor doble (realizado en un componente
único) para los transistores T3 y T4, mejor que dos transistores
separados.
La figura 4 representa un ejemplo de realización
del circuito 15 de protección contra las sobretensiones y en
particular las funciones de estabilización de impedancia y de
amortiguación de factor Q de ese circuito. Estas funciones se
simplifican en la medida que se basan en la detección de las
variaciones positivas de la tensión (que son las más
peligrosas).
Ese circuito comprende un transistor T5 del tipo
npn cuyo colector está unido a una salida El del circuito 15
(conectada a la entrada B2 del circuito 12), y el emisor está unido
a una resistencia de polarización R13. La base de ese transistor se
halla, por una parte, unida al punto de unión del condensador C2 y
el diodo Zener Z4, y por otra parte a la línea 5 por medio de la
resistencia R7 y de un diodo D3 montado a la inversa.
Ese circuito juega el mismo papel que una gran
capacidad conectada entre las líneas 4 y 5, generando las
variaciones de tensión una corriente que es amplificada por el
circuito constituido por los transistores T5, T3, T4 y unas
resistencias en serie.
El efecto, el transistor T5 está montado en
seguidor de tensión para amplificar la corriente en un factor igual
a la relación de los valores de las resistencias R7 y R13. La
corriente en la base del transistor T5 se refleja en el colector de
éste, lo cual crea una corriente de base adicional en el transistor
T4. Por un efecto espejo, esa corriente de base atraviesa el
transistor T3 siendo amplificada en un factor de amplificación igual
a la relación de los valores de las resistencias R9 y R10,
gobernando la corriente amplificada la rejilla del transistor
T_{M}.
Hay que observar que las resistencias R6 y R11
deben adaptarse a la tensión en los bornes de las líneas 4 y 5, de
manera que optimicen su consumo residual.
En el dispositivo representado en la figura 2,
en el cual los circuitos 12 y 15 son los representados en las
figuras 3 y 4, las funciones de los amplificadores A1 y A2 están
parcialmente integradas en la medida en que la función de mando
del transistor T_{M} es única (salida B1), y el circuito
representado en la figura 4 sólo efectúa una amplificación de la
medida de la tensión, la cual se aplica a la entrada B2 del
circuito 12 de la figura 3. De hecho, la medida de la tensión
amplificada en la salida El juega el papel de tensión de
polarización del amplificador de corriente y por lo tanto influye
en el mando del conmutador 14.
Además, si se substituye el diodo Zener Z_{o}
por un diodo montado en el mismo sentido, la función de protección
contra las sobretensiones y los picos de energía se realiza de
manera ligeramente diferente. En efecto, en este caso el diodo
Zener Z4 fija simplemente el nivel de tensión de una primera parte
de la sobretensión y dispara el transistor T_{M} que, después del
tiempo de reacción de bucle de tensión, regula la tensión a un
valor inferior a la tensión Zener del diodo Z4. De esta manera, el
diodo Zener fija la tensión durante algunos microsegundos, después
deja que el transistor T_{M} tome el relevo para limitar la
tensión.
Gracias a estas disposiciones, el dispositivo de
protección que se acaba de describir a título de ejemplo realiza
un gran número de funciones de protección con un número reducido de
componentes electrónicos discretos (31 componentes) de manera
importante con relación a los dispositivos del anterior estado de
la técnica.
Se puede observar que el dispositivo según la
invención presenta, además de la función de limitación de potencia
realizada por el circuito 11, una característica de limitación de
potencia al cuadrado, puesto que presenta unas funciones separadas
de limitación de corriente y de limitación de tensión y por lo
tanto de los límites en tensión y en corriente definidas de manera
independiente. Para reproducir la característica de límite de
potencia hiperbólica, basta con disminuir el límite de corriente
cuando la tensión supera su valor nominal.
La ley de variación del límite de corriente en
función de la tensión de entrada se define por dos segmentos de
recta cuyas características dependen del diodo Z1, de la
resistencia R2 y de la resistencia entre el punto de unión entre Z1
y R2 y la rejilla del transistor T_{M}, es decir, de la
resistencia R8 en el ejemplo de la figura 3.
Además, se puede observar que el dispositivo
según la invención puede dispararse a continuación de puntas de
energía, permitiendo así protegerse al igual que la carga, incluso
si el diodo transorb de entrada Z_{i} está en fallo en circuito
abierto. Si aparece un fallo en el lado de la carga, el dispositivo
continúa aislando la carga incluso a continuación de una punta de
energía.
El transistor T_{M} escogido presenta de
preferencia unas capacidades rejilla-fuente y
rejilla-drenaje importantes. De esta manera, en el
caso de una punta de energía en el bus 4, 5, el transistor T_{M}
es gobernado por la variación de la tensión gracias a la corriente
inyectada en esas capacidades parásitas. No es preciso mantener el
mando del conmutador una impedancia débil para mantener a este
último en el estado abierto a continuación del pico de tensión. Por
el contrario, este mando se concibe voluntariamente para permitir
un nuevo cierre del circuito inmediatamente después del transitorio
evitando la destrucción del conmutador. El diodo transorb Z_{i}
se prevé para limitar en todos los casos las tensiones transitorias
aplicadas a la carga.
Si el conmutador se halla en estado abierto
antes del transitorio, ello significa que la carga está en fallo,
dado que el conmutador se encuentra siempre en estado cerrado en
ausencia de fallos cuando la tensión de bus está presente. En ese
estado, en tanto que la protección es efectiva desde el punto de
vista del bus, se pueden inyectar puntas de energía sin riesgo de
generar el mínimo daño. En todos los casos, un nuevo arranque
inmediato a continuación de una punta de energía permite
amortiguar las oscilaciones que pueden resultar de esa punta.
El dispositivo que se acaba de describir es
insensible al fallo de un componente en la medida que las líneas 4
y 5 no resultan nunca puestas en corto circuito en el caso de que
falle un componente.
Las curvas de las figuras 5 a 8 ilustran los
funcionamientos del dispositivo 1 según la invención, conectado a
diferentes tipos de cargas 3, en respuesta a una sobretensión
inductiva de unos 200 mJ. Esta energía es absorbida ventajosamente
por el diodo transorb Z_{i} a 240 V.
Estas curvas se han obtenido con un dispositivo
concebido para funcionar con una tensión nominal de alimentación de
120 V para unas potencias de carga inferiores a 200 W, con un
límite de corriente de entrada igual a 1,5 A para una tensión
comprendida entre 90 y 165 V y para eliminar una energía inductiva
de 500 mJ como máximo, con un límite de tensión en el lado carga de
170 V y un tiempo de disparo de 1 a 2 ms en el caso de sobretensión
o sobre-
intensidad.
intensidad.
Para obtener tales funcionamientos, los
componentes del dispositivo 1 presentan, por ejemplo, los valores
siguientes:
\vskip1.000000\baselineskip
| Z3 : 11 V de tensión Zener | R2:100 K\Omega | R6:60 K\Omega | R10:225 \Omega |
| C1 : 1 \muF | R3:400 K\Omega | R7:500 \Omega | R11:120 K\Omega |
| C2 : 0,1 nF | R4:30 K\Omega | R8:15 K\Omega | R12:30 K\Omega |
| C3 : 100 pF | R5:250 K\Omega | R9:105 \Omega | R13:100 \Omega |
Las curvas de las figuras 5a a 5c muestran, a
diferentes escalas de tiempos, las variaciones de tensión en
función del tiempo a la entrada (curva 21) y a la salida (curva 22)
del dispositivo 1 con una carga resistiva e inductiva (R_{L}= 108
\Omega, L_{L} = 5 \muH y C_{L} = 0). Estas curvas ponen de
manifiesto que el dispositivo 1 reacciona en unos 8 \mus para
limitar la sobretensión de 240 V a unos 170 V durante todo el
periodo de duración de la sobretensión.
Las curvas de las figuras 6a y 6b muestran, a
diferentes escalas de tiempos, las variaciones de tensión en
función del tiempo en la entrada (curva 23) y en la salida (curva
24) del dispositivo 1 con una carga puramente resistiva (R_{L}=
108 \Omega, L_{L} = 0 y C_{L} = 0). Estas curvas ponen de
manifiesto que el dispositivo según la invención por una parte
impide que la tensión de salida sobrepase de 170 V y reacciona en
10 \mus para limitar la sobretensión a este valor. En particular,
la figura 6b muestra que la tensión se fija a un nivel inferior por
el diodo Z_{o} durante los primeros 10 \mus, después la tensión
de entrada se fija por el diodo Z_{i} que elimina la energía
almacenada en la línea, mientras que la tensión de salida es
regulada por el transistor T_{M} situado en modo lineal, estando
bloqueado el diodo Z_{o}.
Tal como aparece en las figuras 7a y 7b, el
dispositivo 1 impide que la tensión aplicada a una carga 3
resistiva y capacitiva (R_{L}= 108 \Omega, L_{L} = 0, y
C_{L} = 1 \muF) sobrepase la tensión del diodo Zener de la
salida, o sea unos 180 V curva 26). Después esa tensión es puesta a
170 V unos 40 \mus después del comienzo de la sobretensión
aplicada a la entrada (curva 25).
Las figuras 8a y 8b muestran las variaciones de
tensión en la entrada (curva 27) y en la salida (curva 28) del
dispositivo 1 con una carga resistiva, inductiva y capacitiva
(R_{M}= 108 \Omega, L_{L} = 5 \muH, y C_{L} = 1
\muF).
Claims (9)
1. Dispositivo de protección (1) de una fuente
de tensión (2) y de una carga (3) alimentada por la fuente de
tensión, que comprende un elemento de conmutación (14) interpuesto
entre la fuente de tensión y la carga y asociado a un circuito de
limitación de corriente (12) que comporta un órgano de medida (R1)
de la corriente entregada por la fuente y un órgano de mando (A1)
para gobernar el elemento de conmutación para impedir que la
corriente supere un umbral de corriente predeterminado,
caracterizado porque comprende además un circuito de
limitación de tensión (15) concebido para gobernar el elemento de
conmutación (14) para impedir que la tensión entregada a la carga
(3) supere un umbral de tensión predeterminado.
2. Dispositivo de protección según la
reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de
limitación de tensión (15) comprende medios de detección de las
variaciones de tensión a la salida del dispositivo que son
reconducidas al órgano de mando (A1) del circuito de limitación de
corriente (12) de manera que asegure igualmente funciones de
estabilización de impedancia, de amortiguación del factor de
calidad y de adaptación de impedancia entre la fuente de tensión y
la carga.
3. Dispositivo de protección según las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el elemento de
conmutación (14) comprende un transistor del tipo MOSFET (T_{M})
montado en serie en la línea positiva (4) del bus de alimentación
que enlaza la fuente de tensión (2) con la carga (3), y cuya
rejilla está alimentada por el órgano de mando (A1) que actúa sobre
el transistor a la manera de una fuente de corriente.
4. Dispositivo de protección según la
reivindicación 3, caracterizado porque el transistor
(T_{M}) es mantenido en modo lineal para impedir que la corriente
y la tensión aplicada a la carga (3) supere los umbrales
predeterminados, comprendiendo el dispositivo (1) además un
circuito de disparo (13) para poner fuera de tensión el transistor
después de una cierta duración de funcionamiento en modo
lineal.
5. Dispositivo de protección según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el órgano de
mando (A1) del circuito de limitación de corriente (12) comprende
un amplificador (T3, T4) para amplificar la medida de la corriente
entregada por la fuente (2) y gobernar el elemento de conmutación
(14), y porque el circuito de limitación de la tensión (15) está
unido al amplificador para gobernar el elemento de conmutación en
el caso de una sobretensión.
6. Dispositivo de protección según una de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el circuito de
limitación de tensión (15) comprende un diodo Zener (Z4) montado de
manera que fija la tensión aplicada a la carga a un valor
predeterminado al comienzo de una sobretensión, gobernando el
circuito de limitación de tensión el elemento de conmutación (14)
para tomar el relevo del diodo Zener y limitar la tensión durante el
final de la sobretensión.
7. Dispositivo de protección según una de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el circuito de
limitación de tensión (15) comprende un diodo Zener (Z4) montado de
manera que absorbe la mayor parte de las sobretensiones aplicadas
por la fuente, mientras que el elemento de conmutación (14) está
gobernado por el circuito de limitación de tensión (15) para que
pase al modo lineal.
8. Dispositivo de protección según una de las
reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque el transistor
(T_{M}) se escoge de manera que presente unas capacidades
parásitas rejilla-fuente y
rejilla-drenaje suficientes para que, en el caso de
una punta de energía, el transistor sea gobernado para pasar al
modo lineal gracias a la corriente inyectada en las capacidades
parásitas.
9. Dispositivo de protección según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende
además un circuito de limitación de potencia (11) concebido para
gobernar el elemento de conmutación (14) para impedir que la
potencia entregada por la fuente supere un umbral de potencia
predeterminado durante una duración que exceda de cierto valor.
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