¿Es posible hacer un detector de cortocircuito para una fuente de alimentación de batería?

Yo mismo tengo una comprensión básica de las cosas eléctricas, pero los semiconductores no son parte de eso. Mientras reflexionaba sobre algunas cosas no relacionadas, se me ocurrió esta pregunta:

Supongamos que quiero hacer un juguete constructor eléctrico para niños. Habría algunas lámparas, interruptores, relés, imanes, cables, etc. Y también habría una batería que alimenta todo (algo así como 9V o 3V, por lo que no existe peligro eléctrico).

Los niños, siendo niños, cometerán muchos errores al construir sus circuitos, y eso es bueno: aprenden. Pero los cortocircuitos pueden destruir las baterías con bastante rapidez y posiblemente incluso calentar algo lo suficiente como para causar un daño real. Sería bueno si eso pudiera evitarse, sin dejar de dar información de que hay un cortocircuito.

Entonces, ¿es posible hacer un "adaptador de batería" de este tipo, que:

  • Encienda un LED verde cuando un circuito esté conectado y funcione correctamente (hay cierta resistencia significativa en el circuito). Tenga en cuenta que esto debería afectar la corriente/voltaje del circuito lo menos posible.
  • Enciende un LED rojo cuando hay un cortocircuito (muy baja resistencia del circuito), al mismo tiempo que limita severamente la corriente que fluye a través del circuito (para que nada se destruya). Cuando se resuelva el cortocircuito, el LED debería apagarse y se eliminará el límite de corriente.

Para obtener puntos de bonificación, un LED amarillo podría encenderse cuando se encadenan dos fuentes de alimentación, duplicando el voltaje del circuito. Esto se puede usar en algunos experimentos educativos (como ver que una lámpara de repente se enciende con el doble de brillo), sin embargo, también acorta la vida útil de algunos elementos del circuito, por lo que debería haber una advertencia. Sin embargo, no sé si esto se puede detectar de manera confiable desde el propio adaptador (sin algunas comunicaciones extremadamente sofisticadas entre los adaptadores).

¿Es esto plausible? ¿Alguien puede mostrarme un esquema de tal dispositivo?

Respuestas (4)

El siguiente circuito utiliza un monitor de derivación de corriente económico (AD8210) y una serie de comparadores para cumplir con sus requisitos. Estoy usando una batería de 9 V separada para alimentar el circuito de prueba, de modo que incluso si la batería principal sufre un cortocircuito total, el circuito de prueba seguirá funcionando. Esto también permite que el circuito de prueba funcione con una batería principal que va de 3 V a 12 V sin necesidad de un convertidor reductor-elevador para generar los 5 V necesarios. En cambio, estoy usando un regulador de tipo 7805 económico en una caja TO-92, ya que el consumo de corriente es de solo unas pocas decenas de miliamperios cuando uno o más de los LED están encendidos, y microamperios en caso contrario.

ingrese la descripción de la imagen aquí

(Haga clic derecho y seleccione Ver imagen para ver una versión más grande de este esquema).

La resistencia de derivación R1 de 0,2 Ω pone una carga mínima en el circuito, reduciendo el voltaje de la batería solo 0,1 V con una carga de 500 mA. El chip de derivación de corriente IC3 mide el voltaje a través de la resistencia, lo amplifica con una ganancia de 20 y genera un voltaje proporcional a la corriente en el pin 5.

Por ejemplo, esa caída de 100 mV en la resistencia para la carga de 500 mA hace que el IC emita un voltaje de 2V. La proporción es de 20 voltios por voltio a través de la resistencia de derivación, o 20 V/V como indiqué en el diagrama.

Asimismo, una carga de solo 50 mA dará como resultado un voltaje de salida de 200 mV. Así que configuré el LED verde para que se encienda en este umbral, es decir, 50 mA, lo que indica alguna actividad. Si lo quiere más bajo que eso, por supuesto puede ajustar el valor de las resistencias R11/R12.

Todos los valores de referencia del comparador se establecen con divisores de voltaje, utilizando resistencias de alto valor para evitar cargar la batería.

El comparador para la condición de cortocircuito IC2B está configurado para que se dispare con una carga de 500 mA (2 V). Evidentemente esto no es un corto completo, pero representa mucha actualidad. Una vez más, puede ajustar las cosas según sea necesario. Con la resistencia de derivación de corriente, solo puede medir hasta 1,25 A con precisión. Si necesita dispararse con un valor superior a ese, querrá cambiar la resistencia de derivación a 0,1 Ω y ajustar todos los divisores de voltaje en consecuencia. Elegí 0,2 Ω para que hubiera suficiente voltaje para la medición de baja corriente del LED verde.

En lugar de encender el LED rojo directamente, la salida de IC2B establece el flip-flop IC5A. Esto, a su vez, apaga Q2, que a su vez apaga Q1, interrumpiendo el camino al circuito bajo carga para que la batería no se cortocircuite más, evitando posibles daños al circuito. El flip-flop, al configurarse, también enciende el LED rojo y apaga el LED verde. Para restaurar la energía de la batería al circuito, se debe presionar el botón RESET, reiniciando el flip-flop.

El comparador inferior es para el LED amarillo. Dependiendo de la resistencia utilizada para R8, se encenderá si el voltaje de la batería es superior a 3 V (el umbral es en realidad 3,5 V) con un valor de resistencia de 105 K o superior a 6 V (umbral de 6,5 V) con un valor de resistencia de 237 K. El circuito permite voltajes de batería entre 3 V y 12 V, ya que el voltaje de la batería se divide por 4 por el divisor de resistencia R4/R5 antes de compararlo.

Aunque no lo mostré, podría agregar un interruptor DPDT para encender y apagar ambas baterías al mismo tiempo.

Obviamente, esto podría hacerse con un microcontrolador, pero aún necesitará gran parte del circuito de E/S: la resistencia de derivación y el IC, dos MOSFET que controlan la potencia, tres LED (y probablemente tres MOSFET más para controlarlos), más las baterías y presionar el botón. Por lo tanto, no se guarda mucho (tres comparadores, una puerta NAND, un flip-flop y algunas resistencias y tapas). Creo que un circuito como este demuestra la solución mejor que mostrar un montón de código (si eso está incluido en la respuesta). Después de todo, este es un sitio de EE.

¡Wow gracias! me guardo esta foto! Aunque me muestra lo poco que entiendo de electrónica, varios de los símbolos son desconocidos para mí y no entiendo cómo los dos pequeños "subesquemas" en el lado derecho encajan con el resto del circuito. Sin embargo, esas son cosas que puedo encontrar en Google. Ahora al menos tengo un punto de partida. Y sé que esto se puede hacer. :)
@Vilx: los "esquemas secundarios" son simplemente las conexiones de alimentación y tierra para los IC 2, 5 y 6. (No hay IC 1 y 4 debido a revisiones en el circuito). Cada uno de estos IC tiene múltiples circuitos (el TLC339P, por ejemplo, es un comparador cuádruple), por lo que no pueden mostrar la potencia y la tierra en uno de los circuitos como lo hacen en la derivación IC3. He incluido tapas de derivación de 0,1 µF en cada uno de los pines de alimentación y tierra. Deben colocarse lo más cerca posible del IC.
Hmm... Podría escribir docenas de preguntas sobre este esquema, o podría usar Google para desentrañar lentamente los misterios. Preguntarle sería, por supuesto, más rápido. ¿Estás de acuerdo conmigo haciendo toneladas de preguntas de novato?
@Vilx- Hmm, no sé acerca de "toneladas", pero lo intentaré como pueda. En lugar de agregar muchos comentarios a esta respuesta, que no se ve bien aquí, podemos iniciar una sala de chat solo para este propósito. (No lo he hecho antes, pero parece sencillo).
OK, aquí está: chat.stackexchange.com/rooms/14585/vilx-olin-private-chat No estoy en mi computadora todo el tiempo, por lo que probablemente será un chat bastante descontinuado, pero funcionará. ¡Muchas gracias por su ayuda! :)

Mi primera reacción es hacer esto con más cuidado de lo que otros han sugerido, especialmente porque parece que pretendes que sea un producto real.

Estoy pensando en un módulo de fuente de alimentación en el que colocas un montón de baterías AA, que luego proporciona 5 V razonablemente regulados a través de un regulador reductor. Es posible que pueda encontrar un chip regulador estándar que también pueda limitar la corriente, pero yo haría esto con un microcontrolador ya que desea muchas otras funciones. El micro estaría manejando el interruptor reductor desde una salida PWM, y el firmware proporcionaría el control de voltaje de circuito cerrado. El firmware también estaría observando la corriente y limitando la corriente. Dado que sabe si está en modo de regulación de voltaje o de límite de corriente, es fácil que el firmware encienda un LED y emita un pitido durante la limitación de corriente.

El micro estaría midiendo regularmente el voltaje de la batería y proporcionaría una advertencia de batería baja. Probablemente tendría un LED verde tenuemente iluminado cuando la unidad está encendida, y parpadearía cuando las baterías estén bajas.

Una ventaja de usar un convertidor reductor es que en realidad no consumiría demasiada corriente de las baterías cuando la salida está en cortocircuito. Esta unidad sería bastante robusta, con poco que un niño pueda hacer para dañarla.

En cuanto a la detección de suministros múltiples encadenados, eso no es posible solo desde el interior de uno de los suministros.

Las posibilidades de que esto se convierta en un producto real son bastante remotas. :) En el mejor de los casos, será algo que haga para mis propios hijos. Un microcontrolador suena un poco excesivo (y caro). Aunque el indicador de batería baja es una buena idea. :) Aún así, ¿no es todo posible con un diagrama de cableado mucho más simple y algunas resistencias/transistores/diodos?
@Vilx: Si se pretende que esto sea único y no un producto, habría sido muy útil aclararlo desde el principio.
Oh lo siento. No se me pasó por la cabeza que la respuesta dependiera de eso. Aún así, incluso si fuera un producto comercial (poco probable, pero bueno, quién sabe...), ¿no sería mejor una solución más simple y económica? Todo un microcontrolador... que probablemente costará varias docenas de dólares, y también necesitará un montón de componentes electrónicos de apoyo, ¿no?
@Vilx: No. Tienes que mirar los precios de los microcontroladores. No he buscado explícitamente este requisito en particular, pero espero que puedas encontrar fácilmente un micro por menos de $2 que pueda hacer todo lo que mencioné. El inductor debería costar menos de $ 1, y las partes electrónicas restantes, además del interruptor, tal vez otros $.
Interesante. No esperaba eso. Los microcontroladores de los que he oído hablar son como Arduino y similares, que están en el rango de $40 y más. ¿Cuáles son las características/características/marcas/etc que debo buscar?
@vilx the Arduino es más una placa de desarrollo centrada en un gran ATMega328 y chips de soporte, dirigida a consumidores/aficionados. Puede obtener microcontroladores desnudos para esto en <$1 @ 1000+ unidades.
@Passerby: espero necesitar algún tipo de adaptador especial para programar el chip, ¿no? ¿Cuánto cuestan esos? Además, ¿qué tan fácil es encontrar herramientas y documentación para trabajar con dichos chips? Por $2 dudo que venga con un manual.
@Vilx: algunos son muy baratos y los fabricantes brindan toda la documentación de forma gratuita. Sin embargo, no es fácil diseñar un regulador de conmutación desde cero.
@Passerby: bueno, soy un programador de computadoras de oficio, por lo que la parte del software no representaría ningún problema (suponiendo que obtenga la documentación adecuada). Y he usado un soldador antes, así que puedo ensamblar cosas con bastante facilidad. La única parte que no sé hacer es crear un diagrama de cableado para todo. Como dije, los semiconductores siguen siendo una "caja negra" para mí. Sin embargo, si tuviera el diagrama, podría armarlo.
@Passerby: en realidad TENÍA un constructor eléctrico cuando era niño. Puedes ver algunas fotos aquí: spoki.tvnet.lv/paparazzi/Bernibas-spelmantina/566187 (no es mi página web). Funcionaba con una batería de 4,5 V y tenía interruptores, lámparas, imanes, cables, conectores y algunas otras cosas que probablemente no recuerdo. También un manual para armar unas 104 cosas diferentes. Más tarde, mi papá (un electricista) incluso trajo a casa algunos relés. TONELADAS de diversión (y también educativas). Vaya nostalgia. :)
@Passerby: hoy tengo mis propios hijos y me gustaría que también tuvieran un conjunto así. Pero parece que han pasado de moda. Hasta ahora, solo he encontrado 2 fabricantes diferentes que ofrecen algo similar, pero ambos son bastante caros y vienen con algunas limitaciones que mi equipo no tenía (no usan cables sino conectores duros, por lo que el diseño físico de las cosas limita lo que es posible). Por lo tanto, estoy pensando en hacer mi propio set. Hasta ahora es un sueño imposible, pero tal vez...
@Passerby: los microcontroladores programables en realidad se ven muy interesantes. Revisé un distribuidor local de productos electrónicos y SÍ tienen algunos muy baratos (a partir de alrededor de $ 5). Eso abre algunas posibilidades bastante interesantes, y no solo para la fuente de alimentación. :)

La solución más sencilla es un único led que se enciende cuando no hay cortocircuito y se apaga cuando lo hay. Para proporcionar la limitación de corriente, funcionaría un solo fusible múltiple o un PPTC reiniciable. A diferencia de un fusible regular que se quema y necesita reemplazo, un PPTC ve la corriente de cortocircuito y comienza a aumentar la resistencia. Retire el cortocircuito y comenzará a enfriarse y se restablecerá a su estado normal de baja resistencia. Simplemente califíquelo para la corriente típica de su equipo.

El dispositivo PPTC es interesante, no había oído hablar de él antes (y explica algunos comportamientos desconcertantes que he visto en algunos dispositivos eléctricos). Sin embargo, estoy un poco preocupado si funcionaría bien en un juguete para niños. Espero que se tropiece con bastante frecuencia, especialmente cuando el niño se familiariza por primera vez con el kit. La pregunta es: ¿qué tan rápido se reinicia? Si toma más de unos pocos segundos, puede quitarle mucha diversión al juguete. Además, Wikipedia dice que después de cada disparo su resistencia aumenta. ¿Cuántas veces antes de que se "desgaste" demasiado?
@Vilx- depende de la parte que elija. Una hoja de datos tendría esa información. Vea el gráfico de resistencia en este datasheet.octopart.com/… Y luego algunas pruebas para encontrar cuántos ciclos de disparo.

Todas las respuestas anteriores ciertamente funcionan y, muy interesante, cada una muestra un enfoque muy diferente a este problema.

Me gustaría sugerir otro que es

  • bastante sencillo,
  • basado en un circuito "clásico",
  • solo usando las partes más comunes: resistencias, transistores, leds y (¡para los puntos de bonificación!) un diodo zener.

Sin embargo, tenga en cuenta que nunca construí este circuito yo mismo , y dado que soy bastante nuevo en esto de la electrónica, es posible que lo haya entendido completamente mal.

Ahora comencemos con la carne del circuito:

El limitador de corriente

limitador de corriente

Para entender cómo funciona eso, primero recuerda 2 cosas sobre los transistores:

  • La corriente que sale del colector puede ser hasta 100 veces la corriente que sale de la base.

  • La corriente fluye desde la base siempre que la base esté polarizada aproximadamente 0.7v por debajo del emisor: la unión "Base-emisor" se comporta como cualquier diodo de silicio.

(Esto es para transistores PNP; para NPN simplemente reemplace "desde" con "hacia" y "abajo" con "arriba").

Limitador de corriente - carga baja

Siempre que la carga (entre Vout1 y Gnd1, que no se muestra aquí) no intente extraer más de 100 mA, R7 tiene menos de 680 mV en sus terminales, por lo que Q4 no está lo suficientemente polarizado : está bloqueando. Luego, R8 extrae corriente de la base Q3 y, por lo tanto, Q3 se enciende: el voltaje entre su colector y emisor es bajo y fluye tanta corriente como sea necesario a través de él.

Limitador de corriente - carga alta

Ahora, si la carga intenta extraer más de 100 mA, el voltaje a través de R7 es lo suficientemente alto como para sesgar Q4, por lo que el exceso de corriente fluiría desde la base Q4 en su lugar . Esto activa Q4 y eleva la base de Q3 para que la base de Q3 ya no esté sesgada*. Ahora Q3 entra en su régimen de "bloqueo", la caída de voltaje entre su colector y emisor aumenta y eso limita el voltaje a la carga.

*en este caso, la corriente a través de R8 proviene de Q4, no de Q3

En última instancia, este circuito ajusta el voltaje entre Vout y Gnd para que la carga no extraiga más corriente que lo que genera 0.7V a través de R7.

el circuito completo

Aquí está el circuito completo, con los leds:

Limitador de corriente - circuito completo

El led rojo: en caso de un cortocircuito, el voltaje aumentará en Q1 (de casi nada a casi el voltaje de suministro) por lo que se encenderá el led rojo. De lo contrario, el voltaje en Q1 será mucho menor que el voltaje directo del LED (alrededor de 2 V): el LED estará apagado.

El led verde: Este estará siempre encendido. Es posible hacer que se dispare en caso de un cortocircuito, pero esto agregaría 2 transistores y no creo que sea útil

El led amarillo: Este se encenderá tan pronto como el voltaje de suministro esté por encima del voltaje Zener más el voltaje directo del led (yo diría, alrededor de 2.5V).

Nuevamente, no estoy 100% seguro de que esto funcione, ¡así que agradecería cualquier comentario sobre este tema!

Es probable que el OP quiera que el umbral "corto" sea un poco más alto que 100 ma (para hacer funcionar motores, etc.) ¿El único cambio necesario para establecer un umbral diferente es el valor de R1? Se supone que el LED verde solo se enciende si hay alguna carga (no especificada) en la salida (el OP dijo "hay una resistencia significativa en el circuito"). Además, ¿podría adaptarse su circuito para que funcione con un voltaje de batería de 3v? (el OP sugiere usar un voltaje tan bajo). En ese caso la tensión de alimentación "doble" (para el umbral del LED amarillo) sería de 6v.
Sí, cambiar R1 cambiaría la corriente máxima. Para 1 amperio, R1 debe ser 0,7 V/1 A = 0,7 ohmios.
Para una operación de voltaje más bajo, esto también funcionaría; simplemente disminuya los valores de las resistencias en consecuencia para que dejen pasar suficiente corriente. 4.5V debería funcionar perfectamente de esta manera. Sin embargo, 3v está muy cerca de los voltajes directos de los LED, por lo que las resistencias en serie tendrían que reducirse a casi nada; el circuito se vuelve muy sensible al voltaje de la batería. Creo que 3v es un límite inferior práctico por este motivo (tenga en cuenta que este problema aparecería con la mayoría de los circuitos de todos modos). Además, para la operación de 3v, reemplace el Zener con otro LED amarillo (o un Zener de bajo voltaje, pero estos tienen bastante fugas)
Definitivamente es posible que el LED verde solo se encienda por encima de una corriente determinada, pero probablemente implicaría un amplificador operacional, lo que haría que este circuito fuera más complejo y con partes menos comunes. O tal vez use 2 transistores y resistencias más (par de cola larga); en este punto, las otras respuestas (la que tiene microcontrolador o la que tiene amplificador y comparadores) ofrecen mucha más precisión y flexibilidad.
¿Es posible hacer un detector de cortocircuito para una fuente de alimentación de batería?
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