Como funciona a proteção crowbar (ART559)

Um dos circuitos de proteção que o leitor deve aprender como funciona, pela sua importância em muitos equipamentos industriais e de laboratório é o crowbar, ou "pé-de-cabra" pela sua analogia com a ferramenta em forma de alavanca. Forçando a queima de um fusivel de forma rápida ele corta a alimentação de uma carga antes que o excesso de corrente possa lhe causar danos. Veja neste artigo como funciona o circuito de proteção crowbar e como projetá-lo.

Um problema que pode ocorrer num equipamento com problemas, é que, quando a anormalidade de funcionamento se manifesta, a subida da intensidade da corrente até o ponto em que o fusivel queima é lenta. No intervalor que ocorre desde a manifestação do problema até o ponto em que o fusível queima podem ocorrer sérios danos no equipamento alimentado.

Para se evitar este problema, acelerando a queima do fusível quando o problema se manifesta existem os circuitos crowbar.

Conforme mostra o gráfico da figura 1, quando a anormalidade se manifesta, um circuito sensor acelera o crescimento da corrente no circuito, praticamente colocando-o em curto, de modo que o fusível queima rapidamente evitando maiores problemas para os componentes.

 

A ação do circuito crowbar reduz o tempo com excesso de corrente.
A ação do circuito crowbar reduz o tempo com excesso de corrente.

 

 

Podemos comparar o efeito deste circuito a uma alavanca ou "pé de cabra" que interrompe rapidamente o circuito em caso de excesso de corrente, mesmo que este excesso seja apenas um pouco maior que o limite previsto e que por isso faria com que o fusível não tivesse uma ação suficientemente rápida. O nome "crowbar" que em inglês designa a ferramenta que conhecemos como pé de cabra.

 

Como Funciona

O circuito crowbar básico consiste numa chave que é acionada por um circuito sensor de corrente conforme mostra a figura 2.

 

Princípio de funcionamento do circuito crowbar.
Princípio de funcionamento do circuito crowbar.

 

 

A chave é ligada de tal forma que ao ser acionada coloca em curto o circuito de modo a provocar a rápida queima do fusível.

Desta forma, o circuito sensor que aciona a chave pode ser programado para ter uma ação muito rápida quando a corrente no circuito ultrapassa um valor programado.

A chave tanto pode ser mecânica, como por exemplo os contactos de um relê, como de estado sólido como um SCR ou mesmo um Triac.

Como a ação de colocar em curto e provocar a queima do fusível é muito rápida até mesmo SCRs de correntes relativamente baixas podem ser usados na proteção de circuitos de correntes mais elevadas.

Os circuitos crowbar são úteis na proteção de máquinas industriais, fontes de alimentação, e diversos outros equipamentos que possam ser sensíveis a elevação da corrente.


Circuitos Práticos


1. Circuito com Tansistor

Na figura 3 temos um primeiro circuito crowbar simples que faz uso de um transistor e de um relê.

 

Crowbar com transistor e relé
Crowbar com transistor e relé

 

 

O resistor R é calculado para que, com a corrente programada, leve o transistor a condução e com isso o fechamento dos contactos do relê. Nestas condições, o relê coloca momentaneamente em curto o circuito que alimenta a carga provocando a queima do fusível F.

O relê deve ter uma bobina de acordo com a tensão de alimentação do circuito e uma bobina de até 100 mA para o transistor indicado. Os contactos do relê devem ser capazes de suportar a corrente elevada instantânea que vai circular pelo circuito na condição de curto-circuito.

R é calculado para provocar uma queda de tensão da ordem de 0,7 V com a corrente de disparo do sistema de proteção. A fórmula será:

 

R = 0,7/I

 

Onde: R é a resistência em ?

I é a corrente em amperes.

 

Por exemplo, para uma corrente de 2 amperes temos:

 

R = 0,7/2 = 0,35 ?

 

A dissipação será dada por:

 

P = R x I2

 

Para 2 ampères temos:

 

P = 0,35 x 2 x 2

 

P = 1,4 W

 

Na prática usamos um resistor com pelo menos o dobro desta capacidade de dissipação.

Observamos que os valores indicados não são exatos, pois os transistores na verdade começam a conduzir entre 0,6 e 0,7 V o que significa que o ideal é preajustar este circuito fazendo testes e escolhendo o melhor valor de R nas proximidades do valor calculado.

 

2. Circuito com SCR

Na figura 4 mostramos um outro circuito em que usamos um SCR para colocar diretamente em curto a linha de alimentação da carga.

 

Crowbar usando SCR
Crowbar usando SCR

 

Quando a corrente atinge o valor que provoca sobre R o aparecimento da tensão de disparo do SCR ele conduz colocando em curto a linha de alimentação e com isso provocando a queima rápida do fusível.

O valor do resistor R é calculado da mesma forma que no caso do transistor com a diferença de que em lugar dos 0,7 V da tensão de disparo, nos SCRs comuns ela pode variar entre 0,7 e 1,2 V conforme o tipo.

Também recomendamos eu, neste caso, o projetista faça antes os testes de determinação de valores para o SCR usado especificamente no seu caso.

O SCR deve ser capaz de suportar a tensão de alimentação do circuito na aplicação e ter uma corrente de pico maior do que a necessária à queima do fusível.

Veja que não será preciso montar o SCR num dissipador de calor, já que a corrente vai circular através dele por um intervalo muito pequeno de tempo.

 

3. Circuito com SCR e Relê

Podemos usar um SCR de corrente relativamente pequena para disparar um relê que tenha corrente de contactos mais elevadas num circuito de proteção crowbar.Na figura 5 mostramos como isso pode ser feito.

 

Crowbar com SCR e relé
Crowbar com SCR e relé

 

O resistor R deve ser calculado da mesma forma que nos casos anteriores.

Devemos ainda considerar que num SCR em condução ocorre uma queda de tensão no sentido direto da ordem de 2 V o que deve ser compensado na escolha do relê usado na aplicação, principalmente se ela for inferior a 12 V.

A bobina do relê usado pode ter correntes entre 50 mA e 500 mA.

 

4. Circuito Para Corrente Alternada

Na figura 6 temos um circuito de proteção usando SCR para operação numa rede de corrente alternada com tensões a partir de 12 V.

 

Crowbar para circuito de corrente alternada.
Crowbar para circuito de corrente alternada.

 

O resistor R é calculado da mesma forma que nos casos anteriores. Também devemos considerar que além dos 0,7 V a 1,2 V de disparo do SCR temos ainda que vencer a polarização direta do diodo 1N4004.

Deve ser somado ao valor entre 0,7 e 1,2 V mais 0,7 V da condução do diodo para o cálculo de R.

Tipicamente teremos:

 

R = 1,4/I

 

Onde: R é a resistencia em ?

I é a corrente desejada para o disparo em amperes

 

Dada a condução muito rápida do SCR ele não precisará ser dotado de radiador de calor.

 

5. Circuito com Desligamento Automático

O circuito mostrado na figura 7 tem a vantagem de desligar automaticamente a fonte de alimentação com a corrente programada e além disso fazer acender um LED de aviso.

 

Desligamento automático
Desligamento automático

 

Quando a corrente supera o valor programado por R o relê fecha seus contactos desligando a carga e assim permanecendo. Uma vez que o problema da carga seja sanado, basta pressionar S por um momento para que o circuito seja rearmado.

Em lugar do LED indicador podemos usar algum tipo de alarme sonoro.

O relê deve ter bobina de 50 mA a 500 mA e uma tensão de acordo com a alimentação. Deve ser compensada a queda de tensão de 2 V no SCR quando ele dispara.

A corrente dos contactos deve ser compatível com a carga controlada.

 

Conclusão:

Os circuitos de proteção Crowbar são extremamente eficientes em muitos tipos de aplicação podendo evitar sérios problemas de queimas de componente caros nos equipamentos.

A sua ação muito rápida evita que os problemas de um equipamento se agravem com a queima de componentes caros.