Circuitos de protección contra polaridad inversa

Hoy os traigo varios circuitos, que os ayudarán a proteger vuestros proyectos contra la polaridad inversa. Esto te servirá para evitar que tu circuito sufra daños si en algún momento alguien conecta la fuente de alimentación al revés.

Primero empezaré por los más básicos basados en diodos, luego pasaré a los basados en relé, y por último usaré mosfets.

En mis explicaciones utilizaré el método clásico de circulación de la corriente, el cual es desde el polo positivo de la fuente al negativo. En el sentido real de la corriente por el contrario, la circulación de la corriente sería desde el polo negativo al polo positivo.

Protección de polaridad inversa usando un diodo

Este tipo de protección es la más simple y básica de todas, pero sólo la recomiendo para circuitos de baja tensión y corriente. En este circuito se colocará un diodo en polarización directa, lo cual hará que sólo conduzca cuando se conecte la polaridad correctamente.

Se recomienda el uso de diodos Schottky, ya que la caída de voltaje en estos es menor. Esto además hará que se genere menos calor en ellos.

Si conectamos la fuente de alimentación correctamente, la corriente circulará y nuestro circuito funcionará normalmente.

Si por el contrario conectamos la fuente de alimentación de forma incorrecta, el diodo bloqueará el paso de la corriente y por lo tanto protegerá nuestro circuito.

• Ventajas:
  • Circuito simple y barato
  • Los componentes no se dañan en caso de conectar la fuente inversamente
• Desventajas:
  • La caída de tensión en el diodo se disipa en forma de calor. Esto hace que a más corriente, mayor será la disipación

Protección usando un puente rectificador

En este segundo circuito de protección contra polaridad inversa, usaremos un puente rectificador. La diferencia con el anterior es que con dicho puente rectificaremos la corriente, por lo que nuestro circuito funcionará indiferentemente de cómo se conecte.

Al igual que la anterior, sólo se recomienda para circuitos de baja tensión y corriente, ya que la disipación de calor de los diodos es proporcional a la cantidad de corriente que los atraviese.

Al conectarlo como muestro en la imagen de arriba, el diodo D1 bloquea la corriente por estar en polarización inversa. Por ello, la corriente sigue el camino del D4 hasta nuestra carga. Una vez que sale de la carga, atraviesa por último el diodo D3 hasta llegar al polo negativo de la fuente.

Como puedes observar, a pesar de que la fuente está invertida la corriente también encuentra un camino correcto hacia nuestra carga. En esta ocasión, saldrá del polo positivo y atravesará D2, el cual estaría polarizado de forma directa. Tras atravesar el diodo llegaría a la carga, y luego saldría para atravesar el diodo D1 y llegar al polo negativo de nuestra fuente.

• Ventajas:
  • Circuito simple
  • Nuestro circuito funcionaría de forma independiente a cómo se conecte la fuente
  • Los componentes no se dañan en caso de conectar la fuente inversamente
• Desventajas:
  • La caída de tensión en los diodos se disipa en forma de calor. Esto hace que a más corriente, mayor será la disipación

Protección usando un diodo y fusible

Este tipo de protección contra polaridad inversa se basa en conectar un fusible entre nuestro circuito y la carga, y luego protegerlo con un diodo en paralelo con la fuente.

Al conectar la fuente con la polaridad correcta nuestro circuito funcionará normalmente.

Sin embargo, al conectarlo con la polarización invertida, el diodo entrará en polarización directa conduciendo toda la corriente a través de él.

Al suceder esto, la corriente atravesada por el fusible será más alta del máximo soportado, y se fundirá abriendo el circuito y protegiéndolo.

Este tipo de circuito es muy utilizado por su simpleza, pero personalmente no me parece de los mejores, ya que el diodo tiende a quemarse junto con el fusible. Esto provocará que además de cambiar el fusible, sea necesario cambiar el diodo. Además durante el breve instante que tarda el fusible en fundirse tu circuito estará polarizado inversamente, por lo que si es muy sensible posiblemente sufra las consecuencias.

Es por eso, que en este circuito se recomienda utilizar un diodo y un fusible de alta velocidad, para así minimizar el tiempo durante el cual el circuito está polarizado inversamente.

• Ventajas:
  • El circuito es simple y se puede utilizar en gran variedad de circuitos
• Desventajas:
  • El diodo tiende a quemarse con el fusible, por lo que será necesario remplazar ambos
  • Durante el instante que tarda el fusible en quemarse, tu circuito está polarizado inversamente.

Protección de polaridad inversa por diodo, SCR y fusible

En este método podrás observar que es un derivado del anterior, sólo que le hemos añadido un SRC al mismo. Este componente será el que entre en cortocircuito si conectamos la fuente de forma incorrecta, fundiendo el fusible.

La ventaja de este circuito es el SCR puede aguantar más corriente que el diodo, por lo que aguantará hasta que se funda el fusible.

Al igual que todos los demás, al conectar el circuito con la polaridad correcta funcionará sin problemas.

Sin embargo, al conectarlo con la polaridad inversa este circuito pasará por dos fases.

Como podemos observar, en la primera fase el diodo conducirá al estar en polaridad directa. Este diodo tendrá una resistencia limitadora para evitar que circule mucha corriente, lo cual evitará que se queme.. Además en esta fase la tensión de la puerta del Tiristor aumentará, lo que provocará que este se dispare.

En la segunda fase el Tiristor se habrá disparado y por lo tanto entrará en conducción, lo cual provocará un cortocircuito y hará que el fusible se funda.

• Ventajas:
  • El circuito es simple y se puede utilizar en gran variedad de circuitos
  • El Tiristor absorbe la corriente necesaria para quemar el fusible, por lo que el diodo no se quema
• Desventajas:
  • El tiempo que tarda en cortar la corriente es mayor al tener que conducir el diodo y luego el Tiristor. Durante ese instante el circuito estará polarizado inversamente

Protección de polaridad inversa usando un diodo y un relé

Este circuito es una variación del primero, en el que poníamos un diodo en polarización directa. La diferencia es que le añadiremos un relé para evitar la caída de tensión del diodo.

Evitando dicha caída conseguiremos que a nuestro circuito le llegue toda la tensión suministrada. Además el diodo no disipará tanto calor a tener que lidiar sólo con la carga del relé.

Cuando conectamos la fuente correctamente, el diodo deja circular la corriente al estar polarizado de forma directa. Esto activa el relé, el cual cierra los contactos y permite que la corriente circule hasta nuestra carga.

Si por el contrario, conectamos la fuente de alimentación de forma incorrecta, el diodo estará polarizado inversamente y no dejará pasar la corriente.

El diodo que está en paralelo con el relé no afecta al funcionamiento. Es para proteger el circuito de los picos de tensión que genera la bobina del relé.

• Ventajas:
  • No hay caída de tensión entre la fuente y la carga
  • La corriente soportada sólo está limitada por el relé usado, por lo que soporta corrientes mucho mayores
  • El diodo sólo tiene que soportar la carga del relé, por lo que no disipará tanto calor
  • El circuito en reposo está abierto, por lo que no hay conducción en ningún momento al conectarlo inversamente.
  • Los componentes no se dañan en caso de conectar la fuente inversamente
• Desventajas:
  • El relé es mecánico, por lo que sufre de desgaste
  • Para corrientes altas hay que usar un relé de alta calidad o se quemarán los contactos

Protección de polaridad inversa con Mosfet

Y terminamos con uno de los circuitos que más me gustan. Este circuito combina la necesidad del Mosfet de estar polarizado para conducir, junto con la baja resistencia del mismo en conducción.

Para este circuito usaremos un Transistor Mosfet de tipo P, aunque variando ligeramente el circuito podemos usar uno de tipo N. Conectaremos nuestra fuente a la patilla Drain, la carga a la patilla Source y la patilla Gate la conectaremos a masa. Para evitar daños al Mosfet en el caso de usar un voltaje superior al que tolera, usaremos un diodo zener junto con una resistencia limitadora.

Como se puede observar, al conectar la fuente de forma correcta el diodo interno del Mosfet comienza a conducir por estar polarizado directamente. Esto hace que el voltaje del Emisor aumente y por lo tanto la diferencia Base-Emisor. Cuando este voltaje alcanza el punto de saturación, el Mosfet comienza a conducir casi sin caída de voltaje.

En el caso de que la fuente se conecte de forma inversa, el voltaje Base-Emisor será igual a cero. Esto provocará que el Mosfet se mantenga en corte y por lo tanto no conduzca. También el diodo interno de este estará polarizado inversamente, por lo que tampoco dejará pasar la corriente.

Si nuestro circuito va a funcionar con un voltaje inferior al máximo soportado entre la base y el emisor de nuestro Mosfet, el diodo Zener pasará a ser opcional. Este componente sólo serviría para voltajes mayores, evitando que así se dañe el Mosfet.

Además, también podemos utilizar la variante de transistor de tipo N variando ligeramente el circuito. Este tipo de transistor tiene la ventaja de que suele tener una resistencia menor, pudiendo aguantar más corriente y teniendo una caída de tensión menor.

Una cosa importante al tener en cuenta es la resistencia del Mosfet en saturación (RdsOn). Cuanto menor sea esta resistencia, menor será la caída de voltaje en nuestro Mosfet. Es por eso que es importante mirarse la hoja de datos para encontrar uno con la mínima resistencia.

Por poner un ejemplo, vamos a comparar el muy extendido IRF540, con un WSR200N. El IRF540 dispone de una resistencia en saturación (RdsOn) de 44m, lo cual a 20A nos dará una caída de tensión de casi un voltio (0.88v). Por su parte, el WSR200N tiene una resistencia en saturación de tan sólo 3.5m, por lo que la caída de tensión con 20A será de 0.07v.

Además de la caída de tensión, también estaría la disipación. El IRF540 disiparía una potencia de 17.6W, siendo necesario poner disipador, frente a los 1.4W del WSR200N.

• Ventajas:
  • La caída de tensión entre la fuente y la carga es mínima
  • Baja disipación de calor
  • Soportan mucha corriente, disponiendo de Mosfets de 300A y más.
  • El circuito en reposo está abierto, por lo que no hay conducción en ningún momento al conectarlo inversamente.
  • Los componentes no se dañan en caso de conectar la fuente inversamente
• Desventajas:
  • Cuanta más corriente, más caída de tensión habrá y más disipación de calor
  • Requiere un voltaje mínimo para entrar en saturación. Por debajo de ese voltaje se comporta como una resistencia variable, generando más caída de tensión y calor.

Y bueno, hasta aquí mi entrada sobre protecciones contra polaridad inversa. Espero que os haya gustado, y como siempre, los comentarios son bienvenidos.