Diodo Zener + fusible de protección contra sobretensiones para LEDs con driver de corriente constante - ¿fusible rápido o lento?

Question

Estoy trabajando con un robot de 6 ejes (UR5) con una cámara inteligente montada en el extremo del brazo, y quiero añadir un anillo de luz a la lente de la cámara que alimentaré utilizando las salidas de las herramientas de la interfaz del robot. Las salidas de la herramienta pueden suministrar 12V o 24V, y el voltaje se elige programáticamente utilizando una pantalla táctil o script.

Los anillos de luz LED tienen un controlador de corriente constante que requiere 12-18V, por lo que existe la posibilidad de un error de programación enviando 24V que los dañaría. Quiero evitarlo añadiendo un mecanismo de protección de voltaje delante de la luz del anillo, de modo que si yo o cualquier otra persona por error establece las salidas a 24V en lugar de 12V la luz del anillo está protegida.

Por otro lado, también quiero que mi circuito sea muy pequeño, con el fusible encajado en un portafusibles en línea de la serie 150 de Littelfuse, catálogo nº 150274, y el diodo zener en esta pequeña placa de circuito impreso, que puedo colocar dentro de la caja con la electrónica existente: 5050 LED breakout PCB, producto ID 1762 de ADAFruit. Ya he localizado componentes que se ajustan a estos, así que no necesito ayuda con esa parte; sólo quería señalar mi requisito de diseño.

Soy un ingeniero mecánico, y no muy versado en electrónica, así que quiero asegurarme de que estoy haciendo esta protección de sobretensión correctamente antes de implementarla. A continuación se muestra un diagrama de lo que he llegado con después de una extensa investigación en Internet. Mi pregunta es específicamente sobre el fusible, pero si algo más se destaca que estoy haciendo mal, por favor siéntase libre de comentar y corregirme.

He basado mi circuito en esto: ( http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/Overvoltage-protection-circuit.php ) y he leído mucho sobre los diodos zener, los fusibles, el desbordamiento térmico en los LED, los controladores de corriente constante frente a los de tensión constante, etc. Aquí está:

Así es como lo entiendo: el diodo Zener evitará que lleguen más de 12V al circuito. Así que si se aplican 12V el Zener actúa como un circuito abierto. Si se aplican 24V, el Zener disipa 12V de eso y los LEDs siguen recibiendo 12V... ¿es así? ¿Y estoy en lo cierto al suponer que el Zener tomará la máxima corriente que pueda de la salida, haciendo que el fusible se funda? Eso es lo que espero. Quiero que el fusible se funda y avise al usuario del error de programación para que el Zener no se quede ahí y se caliente.

He elegido un diodo zener de 12Vz con una potencia de 5W.

No he podido encontrar un fusible rápido del tamaño que quiero (más de 300mA, menos de 600mA), pero el fusible de fusión lenta que especifiqué tardará 3-20s en saltar al 200% de la corriente nominal. ¿Es suficiente, o necesito un fusible rápido? He calculado 0,330Ax12V=3,96W a través del Zener si el circuito tiene 24V aplicados, lo que está dentro de su capacidad... ¿He hecho esto correctamente?

Si alguien me puede aclarar esto, sería genial, y como ya se ha dicho, si he cometido otros errores o he tomado un enfoque equivocado que me lo haga saber. ¡Muchas gracias!

Answer 1

La corriente que pasa por el zener vendrá determinada por la impedancia de la fuente de alimentación de 12/24 voltios y el cableado asociado. La mayoría de las fuentes tendrán una impedancia interna lo suficientemente baja como para que el diodo zener falle cuando conduzca.

Un fusible de fusión lenta no es aplicable en esta situación, ya que para cuando el fusible se funde, es probable que el daño se haya producido en los LEDs o en su suministro de corriente constante. Se requiere un fusible de acción rápida.

Tal vez quieras investigar una técnica llamada circuito de palanca. Éste utiliza un SCR que se dispara cuando se supera la tensión máxima. El SCR puede manejar una corriente considerable durante un periodo lo suficientemente largo como para fundir un fusible rápido. Estos se utilizan habitualmente en los circuitos de alimentación para proteger la carga en caso de que falle el mecanismo de regulación de la tensión en el suministro. El hecho de que su necesidad de corriente para el anillo de LEDs sea bastante pequeña lo convierte en un buen candidato para este tipo de circuito.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Si tienes el espacio, podrías simplemente añadir un regulador de voltaje por delante de tu anillo de LEDs. En caso de que alguien encienda la fuente de 24 voltios, el regulador la reducirá a 12 voltios.

Answer 2

¿Por qué no diseñas (o compras) un pequeño regulador de voltaje que alimente tu banco de LEDs? Entonces no hay problemas complejos como fusibles que se funden y notificaciones, etc. Piensa en lo simple. Diseña un pequeño y sencillo regulador buck que pueda suministrar (digamos) 12 voltios desde la opción de alimentación de 24 voltios.

Parece que esto estaría bien: -

Pero hay muchas otras opciones de Linear Technology y Texas Instruments.

si yo o alguien por error pone las salidas a 24V en lugar de 12V el anillo de luz está protegido

Con esta idea lo pones a 24 voltios y se regula a 12 voltios. Si ajustas la entrada a 12 voltios entonces los LEDs serán un poco más tenues porque el LT3970 no podrá suministrar 12 voltios desde una entrada de 12 voltios (será más bien 11,75 voltios según el gráfico de la página 6 de la hoja de datos). ¡Pero no se fundirá!

Por otra parte, también quiero que mi circuito sea muy pequeño, con el fusible fusible en un soporte de fusible en línea de la serie 150 de Littelfuse, catálogo # 150274, Y el diodo zener ajuste en este pequeño PCB, que puedo encajar dentro de la caja con la electrónica existente

Supongo que el circuito regulador será más pequeño.

Así que si se aplican 12V el Zener actúa como un circuito abierto

Por supuesto, si usted decide ir por la ruta del diodo zener y elegir uno de tolerancia del 5% (tan bueno como vienen) puede ser sólo la regulación a 11,4 voltios y esto puede volar el fusible en circunstancias normales. Mi consejo es que elijas un zener de 15 voltios para que no haya ninguna posibilidad de que se funda el fusible a 12 voltios.

Answer 3

No pienses demasiado en problemas que no existen. Usted tiene un controlador CC LED que es obviamente alguna forma de conversión Buck. Funciona a una corriente I(LED) fija predefinida (ajustada por algún control o un valor de resistencia), y fijada en 270 mA en tu caso. Al controlador no le importa cuál es el voltaje del LED, ya que establecerá crear un voltaje que suministre 270 mA.

Desde el punto de vista de la entrada, su controlador funciona con cualquier voltaje de 12-18 V, por lo que está claro que no está preparado para una entrada de 24 V. Usted está tomando un riesgo si su tensión de entrada es programable (como usted señala) .... pero me imagino que en realidad tiene una entrada fija para el resto de su CNC por lo que en realidad no programar las tensiones de alimentación.

Si alimentas el driver CC LED con 12 V entonces estás seguro aunque los 12 V sean un poco altos (estarías seguro hasta los 18 V obviamente).

Si quieres suministrar 24 V, entonces deberías conseguir un controlador de LED de CC que funcione a ese voltaje.

Tu idea del Zener es muy burda y puede ser efectiva. Ya que has elegido un Zener de 5 W entonces la corriente nominal máxima es de unos 0,4 A en conducción, probablemente tendrá una capacidad de impulso muchas veces ese valor durante un corto tiempo. Los zeners rara vez son exactamente de 12 V (especialmente los zeners de potencia) por lo que sugeriría que si quieres usar el circuito que has propuesto deberías usar un zener de 15-17 V.
Aquí está la hoja de datos de un 5 W 1N5349 dispositivo. Observe que la corriente de impulso es de unos 7,5 A durante 8,3 ms, lo cual es muchas veces la corriente nominal de su fusible, por lo que debería fundirlo rápidamente.

Si simplemente quieres hacer saltar el fusible cuando conectas inadvertidamente 24 V en lugar de 12 V, entonces el circuito que tienes funcionará (aunque sugiero un Zener de 15-18 V). La desventaja es que consumirá una corriente incontrolada (limitada sólo por el cableado) hasta que se funda el fusible. Tanto si usas un fusible lento como uno rápido, es posible que tu fuente de alimentación de 24 V se apague (es una detección electrónica de sobrecarga) antes de que se funda el fusible. Esto dependerá casi por completo del valor de los condensadores de salida de su fuente de alimentación. Esta pérdida de 24 V puede significar la pérdida de la integridad de la posición X, Y, Z en su CNC ... no es un buen resultado.

Creo que sería un resultado mucho mejor en general si usted obtuvo un controlador CC LED que funciona hasta 24 V, hay una plétora de estos disponibles en línea (un ejemplo aquí ).

Answer 4

dijiste...

"Los anillos de luz LED tienen un controlador de corriente constante (CC) que requiere 12-18V, por lo que existe la posibilidad de un error de programación enviando 24V que los dañaría".

El problema es la especificación del diseño de CC: ( y el diseño resultante)

Si no se utiliza ningún inductor y sólo PWM entonces es menos eficiente y la pérdida de calor aumenta con la caída de la tensión de entrada por lo que se limita la tensión máxima de entrada como se sugiere 18V en lugar de > 3x la tensión de salida común en las fuentes SMPS CC simples reguladas por Rs de sentido de corriente.

Así que el problema está en las especificaciones y el diseño del CC.

No pongas una tirita a un diseño pobre con una solución ineficiente como una pinza de potencia o un regulador lineal zener o LDO (low drop out) ineficiente.

Diseñarlo correctamente desde el principio con especificaciones inteligentes. y decir que DEBE funcionar de Vin de 12 a 28V

TI y muchos otros sitios tienen herramientas de diseño web DIY en su sitio o en las hojas de datos.

por ejemplo, de 11 LEDs (1W c/u) o 6 LEDs (3W c/u)

Estos son ejemplos de un SMPS que utiliza la fuente de CC de alta y el voltaje de refuerzo al diodo V+ (lado del ánodo) con una corriente fija para cualquier voltaje 12 o 24V +/- ?