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Diseño de circuitos de protección contra inversión de polaridad

Los circuitos de protección contra inversión de polaridad son bastante importantes en el diseño de circuitos, ya que nunca se sabe qué tipo de operaciones inusuales pueden realizar los usuarios y provocar una explosión en la placa al conectar la fuente de alimentación de forma incorrecta.

Un buen circuito de protección contra inversión de polaridad, a cambio de agregar algunos componentes adicionales, garantiza la seguridad del usuario y del producto.

Circuito de protección con diodo

Como se muestra en la imagen, se agrega un diodo (conducción unidireccional) en la ruta del polo positivo/negativo de la fuente de alimentación para evitar la inversión de polaridad. Este circuito es simple y de bajo costo. Sin embargo, tiene la desventaja de tener una caída de voltaje grande (aproximadamente 0.6V), mayor generación de calor a medida que aumenta la corriente y una corriente de fuga cuando se aplica un voltaje inverso demasiado alto, por lo que se debe dejar un margen de seguridad. Se puede optar por utilizar diodos Schottky, que tienen un costo relativamente alto pero una caída de voltaje más baja.

;## Circuito de protección contra inversión de polaridad con P-MOS
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;![](https://media.wiki-power.com/img/20200226214710.png)
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;Tomando la imagen anterior como ejemplo, cuando se aplica energía por primera vez, el diodo parásito del MOSFET se activa, el voltaje en el nivel S es VCC-0.6V y el voltaje en el nivel G es 0V, lo que hace que el P-MOS conduzca. Cuando se invierte la polaridad de la fuente de alimentación, el nivel G es alto, lo que evita la conducción y protege la etapa posterior.
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;En la aplicación práctica, se puede agregar una resistencia entre la compuerta del P-MOS y la etapa de fuente. Este método también se puede aplicar tanto a P-MOS como a N-MOS, utilizando el diodo parásito del MOSFET y su conductividad. Sin embargo, la resistencia de conducción del N-MOS es menor que la del P-MOS, lo que reduce un poco la pérdida de potencia. Después de invertir la polaridad de la fuente de alimentación, el MOSFET se convierte en un circuito abierto, lo que protege eficazmente el circuito posterior. Este método se utiliza ampliamente y se recomienda utilizar N-MOS en la práctica.

Protección contra inversión de polaridad con MOSFET

Los MOSFET tienen una resistencia de conducción (\(R_{DS(on)}\)) baja, lo que los hace adecuados para circuitos de protección contra inversión de polaridad con una pérdida de potencia mínima. Debido a que el N-MOS conduce cuando el nivel G es alto y el P-MOS conduce cuando el nivel G es bajo, generalmente se utiliza el N-MOS en el lado de baja tensión y el P-MOS en el lado de alta tensión:

Cuando se conecta correctamente la fuente de alimentación, el MOSFET conduce y el circuito posterior recibe energía de manera normal. Cuando se invierte la polaridad, el MOSFET se bloquea y se desconecta para proteger el circuito posterior.

La pérdida de potencia en la protección contra inversión de polaridad con MOSFET es de \(R_{DS(on) * I_{load}}\). Al seleccionar un MOSFET, se busca que \(R_{DS(on)}\) sea lo más pequeño posible y que \(U_{GS(th)}\) sea menor que la tensión de la fuente de alimentación. En comparación, el N-MOS tiene una resistencia de conducción más baja que el P-MOS y también ofrece una mayor variedad de opciones de selección.

Circuito de protección contra inversión de polaridad con puente rectificador

El circuito rectificador en puente tiene dos diodos que generan una caída de voltaje y tienen una alta pérdida de potencia y generación de calor. A menos que sea necesario en situaciones especiales, generalmente no se recomienda su uso.

Fusible + Diodo de regulación de voltaje

Este circuito de diseño es muy ingenioso, ya que proporciona protección contra inversión de polaridad y protección contra sobretensión. Su principio es el siguiente:

Cuando se invierte la fuente de alimentación Vin, el diodo de regulación de voltaje D1 conduce en la dirección directa y la tensión negativa en la carga es igual a la tensión de conducción del diodo Vf, que generalmente es baja y no dañará el circuito de carga posterior. Al mismo tiempo, la tensión se concentra principalmente en F1, por lo que la corriente aumentará rápidamente hasta que supere la corriente de fusión de F1, lo que hará que el fusible se funda y se desconecte la fuente de alimentación. De esta manera, el diodo D1 no se dañará debido a una corriente excesiva.

Cuando se conecta correctamente pero la tensión es demasiado alta (por ejemplo, mayor que los 5.6V del diodo de regulación), debido a la presencia del diodo de regulación D1, la carga recibirá aproximadamente 5.6V de la fuente de alimentación. Sin embargo, habrá una tensión relativamente alta en F1 (Vin-5.6V), lo que hará que la corriente aumente hasta que se funda el fusible, protegiendo así el circuito posterior. Esto proporciona protección contra sobretensión.

Algunos puntos a tener en cuenta en este circuito son:

  1. Selección de fusibles. La corriente de fusión debe ser mayor que la corriente de trabajo normal de la carga posterior (no debe fundirse cuando el circuito se utiliza normalmente).
  2. Selección de diodos de regulación de voltaje. El valor de regulación debe ser mayor que el voltaje de entrada Vin normal (no debe romperse la regulación cuando se aplica el voltaje normal), pero debe ser menor que el voltaje de entrada máximo permitido por la etapa posterior (el valor de regulación no debe dañar el circuito posterior).
  3. Cumplir con la condición de "corriente máxima permitida por el diodo de regulación de voltaje + corriente de carga al encender > corriente de ruptura del fusible". Solo de esta manera, el diodo de regulación de voltaje no se dañará debido a una corriente excesiva antes de que el fusible se rompa cuando se aplica un voltaje de entrada excesivo.
  4. La tensión inversa Vf generada por el circuito de inversión generalmente es inferior a 1.5V. El circuito posterior debe poder soportar una tensión inversa de 1.5V sin dañarse.
  5. Este circuito se utiliza preferentemente en circuitos con una potencia inferior a 500mW.

Referencias y agradecimientos

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