Circuitos de protección de polaridad

Seguro que alguna vez te ha pasado: conectas mal la fuente de alimentación y boom, adiós a tu circuito. Mientras trabajamos en nuestros circuitos y proyectos, uno de los mayores miedos que hay es conectar la alimentación mal, sobre todo cuando viene de una batería. Seguramente a varios de nosotros nos haya pasado, enchufar la alimentación, mirar el led que indica que todo va bien, y ver que no solo no se enciende, sino que además sale humillo de alguno de nuestros componentes… Y es en ese momento en que te das cuenta que la has liado. No haya vuelta atrás, hay que reemplazar el/los componentes afectados…

Lo más importante para evitar esto es ir con cuidado, pero como en eso no os puedo ayudar, hoy os traigo algunos circuitos que podéis usar para proteger vuestros proyectos. Vamos a ver qué circuitos podemos utilizar, qué ventajas e inconvenientes tienen y cómo elegir los componentes para que los circuitos funcionen mejor.

Protección con un Diodo

Esta es la manera más sencilla de proteger el circuito, solo necesitas un nuevo componente, un diodo, a poder ser Schottky, puesto en serie entre la batería y tu circuito. En el esquema anterior la «Carga» representa tu circuito y es lo que queremos proteger.

Funcionamiento del circuito

Podemos ver como funciona el circuito en los esquemas que os dejo aquí abajo. Cuando la batería está conectada correctamente, la corriente circula por el diodo sin ningún problema cuando el voltaje del diodo es superior a su voltaje de funcionamiento (generalmente 0.7v). Por lo tanto a la carga le va a llegar un voltaje menor que el de la batería. Además, tenemos que tener en cuenta que la potencia que va a disipar el diodo va a ser , por lo tanto circuito seguramente esté limitado por el voltaje que cae en el diodo y la potencia que puede disipar.

En el caso de que la batería esté en polaridad inversa, el diodo tiene que soportar un voltaje en inversa que es igual al voltaje de la batería. Además, hay que tener en cuenta que los diodos tienen una corriente de fuga que aunque estén polarizados en inversa dejan circular algo de corriente.

Elegir componentes

Viendo lo anterior, para elegir nuestro diodo de protección tenemos que tener en cuenta estos factores principalmente:

• Caída de voltaje : Cuanto menor mejor ya que la potencia que disipa será menor.
• Máxima potencia disipada: Cuanto mayor mejor para soportar más potencia.
• Voltaje máximo en inversa: Cuanto mayor mejor pero mínimo x2/x3 veces el voltaje máximo de la batería.
• Corriente de fuga en inversa: Cuanto menor mejor.

Por ejemplo, si tenemos un circuito que vamos a alimentar con 8v y veremos si nos funciona el SB120 (datasheet). Por un lado tenemos que ver la caída de del diodo para 1A, que si miramos el datasheet, podemos ver que para 1A hay una caída de aproximadamente 0.45V en el SB120. Además, podemos obtener el resto de datos de las tablas que hay en el mismo documento:

• Corriente máxima 1A
• Voltaje en inversa del SB120: 20V
• Corriente de fuga: 0.5-5 mA
• Potencia disipada: que serían unos 22 grados más de temperatura en el diodo.

Como podemos ver este diodo está en el límite de nuestras necesidades, disipando casi medio vatio de potencia en temperatura. Tendríamos que buscar o un diodo más grande, o que tenga menor caída de voltaje. Es decir, para un circuito bastante normalito (9V, 1A), necesitamos un diodo bastante grande y el cual nos va a disipar el 5% de la potencia que entregamos al circuito.

Y esta es una de sus principales desventajas, este circuito de protección por diodo en serie, solo es práctico en circuitos de baja corriente, donde el diodo no tenga que disipar mucha potencia. Para circuitos con motores/actuadores, difícilmente vamos a poder utilizarlo. Por otro lado, tenemos que es un circuito muy sencillo de utilizar y muy barato, por lo que puede ser una opción en las situaciones correctas.

Protección de circuito mediante MOSFET PMOS

Ahora vamos a ver el siguiente circuito de protección donde mejoramos algunos de los puntos débiles de la protección por diodo en serie. En este caso vamos a tener un protagonista, el mosfet tipo P, que va a ser el encargado de controlar el paso de corriente cuando la batería está conectada correctamente.

En este caso tenemos un circuito un poco más complejo, y que requiere más componentes, pero a la vez algo más óptimo que el anterior del diodo. Cuando conectamos la batería correctamente, el diodo del cuerpo del mosfet empieza a conducir y pasa parte del voltaje de entrada hacia la carga. Cuando este voltaje es suficientemente alto como para encender el Zener, este fuerza un voltaje entre la Gate y el Source del mosfet tipo P. Al generarse ese voltaje el mosfet pasa a estar en activa y su resistencia entre el Drain y el Source, es mucho menor, por lo que ahora el voltaje que llega a la carga es prácticamente el de la batería.

Al conectar la batería en inversa, al no tener una caída de potencial entre , el mosfet no se activa y no permite circular la corriente por el circuito. Previniendo quemar nuestro circuito.

Como funciona el circuito

Cuando el circuito está funcionando de la manera correcta, el voltaje que cae en el transistor mosfet va a ser su por la corriente que circula por el circuito. En el caso de los transistores, las resistencias de encendido suelen estar alrededor de las decenas mili-ohmios por lo que con corrientes de 1-2A, la potencia que tienen que disipar no llega a 10mW.

Diseñar este circuito es un poco más complicado que en el caso anterior. Aquí tenemos que tener en cuenta varios factores:

• Elegir un voltaje de zener que sea superior al voltaje de encendido del MOSFET. Y en general que lo supere bastante para encender «mucho» el MOSFET. Siempre con cuidado de no superar el voltaje límite de la puerta que marque el datasheet.
• Elegir un mosfet con baja y que soporte un voltaje superior al de la batería para evitar quemarlo.
• Elegir el valor de R1 de manera que por el zener no circule demasiada corriente para los voltajes esperados.

Ejemplo de diseño

Si tenemos el caso del circuito de 1A y 9v que hemos visto antes. Voy a elegir el MOSFET Si3493DDV (datasheet), que tiene 24 miliohmios de resistencia de encendido, soporta 20V entre Drain y Source, y tiene un voltaje de encendido de 1V, siendo el límite 8v. Con la gráfica de Vds a Id, podemos ver que para 1A, casi cualquier voltaje de mayor de 2V va a ser más que suficiente, pero para asegurarnos, y viendo que está dentro de la gráfica, vamos a usar 4V o cercano para encenderlo.

Para el diodo zener vamos a elegir 3v3, al ser un voltaje de uso muy común los diodos de 3v3 son más baratos y más fáciles de encontrar. En nuestro caso vamos a usar el ZMM3.3 (datasheet), que tiene una corriente máxima de 143 mA. Como van a caer 3v3 y queremos que el diodo no se caliente mucho, vamos a configurarle una corriente de 10mA.

Para ello solo tenemos que calcular la resistencia R1 en el caso de la alimentación de 9V. El voltaje que caerá en la resistencia será de (9 – 3.3) 5.5V, y si queremos que circulen 10mA, entonces la resistencia tendrá que ser de 570 Ohm.

Con esto tendríamos el circuito completo:

• MOSFET: Si3493DDV
• Zener: ZMM3.3
• R1: 570 Ohm (470 Ohm para tener un valor estándard)

Este circuito es un poco más complejo y difícil de calcular pero que a cambio nos proporciona menores pérdidas y más capacidad de corriente.

Conclusión

Existen más opciones a la hora de proteger vuestros circuitos, pero estas son las más económicas y sencillas de implementar. Espero que os haya gustado, y si queréis saber más dejarmelo en los comentarios, o pasaros por un directo de twitch 🙂