Proteção contra inversão de polaridade

Proteção por bloqueio

Para uma carga CC que deve receber positivo no seu terminal +, coloque um diodo em série no fio previsto como positivo:

• Ânodo voltado para o terminal positivo de entrada.
• Cátodo voltado para o terminal positivo da carga.
• O terminal negativo da entrada segue diretamente para o terminal negativo da carga.

A faixa do símbolo do diodo indica o cátodo. Essa orientação deixa o diodo diretamente polarizado somente quando a fonte é conectada como previsto.

Com a fonte conectada na polaridade prevista, a corrente convencional sai do positivo da fonte, atravessa o diodo, passa pela carga e retorna ao negativo da fonte. O diodo está diretamente polarizado, portanto permite esse percurso.

Se os dois fios da fonte forem trocados, o diodo fica reversamente polarizado. O caminho em série é interrompido no diodo e a carga não recebe a alimentação prevista.

Esta explicação considera uma carga ligada somente aos dois fios mostrados, sem outra fonte, cabo de sinal ou conexão externa.

Na conexão prevista, organize os trechos no sentido da corrente convencional. Comece pelo positivo da fonte.

Escolha o esquema que protege uma carga ao bloquear a corrente quando uma fonte de dois fios é conectada invertida.

Uma ponte de diodos também pode receber uma fonte CC. Nesse uso, os dois fios da fonte vão aos terminais de entrada marcados com ~. A carga vai aos terminais de saída + e − da ponte.

Assim, os terminais ~ não exigem uma fonte alternada: eles são os dois pontos de entrada da ponte. A carga deve permanecer conectada entre + e −, onde recebe sempre a mesma polaridade.

Considere o terminal ~ esquerdo mais positivo que o ~ direito. Um par diagonal de diodos fica diretamente polarizado.

O caminho fechado é: terminal ~ mais positivo → primeiro diodo ativo → saída + → carga → saída − → segundo diodo ativo → terminal ~ mais negativo.

Os outros dois diodos bloqueiam. Portanto, embora a ponte tenha quatro diodos, há dois diodos em série no caminho que alimenta a carga.

Agora troque os dois fios da fonte nos terminais ~. O par que conduzia passa a bloquear, e o outro par diagonal conduz.

O percurso na entrada muda, mas a corrente chega novamente à saída +, atravessa a carga e retorna pela saída −. Portanto, a corrente na carga mantém o mesmo sentido, mesmo com a fonte conectada ao contrário.

Com a fonte ligada na polaridade que permite condução, a tensão que chega à carga é a tensão da fonte menos as quedas dos diodos que estão no caminho ativo.

• Diodo em série: V_carga ≈ V_fonte − V_F
• Ponte na entrada CC: V_carga ≈ |V_entrada| − 2 × V_F

Na ponte, use o módulo da tensão de entrada: trocar os fios da fonte troca o par condutor, mas preserva a polaridade nos terminais da carga. No diodo em série, esse cálculo só vale na ligação correta; com a fonte invertida, o diodo bloqueia e a carga não é alimentada.

A potência dissipada por cada diodo condutor é estimada por P_D ≈ V_F × I_carga. A corrente da carga passa integralmente por cada diodo do caminho em série.

No exemplo:

• Diodo em série: P_D ≈ 0,70 × 0,80 = 0,56 W.
• Ponte: cada um dos dois diodos ativos dissipa aproximadamente 0,56 W; a perda total do percurso é 1,12 W.

Não são quatro diodos conduzindo na ponte e a corrente de 0,80 A não é dividida automaticamente entre os dois diodos: eles estão em série no percurso ativo.

A conta decisiva deve usar a menor tensão de alimentação prevista, não apenas a tensão nominal. Compare a tensão restante com a tensão mínima exigida pela carga.

Exemplo: uma carga requer ao menos 4,5 V. A fonte pode cair até 5,2 V, e cada diodo da ponte tem V_F = 0,35 V na corrente de projeto.

V_carga,mín ≈ 5,2 − 2 × 0,35 = 4,5 V

Nesse modelo, a ponte atende exatamente ao mínimo. Na prática de projeto, é desejável margem para variações de fonte e de queda direta; o próximo step tratará da escolha do componente compatível.

Para selecionar o diodo de proteção, compare os dados nas condições de operação, não apenas o menor valor de queda direta.

1. Defina a função: bloqueio em série ou funcionamento com entrada invertível por ponte.
2. Use a corrente máxima da carga para consultar ou estimar a queda direta e a dissipação.
3. Compare a tensão reversa admissível com a maior tensão de entrada prevista, deixando margem; limite absoluto não é tensão de trabalho desejada.
4. Confira se a tensão restante atende à carga na menor alimentação.

Em uma ponte alimentada em CC, há dois diodos em série no caminho ativo. Cada um conduz a corrente inteira da carga; eles não dividem essa corrente entre si.

Considere uma carga de 0,8 A alimentada por uma ponte de diodos. A fonte pode variar de 12 V a 24 V, e a carga exige pelo menos 10,8 V. Como critério de projeto, cada diodo deve ter tensão reversa admissível de pelo menos 30 V.

As quedas da tabela foram informadas para 0,8 A e 25 °C. Na tensão mínima, use:

V_carga ≈ 12 V − 2 × V_F

Para estimar a perda no par ativo, use:

P_ponte ≈ 2 × V_F × 0,8 A

A corrente de referência para cada diodo ativo é 0,8 A.

A proteção cobre apenas o caminho que ela atravessa

O diodo em série ou a ponte foi analisado entre os dois fios de entrada e a carga. Essa análise só é válida enquanto não houver outras conexões criando novos percursos.

Uma segunda alimentação ligada à carga, ou uma interface externa que forneça tensão e retorno por seus condutores, pode alimentar parte do circuito sem passar pela proteção de entrada. Um cabo de sinal ou USB merece atenção porque suas referências e circuitos internos podem criar conexões adicionais; isso depende do esquema completo.

Antes de energizar, desenhe no mesmo esquema todas as fontes, cabos e referências externas.

Entrada não é saída

Na ponte usada com entrada CC, os dois terminais ~ recebem a fonte, e os terminais + e − alimentam a carga. O terminal negativo de saída é definido pelo par de diodos que conduz; ele não é automaticamente equivalente a nenhum terminal de entrada.

Não conecte uma referência externa a um terminal ~ supondo que ele seja o “negativo” da carga. Se os fios da fonte forem trocados, os terminais ~ trocam de papel no percurso ativo da ponte.

Uma ligação externa entre a entrada e a saída pode alterar o caminho normal, desviar um diodo ou, em certas associações com fontes externas, criar uma condição de curto. A conclusão depende de traçar todos os caminhos para cada polaridade possível.

Um circuito tem ponte na entrada e uma carga ligada aos terminais + e − de saída. Um cabo USB conecta a carga a um computador, e o cabo une a referência do computador ao terminal de entrada ~ esquerdo da ponte. Qual conclusão é mais adequada?

Estudo de caso: módulo de 12 V com conector reversível

Você vai proteger uma carga CC que pode receber a fonte conectada em qualquer sentido.

Requisitos

• Entrada: 10 a 14 V CC, com polaridade de conexão indefinida.
• Corrente da carga: 0,50 A.
• A carga precisa receber pelo menos 9,0 V.
• A carga deve continuar funcionando mesmo quando os dois fios da fonte forem trocados.
• Há uma possível conexão USB externa; ela só pode ser usada após verificar se o terra dela não cria ligação entre a saída da ponte e um terminal de entrada.

Logo, o diodo em série deve ser rejeitado pela função: ele bloqueia a conexão invertida, mas não mantém a carga funcionando nela. A configuração a avaliar é uma ponte de diodos na entrada, com a fonte nos terminais ~ e a carga nos terminais + e −.

Em qualquer orientação da fonte, apenas um par de diodos conduz. O par muda quando a fonte é invertida, mas a corrente entra no terminal + da carga e retorna pelo terminal − nos dois casos.