Los protectores contra sobretensiones facilitan el cumplimiento de la norma MIL-STD-1275D

Un vehículo militar es un entorno duro para la electrónica, en el que la posibilidad de que se produzcan fluctuaciones de energía perjudiciales es alta. La norma MILSTD-1275D del Departamento de Defensa de EE.UU. define los requisitos de los aparatos electrónicos cuando se alimentan con una fuente de 28 V, para garantizar la supervivencia de los aparatos electrónicos sobre el terreno.

El cumplimiento de la norma MIL-STD-1275D puede conseguirse por la fuerza bruta, derivando los niveles de energía elevados a tierra mediante voluminosos componentes pasivos. Este método no garantiza la alimentación de los componentes electrónicos posteriores y puede requerir la sustitución de los componentes de protección dañados mientras hacen su trabajo. Una solución más convincente es utilizar protectores de sobretensión de alto voltaje, como el LTC4366 y el LT4363, que utilizan MOSFETs en serie para limitar la tensión de salida cuando se enfrentan a picos y sobretensiones de entrada.

Existe un diseño de descargador de sobretensiones de referencia para la norma MIL-STD-1275D en forma de circuito de demostración DC2150A-C de Linear Technology. Esta placa limita su tensión de salida a 44V cuando se enfrenta a tensiones de entrada de hasta 250V, al tiempo que proporciona 4A de corriente a la salida en todas las circunstancias, excepto en la prueba de ondulación de ±7V, donde la corriente disponible se reduce a 2,8A. En la mayoría de las circunstancias, cumplir la norma MIL-STD-1275D es tan sencillo como colocar este circuito delante de un dispositivo tolerante a 44 V. El informe de certificación está disponible en www.analog.com/dc2150a-c.

La norma MIL-STD-1275D define una serie de variaciones de la fuente de alimentación, desde el funcionamiento en estado estacionario hasta las perturbaciones de arranque, los picos, las sobretensiones y el rizado, y establece los requisitos para cada una de estas condiciones en tres "modos de funcionamiento" distintos:

• Modo de arranque: condiciones de arranque y lanzamiento.
• Modo normal: energía nominal y sin fallos de la batería.
• Sólo generador: una batería desconectada permite que el generador alimente directamente la electrónica.

En la tabla 1 se comparan los límites de la norma MIL-STD-1275D para el modo normal y el modo sólo generador. Este artículo se centra en el modo "sólo generador" porque es el más exigente.

En el modo sólo generador, la tensión de alimentación en estado estacionario está entre 23V y 33V. En el esquema simplificado de la Figura 1, el LT4363 con la resistencia de detección R_SENTIDO limita la corriente continua máxima a un mínimo de 4A/5A típicos. Esto protege el sistema de los fallos que se producen en la salida y evita que los fusibles se fundan en la entrada.

Un pico suele ser oscilante (timbre) y decae hasta la tensión de equilibrio en 1 ms. La envolvente del peor caso de pico MIL-STD-1275D se define en la Figura 2 (sólo para el modo generador).

En la Figura 1, la condición de pico de 250V es manejada por el MOSFET M1, cuya resistencia nominal es superior a 300V de drenaje a fuente. Durante el pico de -250V, el diodo D1 está en polarización inversa, bloqueando el pico y la salida de M2. (El supresor de sobretensiones LTC4366 soporta tensiones inversas y el pico de -250V sin protección adicional)

Las sobretensiones son transitorios que duran más de 1 ms. La figura 3 muestra las limitaciones para el modo de sólo generador. La prueba recomendada en la norma MIL-STD-1275D especifica que deben aplicarse a la entrada del sistema cinco impulsos de 100 V de 50 ms de duración con un tiempo de repetición de 1 s. La envolvente de la condición de sobretensión mostrada en la Figura 3 es más difícil de satisfacer, ya que no vuelve a los 40V durante una duración completa de 500ms. La solución mostrada satisface ambas condiciones.

Durante la sobrecarga de entrada, la fuente de M1 está regulada a 66V por el LTC4366, mientras que la fuente de M2 (y la salida) está regulada a 44V por el LT4363. En comparación con el uso de un solo MOSFET, esto reduce la potencia que hay que disipar en cada uno de los MOSFET y aumenta la potencia disponible en la salida.

La ondulación se refiere a las oscilaciones de 50 Hz a 200 kHz de la tensión de alimentación en torno a su tensión continua de estado estable. Según las especificaciones del generador, el rizado puede llegar a ser de ±7V respecto a la tensión continua en estado estacionario.

El diodo D1, junto con el condensador C1, forma un rectificador de CA que impide que los componentes de ondulación de alta frecuencia lleguen a la salida. Observa que los bordes ascendentes de la forma de onda de ondulación de entrada intentan tirar hacia arriba del condensador de salida, haciendo que el LT4363 limite momentáneamente la corriente a través de M2. Por esta razón, la corriente disponible para la carga de salida durante la condición de ondulación es de 2,8 A, menos que los 4 A disponibles durante el funcionamiento normal. Para más información sobre la condición de ondulación y las formas de mejorar el comportamiento de este circuito, consulta la revista de innovación analógica de Linear Technology, volumen 24, número 1, "High Voltage Surge Stoppers Ease MILSTD- 1275D Compliance by Replacing Bulky Passive Components"

Las variaciones de tensión causadas por el motor de arranque y la puesta en marcha se describen en el modo de arranque MIL-STD-1275D: la tensión de alimentación puede caer a 6 V antes de subir al menos a 16 V en un segundo y a la tensión continua de estado estable en 30 segundos. La solución presentada aquí suele funcionar con 6V como mínimo. Pero sólo está garantizado que funcione hasta 8V debido a las tolerancias de los componentes, la más importante de las cuales son las tensiones umbral especificadas vagamente por los fabricantes de MOSFET.

La norma MIL-STD-1275D hace referencia a otra norma, la MILSTD- 461, relativa a la compatibilidad electromagnética. Normalmente, se coloca un filtro EMI en la entrada de los sistemas que cumplen la norma MIL-STD- 1275D. Aunque los protectores de sobretensión no eliminan la necesidad de filtrado, su funcionamiento en modo lineal no introduce ningún ruido adicional.

Los productos de supresión de sobretensiones de Linear Technology simplifican el cumplimiento de la norma MIL-STD-1275D, ya que utilizan MOSFETs para bloquear las sobretensiones y los picos de entrada de alto voltaje, a la vez que proporcionan una alimentación ininterrumpida a los circuitos posteriores. Bloquear la tensión con componentes en serie evita que se fundan los fusibles y los daños que pueden producirse cuando los circuitos intentan desviar la alta energía a tierra con componentes pasivos voluminosos.