¿Cómo evitar que se invierta la batería?

Mientras sea un sistema alimentado por batería, este problema siempre ha existido: se carga la batería por error, se invierten los polos positivo y negativo y se genera un evento de polaridad inversa. El sistema ha fallado temporalmente o está dañado de forma permanente.

Baterías personalizadas diseñadas para adaptarse al sistema, están equipadas para ayudar a minimizar las posibilidades de inserción incorrecta y polaridad inversa, pero son dispositivos probados y confiables listos para usar, como baterías AAA, AA, C y D, e incluso CR123, CR2 , y las baterías de botón de litio también son propensas a fallar.

En el pasado, los diseñadores usaban estructuras mecánicas para evitar el contacto eléctrico con los terminales de la batería (si la batería no estaba insertada correctamente). Pero las soluciones mecánicas están lejos de ser perfectas. Por lo general, requieren un mecanizado especial porque los contactos de resorte requieren tolerancias de componentes mecánicos bien controladas para garantizar un buen contacto cuando la batería está insertada correctamente, pero no insertada correctamente y no en contacto. Estas tolerancias estrechas pueden causar problemas de estabilidad a largo plazo porque los resortes y contactos que deben usarse pueden doblarse o fallar. Incluso el uso normal, las inserciones normales repetidas pueden causar fatiga de contacto y limitar la confiabilidad con el tiempo.

Pero a pesar de estas limitaciones, las soluciones mecánicas siempre han existido porque son la única solución práctica que los diseñadores pueden utilizar para evitar la instalación incorrecta de la batería. Las soluciones eléctricas diseñadas para prevenir eventos de polaridad inversa causados por baterías de fase inversa han sido controvertidas.

Debido a la caída de voltaje durante el funcionamiento normal, generalmente no es la opción utilizar un diodo en serie. Tampoco es una buena idea usar una configuración de conexión a tierra de diodo porque un evento de polaridad inversa puede hacer que la batería se descargue peligrosamente durante mucho tiempo y sobrecalentar el diodo.

Los MOSFET discretos requieren estructuras complejas y es posible que no estén optimizados o diseñados específicamente para evitar la polaridad inversa. Es posible que se pierdan las especificaciones críticas para evaluar el rendimiento durante eventos de polaridad inversa, y esto puede hacer que los diseñadores tengan que derivar estimaciones de las características de rendimiento en la hoja de datos y adivinar períodos de tiempo de trabajo seguros, lo cual es preocupante. Además, dependiendo de cómo se apliquen los MOSFET, pueden requerir un controlador u otra función costosa.

Los circuitos integrados multifunción a veces están equipados con circuitos que evitan la polaridad inversa, lo que generalmente agrega una complejidad significativa al circuito porque pueden operar en un entorno polarizado positivo y luego operar en modo de polaridad inversa o no. Por lo tanto, los circuitos integrados multifunción conllevan un enorme rendimiento y / o costes de costes. Las implementaciones típicas tienen una función de polarización inversa relativamente limitada (-2V o -6V) debido a las compensaciones de costo-rendimiento.

El dispositivo de protección de polaridad inversa dedicado es una forma eficaz de evitar la inserción errónea de la batería

Sin embargo, recientemente, la llegada de dispositivos de protección de polaridad inversa dedicados ha proporcionado a los diseñadores opciones eléctricas más viables. Los dispositivos dedicados, como los que ofrece Fairchild, representan uno de los métodos más rentables y sin rendimiento para evitar la polaridad inversa y son una excelente opción para los sistemas que funcionan con baterías.

Esta sencilla configuración proporciona una protección continua y fiable. El diseño requiere un espacio mínimo en la PCB, minimiza la pérdida de voltaje y responde rápida y eficientemente en condiciones de polarización inversa.

El costo total también es bueno. Los diodos Schottky de la serie son generalmente menos costosos que los dispositivos de protección de polaridad inversa dedicados, pero una vez que la corriente de operación comienza a aumentar, el costo total basado en el método Schottky comienza a aumentar. Para obtener compensaciones rentables, es probable que los dispositivos de protección de polaridad inversa dedicados sean el método electrónico más atractivo.

La gente seguirá cometiendo errores con la batería, pero es probable que cambie la forma en que los diseñadores pueden prevenir accidentes menores. Después de considerar la gama completa, los dispositivos de protección de polaridad inversa dedicados pueden reemplazar por completo las soluciones mecánicas complejas con el tiempo.

Causas de la formación de polaridad inversa y medidas que se pueden tomar

Nadie quiere que su sistema funcione mal, o incluso un incendio más grave. Sin embargo, esto puede suceder si se permite que se rompa la polaridad inversa.

La polaridad inversa es el resultado de una polarización inversa de estado estable o un transitorio negativo. Ésta es una condición eléctrica peligrosa que es difícil de prevenir una vez que se envía el sistema.

El riesgo de polaridad inversa es una amenaza real en una variedad de aplicaciones comunes, que incluyen electrónica móvil, sistemas alimentados por baterías, dispositivos conectados a fuentes de alimentación automotrices, juguetes alimentados por CC, productos con conectores de barril o cualquier calor que esté sujeto a voltaje negativo. en o dispositivos de CC transitorios inductivos. Los sistemas que admiten conectividad USB y / o carga USB son particularmente susceptibles.

Estas son algunas de las razones más comunes de polaridad inversa:

Utilice un cargador o una fuente de alimentación del mercado de accesorios

El mercado de cargadores de terceros está creciendo, pero no todos los cargadores están diseñados con protección de polaridad inversa. En algunos casos, el cargador tiene contactos eléctricos inversos o el usuario puede establecer la polaridad, lo que deja margen para errores.

Uso de la función de "conexión en caliente" de USB

La capacidad de conectar o desconectar fácilmente dispositivos móviles mientras el bus está encendido significa que las operaciones de "intercambio en caliente" están aumentando, al igual que la magnitud de los transitorios de conexión en caliente. Estos transitorios inductivos hacen que el bus cambie a una condición de polaridad inversa. Aunque el tiempo de estos cambios suele ser breve, la magnitud es grande. Se han medido oscilaciones de voltaje en los rieles superiores a ± 20 V durante la operación de "intercambio en caliente". Este transitorio puede tener un efecto en el dispositivo desconectado y otros dispositivos en el carril de voltaje. Este problema solo empeora cuando aumenta la corriente de carga.

Utilice una batería que no esté insertada correctamente

Un sistema alimentado por batería puede funcionar mal porque la batería no está insertada correctamente y sus terminales positivo y negativo están invertidos. Esto es especialmente cierto para las baterías de celda AAA, AA, C y D, o dispositivos con factores de forma convencionales, como CR123, CR2 o baterías de botón de litio. Si la batería se inserta correctamente, la solución mecánica evita el contacto eléctrico con los terminales de la batería, pero estas soluciones requieren un moldeado personalizado y pueden resistir la fatiga por contacto con el tiempo.

Uso de enchufes de pared en países en desarrollo

También hay lugares en el mundo donde la infraestructura de energía tiene menos requisitos de protección, por lo que la fuente de energía puede transmitir grandes voltajes transitorios a lo largo de la línea. El cableado interior empeora la situación. En el pasado, las lámparas incandescentes tradicionales ayudaban a absorber y suprimir la energía transitoria en la línea eléctrica, pero los nuevos tipos de productos como los LED y las CFL no tenían las mismas características de supresión. El trabajo de ahorro de energía mediante el cambio a LED y CFL puede crear problemas que nunca se han encontrado.

Inserte el dispositivo en la fuente de alimentación del automóvil (o avión, tren, etc.)

En muchos casos, los adaptadores de energía en la energía del tráfico incluyen protección de polaridad inversa, pero hay excepciones, especialmente en alternativas de bajo costo. Un usuario desprevenido simplemente insertando el dispositivo en el enchufe del encendedor del automóvil puede causar un evento de polaridad inversa porque no se da cuenta de que el enchufe del encendedor puede causar una falla en el dispositivo.

Dado que hay demasiadas formas de activar un evento de polaridad inversa, el diseñador debe hacer todo lo posible para evitar la polaridad inversa antes de que el sistema salga de fábrica para evitar daños.

Método de protección óptimo para polaridad inversa en sistemas de menos de 100 mA

Los sistemas de baja corriente (sistemas con corrientes de funcionamiento inferiores a 100 mA o 200 mA) cubren una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas de seguridad y alarmas contra incendios hasta sistemas para la automatización de edificios, megafonía y redes de datos.

Esto incluye muchos entornos de trabajo diferentes y los diseñadores no siempre pueden predecir dónde se utilizarán sus sistemas. Dependiendo de la situación, el sistema puede estar expuesto a malas condiciones eléctricas, como polarización inversa de estado estable o transitorios negativos, que pueden causar eventos de polaridad inversa y dañar el sistema.

El resultado puede ser tan simple como una falla eléctrica, pero si la situación es grave, podría provocar un incendio. Por lo tanto, no es raro que los diseñadores agreguen circuitos para evitar los efectos negativos de la polaridad inversa.

Hay varias formas de hacer esto, pero para aplicaciones de baja corriente, la eficiencia suele ser un problema menor. Siempre que el sistema pueda soportar el consumo de energía y la caída de voltaje de operación esté asociada con cada método, se pueden usar dos métodos simples de la serie PN o diodo Schottky para lograr el objetivo.

Diodo serie PN

Si el diseño acepta una caída en serie grande (± 1V), o puede haber un transitorio inverso de alto voltaje (> 200V), entonces usar un diodo PN en serie es una buena opción. La figura 2 proporciona un ejemplo de diseño. Esta es una solución simple y de bajo costo que proporciona un bloqueo rápido, funciones reiniciables y un alto voltaje de ruptura.

Este diodo consume la menor cantidad de energía y, por lo tanto, requiere menos disipadores de calor y es menos costoso. Siempre que el dispositivo no esté caliente durante el funcionamiento normal o posibles condiciones de falla, el sistema funcionará correctamente.

Aun así, la solución no es adecuada para todos los diseños. La ventaja de costes desaparecerá pronto a medida que aumente la corriente de funcionamiento. Además, a corrientes más altas, cuanto mayor es el consumo de energía, más caro es el diodo final requerido, requiriendo un paquete más conductor térmico y una estructura de disipador de calor.

Además, en sistemas de bajo voltaje ( ≤ 5 V), las caídas de diodos pueden requerir circuitos de refuerzo adicionales aguas abajo, lo que hace que los métodos que de otro modo se esperaría que tuvieran un bajo costo en realidad serían costosos.

Por lo tanto, asegúrese de tener esto en cuenta antes de utilizar el método de diodo PN.

Diodo Schottky serie

Un método similar pero más ampliamente utilizado es utilizar un diodo Schottky en serie en lugar de un diodo PN en serie. Esta caída de voltaje es un poco menor (± 0,6 V) y el diseño consume menos energía.

Las caídas de voltaje más bajas reducen los requisitos de gestión térmica asociados con los diodos PN tradicionales, lo que puede resultar en paquetes más pequeños y de menor costo.

Aún así, se debe tener cuidado porque la caída de presión aún puede ser demasiado alta para muchas aplicaciones. Además, aunque el rango de funcionamiento de los diodos Schottky es más amplio que el de los diodos PN de la serie, la mejor aplicación de este método sigue siendo el uso de corrientes por debajo de 200 mA y con voltajes más altos (> 5 V).

En conclusión

Independientemente del método que se utilice, se deben considerar los dos aspectos principales de la caída de voltaje y el consumo de energía. Suponiendo que ambos parámetros están dentro de límites aceptables, ambos métodos pueden proteger eficazmente los sistemas de baja corriente de los daños que pueden ser causados por eventos de polaridad inversa a un bajo costo. Si la caída de voltaje o la disipación de energía son un problema, considere una solución activa como el dispositivo FR de Fairchild.

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