Circuit de protection simple contre les surtensions utilisant la diode Zener

Comment créer un circuit de protection contre les surtensions à l'aide d'une diode Zener ?

Les circuits électriques et les composants qui sont utilisés de nos jours donnent beaucoup de préférence et de temps pour le rendre aussi sûr que possible. De nos jours, les alimentations électriques modernes sont très fiables, mais il y a toujours un risque de panne. Une alimentation électrique peut échouer de plusieurs façons, mais une possibilité particulièrement inquiétante est que l'élément régulateur série, c'est-à-dire le transistor ou le FET, puisse tomber en panne de telle manière qu'il devienne un court-circuit. Ce court-circuit des éléments fait apparaître une tension très importante sur les circuits qui sont alimentés, causant de terribles dommages à l'ensemble de l'équipement. Les dommages au composant et au circuit dans son ensemble peuvent être minimisés ou complètement éliminés en fournissant un circuit de protection sous la forme d'une protection contre les surtensions .

La protection contre les courts-circuits, la protection contre l'inversion de polarité et la protection contre les sur/sous-tensions sont quelques-uns des circuits de protection utilisés pour protéger tout appareil ou circuit électronique contre tout incident soudain. Généralement, un fusible ou un MCB est utilisé pour la protection contre les surtensions, mais dans ce projet, notre objectif est de créer un circuit qui peut fonctionner mieux qu'un fusible ou un MCB et surmonter les limitations des dispositifs de sécurité les plus primaires mentionnés ci-dessus.

La protection contre les surtensions est une caractéristique d'un système d'alimentation, qui traite d'une manière ou d'une autre la tension aux bornes du côté charge lorsque la tension d'entrée dépasse la valeur prédéfinie. Dans certaines situations où la tension d'entrée est plus élevée que prévu, nous utilisons toujours un circuit de protection contre les surtensions ou de protection du pied de biche. Le circuit de protection du pied-de-biche est l'un des circuits de protection contre les surtensions les plus utilisés.

Une alimentation électrique peut tomber en panne de plusieurs façons ; de même, il peut y avoir plusieurs façons de protéger un circuit contre les surtensions. Le moyen le plus simple consiste à connecter un fusible du côté de l'alimentation d'entrée. Mais l'inconvénient d'utiliser un fusible est qu'il s'agit d'une protection unique, car lorsque la tension dépasse la valeur prédéfinie, le fil du fusible brûle, provoquant l'ouverture du circuit. Ensuite, le seul moyen de remettre le circuit en marche est de remplacer le fusible par un nouveau et de refaire tout le circuit lié au fusible.

Les cas de panne d'alimentation sont normalement considérés comme lorsque l'alimentation cesse de fonctionner et qu'il n'y a pas de sortie. Cependant, il existe quelques rares cas de panne, où il y a un court-circuit et de très hautes tensions peuvent apparaître en sortie. Pour un régulateur linéaire, on peut prendre l'exemple d'un régulateur très simple à base de diode Zener. Nous pouvons créer un circuit plus sophistiqué pour obtenir de meilleurs résultats, ces circuits utilisent la même idée de faire passer le courant à travers le transistor.

• Article connexe :Calculateur de diode Zener et de régulateur de tension Zener

La principale différence est la manière dont la tension du régulateur est appliquée à la base du transistor. Typiquement, la tension côté entrée est telle que plusieurs volts chutent à travers l'élément régulateur série. Par conséquent, cela permet au transistor passe-série de réguler la tension de sortie de manière appropriée. Habituellement, un transistor comme celui-ci tomberait dans une condition de circuit ouvert, mais dans certaines circonstances, le transistor peut développer un court-circuit entre le collecteur et l'émetteur. Si cela se produit, la tension d'entrée non régulée complète apparaîtra sur la sortie.

Si la pleine tension apparaissait sur la sortie, cela pourrait endommager de nombreux circuits intégrés qui se trouvent dans le circuit et sont alimentés. Dans ce cas, le circuit pourrait être bien au-delà d'une réparation économique. Le fonctionnement des régulateurs à découpage est très différent, mais il existe des situations dans lesquelles la sortie complète peut apparaître sur la sortie de l'alimentation.

Nous pouvons réaliser un circuit de protection contre les surtensions à l'aide d'une diode Zener et transistor bipolaire en deux méthodes.

• Article connexe : Circuit clignotant 24 V

Circuit régulateur de tension Zener :

ce circuit utilise une diode Zener pour fournir une sortie régulée au côté charge, protégeant le circuit. Mais les connexions sont telles que le flux de puissance vers le côté charge n'est pas coupé même lorsque la tension dépasse les limites de sécurité. La sortie recevra toujours une tension qui dépend de la valeur nominale de la diode Zener.

Circuit de protection contre les surtensions utilisant la diode Zener :

cette méthode est plus simple, dans laquelle le circuit est conçu pour couper l'alimentation côté charge lorsque la tension dépasse les valeurs de consigne données.

Matériel requis

• Diode Zéner 1N4740A
• Transistor FMMT718 PNP
• Résistances :1 k, 2,2 k et 6 k
• Transistor NPN 2N2222

Article connexe : Sonnette automatique avec détection d'objets par Arduino

Diode Zener

La diode Zener est un type de diode qui permet au courant de la traverser dans les deux sens, contrairement à une diode normale qui ne permet au courant de circuler que dans un seul sens, de l'anode à la cathode. Ce flux de courant dans le sens opposé ne se produit que lorsque la tension aux bornes dépasse la tension de seuil appelée tension de Zener. Cette tension Zener est une caractéristique de l'appareil, qui régit l'effet Zener qui à son tour régit le fonctionnement de la diode.

Un schéma d'une diode Zener généralement utilisée dans les circuits est donné ci-dessous.

Les diodes Zener ont une jonction p-n hautement dopée, ce qui permet à l'appareil de fonctionner correctement même lorsqu'une tension inverse est appliquée à travers lui. Cependant, de nombreuses diodes Zener reposent plutôt sur une panne d'avalanche. Les deux types de claquage se produisent dans l'appareil, la seule différence étant que l'effet Zener est prédominant dans les tensions inférieures, tandis que le claquage par avalanche se produit à des tensions plus élevées. Ils sont utilisés pour générer des alimentations stabilisées de faible puissance. Ils sont également utilisés pour protéger les circuits contre les surtensions et les décharges électrostatiques.

• Article connexe :circuit convertisseur 12 V à 5 V

Transistor NPN 2N2222

2N2222 est un transistor NPN bipolaire très courant, principalement utilisé pour des applications générales d'amplification ou de commutation à faible puissance. 2N222 est conçu pour fonctionner modérément à grande vitesse. C'est un transistor très courant et est utilisé comme exemple d'un transistor NPN.

Le schéma de principe du transistor est donné ci-dessous.

Le brochage du transistor NPN 2N2222 est donné ci-dessous.

2N2222
1	Émetteur
2	Base
3	Collecteur, connecté au boîtier

En raison de son faible coût et de sa petite taille, c'est le transistor le plus couramment utilisé. L'une de ses principales caractéristiques est sa capacité à gérer les valeurs élevées de courants par rapport aux autres petits transistors similaires. Il est composé de silicium ou de germanium et dopé avec un matériau chargé positivement ou négativement. Lors de l'exécution d'applications d'amplification, il reçoit un signal analogique via des collecteurs et un autre signal est appliqué à sa base. Le signal analogique pourrait être le signal vocal ayant la fréquence analogique de presque 4kHz (voix humaine).

• Article connexe : Comment vérifier un transistor avec un multimètre (DMM+AVO) – NPN et PNP – 4 méthodes

Transistor PNP FMMT718

FMMT718 est un transistor PNP, par conséquent, le collecteur et l'émetteur seront fermés (polarisés en direct) lorsque la broche de base est maintenue à la terre et seront ouverts (polarisés en inverse) lorsqu'un signal est fourni à la broche de base. C'est là que le transistor PNP diffère d'un transistor NPN; une porte logique est utilisée pour basculer entre les tensions de signal de masse.

Un diagramme schématique du transistor PNP est donné ci-dessous.

Le brochage d'un FMMT718 est donné sous forme de tableau ci-dessous.

FMMT718
1	Collecteur	Le courant passe par le collecteur
2	Base	Contrôle la polarisation du transistor
3	Émetteur	Le courant s'écoule par l'émetteur

  Circuit régulateur de tension Zener

Il s'agit de l'une des deux configurations de circuits de protection contre les surtensions utilisant une diode Zener. Ce circuit protège non seulement le circuit côté charge, mais régule également la tension d'alimentation d'entrée pour maintenir une tension constante. Le schéma de circuit pour la protection contre les surtensions utilisant le circuit régulateur de tension Zener est donné ci-dessous.

La tension de seuil au-dessus de laquelle le circuit déconnecte l'alimentation côté charge est appelée la valeur de tension prédéfinie du circuit. La conception du circuit est telle que la valeur prédéfinie du circuit est la valeur nominale de la diode Zener. Ainsi, la valeur seuil au-dessus de laquelle le circuit ne conduit pas est d'environ 5,1 V.

La conduction du transistor Q1 dépend de la tension base-émetteur du transistor. Lorsque la tension de sortie du circuit commence à augmenter, cela augmente le Vbe du transistor et il conduit moins. Cela réduit à son tour la tension de sortie, maintenant la tension de sortie presque constante.

• Article connexe : Circuit de commutateur tactile simple utilisant une minuterie 555 et un transistor BC547

Schéma du circuit de protection contre les surtensions utilisant la diode Zener

Le schéma du circuit de protection contre les surtensions est donné ci-dessous.

Tout d'abord, nous considérons le fonctionnement du circuit lorsque l'alimentation fonctionne correctement. Dans un état de fonctionnement correct, la borne de base du transistor Q2 est haute, ce qui provoque la désactivation de ce transistor. Lorsque Q2 est désactivé, la borne de base du transistor Q1 est basse et il commence à conduire. De cette manière, la charge est connectée à l'alimentation lorsque la tension d'alimentation est inférieure à la tension de seuil définie.

Maintenant, lorsque la tension d'alimentation est supérieure à la valeur de seuil, une panne Zener se produit et la diode Zener D2 commence à conduire. Cela rend le terminal de base de Q2 qui était auparavant élevé au sol. Maintenant que la borne de base de Q2 est connectée à la masse, elle commence à conduire. La base du transistor Q1 qui est reliée à la sortie du Q2 est maintenant haute et elle cesse de conduire. Cela isole la charge de l'alimentation, la préservant de tout dommage potentiel qui aurait pu être causé par la surtension.

Le fonctionnement des circuits indiqués ci-dessus dépend également de la chute de tension de chaque transistor. Idéalement, il devrait être faible pour qu'un circuit corresponde à son homologue théorique. Pour maintenir la chute de tension du transistor au minimum, nous avons utilisé le transistor FMMT718 PNP qui a une très faible valeur de saturation collecteur-émetteur. Cette faible valeur de Vce permet de réduire la tension aux bornes des transistors.