NIS5112: Fusible Electrónico Programable

por Mario 26 febrero, 2011, 4:33 pm 36 Comments

En todo diseño electrónico, los sistemas de protección poseen un papel muy importante. Los accidentes e imprevistos son habituales en equipos industriales o en aquellos que son operados por muchas personas. Un cortocircuito o una sobrecarga no deseada (ni esperada) pueden destruir un sistema de alimentación y, en el peor de los casos, puede ocasionar graves accidentes. El circuito integrado NIS5112 es un fusible electrónico (electronic fuse) ideal para aplicaciones en automóviles y para toda aquella utilidad que necesite una alimentación de 12Volts. A pesar de tener un encapsulado SOIC8, la tecnología SENSEFET le permite al NIS5112 trabajar con corrientes de hasta 5A. en desarrollos donde el espacio, la confiabilidad y el costo reducido son muy importantes.

La aplicación y el desarrollo de sistemas de protección en equipos electrónicos no son tan sencillos como la gente puede creer. Casi a diario suceden problemas de funcionamiento en productos domésticos (TV, DVD Player, Videogames, etc) y las personas siempre están convencidas de que es un fusible lo que se ha roto o “algún cablecito suelto” que anda por allí. El clásico fusible que viene encapsulado en una ampolla de vidrio con dos casquetes metálicos que le sirven de conexión se rompe en ocasiones muy puntales y poco frecuentes. Es necesario que dentro del equipo exista un cortocircuito muy importante para que el fusible se deteriore y proteja así el circuito de alimentación; de lo contrario, se rompen muchas cosas dentro de cualquier aparato antes de que se destruya un fusible. Podríamos agregar, además, que las fallas que se provocan en el interior del equipo rompen componentes. Y cuando se llega al punto de una destrucción masiva donde los cortocircuitos son graves, hace su ingreso a escena el fusible salvador para que el equipo no se prenda fuego ni explote (porque la rotura ya se produjo). Es decir, el fusible clásico, en la mayoría de los casos, brinda una protección limitada. La verdadera acción preventiva la realizan los circuitos inteligentes que todo equipo elaborado posee y, por supuesto, aquellos que podrás diseñar a partir del uso del NIS5112.

El NIS5112 es un circuito integrado de ON Semiconductor que se comercializa en un encapsulado SOIC8. Las características destacadas de este componente son muchas y las intentaremos describir en el texto de este artículo junto a los videos que lo acompañan. Entre esas cualidades, la primera es la posibilidad que te brinda el NIS5112 de ajustar la corriente de trabajo o de acción y protección mediante una simple resistencia de poca potencia de disipación y de un preset (resistor ajustable). En el circuito mostrado arriba, que se encuentra en las hojas de datos del componente, puedes observar la resistencia de 56 Ohms que el fabricante ofrece como referencia de demostración en el circuito planteado. En función del valor que adopte esta resistencia, se obtendrá la corriente de trabajo o de acción del fusible electrónico. En las hojas de datos no se encuentran fórmulas ni cálculos para determinar el valor apropiado (de la resistencia) en función de la corriente de trabajo (de protección) que se quiera adoptar. Sólo se encuentra una gráfica (Fig.2, Pág. 4) donde se muestran dos curvas específicas. Una, “Ilimit_SS”, indica la corriente de acción del fusible en función de la resistencia limitadora o de “sensado”. La otra, “Ilimit_OL”, indica la corriente de sobrecarga a la que actuará el fusible.

La comprensión de este gráfico nos permitirá acceder a todas las posibilidades que nos brinda el NIS5112. Ilimit_OL es la curva que representa la corriente a la cual el circuito detectará un sobre-consumo excesivo y actuará en consecuencia. Esto es, un valor comprendido entre 3,5A y 5,5A, en función de la resistencia limitadora. Es decir, por lo que muestra el gráfico, con una resistencia limitadora de 75 Ohms el fusible actuará a los 4 Amperes desconectando la alimentación a la carga. Esta desconexión (como se aprecia en el segundo video) puede ser temporal o permanente. Es decir, si el lapso de tiempo en que se produce el inconveniente es de duración breve, el fusible se repone de manera automática. Por el contrario, si nos encontramos ante un problema prolongado en el tiempo, el fusible cortará la alimentación a la carga de manera permanente y solo podremos restablecer la alimentación desconectando el circuito y volviendo a conectarlo (el clásico “apagar y volver a encender”).

Por otro lado, la curva Ilimit_SS nos ofrece información sobre cuál será la corriente de arranque (de inicio) que podremos obtener en función de la resistencia limitadora. Es decir, de acuerdo al valor que le asignemos a la resistencia limitadora, el fusible permitirá alimentar al circuito o impedirá esta acción por encontrar una carga (consumo al momento de la conexión) fuera de los valores ajustados al inicio del diseño. Al igual que en la curva anterior, podemos deducir entonces que: con una resistencia limitadora de 330 Ohms, el NIS5112 sólo permitirá alimentar circuitos que consuman 500mA de manera aproximada. Si la corriente inicial supera este valor, el fusible electrónico no permitirá el paso de la alimentación proveniente desde la fuente conectada a la red o desde una batería. De este modo, se deben razonar las curvas para comprender el funcionamiento del NIS5112 y poder sacar el máximo provecho de él. Veamos ahora cómo se comporta ante un cortocircuito directo.

Continuando con la descripción de las características del NIS5112, nos encontramos con la posibilidad de trabajar con tensiones comprendidas entre 9 y 18 Volts para una operación apropiada, con valores transitorios (en picos de tensión) de hasta 25Volts (1mS). La tensión máxima que el fusible entregará al circuito con el que trabajará será de 15Volts. Y todas las excursiones por sobre este valor serán “recortadas” a ese nivel. Esta propiedad lo hace ideal para aplicaciones automotrices, donde la alimentación de 12Volts sea un común denominador entre los circuitos operativos. Por otro lado, la corriente máxima nominal que el NIS5112 permitirá drenar sobre un circuito será de 5,3A, según su hoja de datos, y los picos transitorios podrán alcanzar valores de hasta 25A. El siguiente circuito es el que te mostramos en el video, con la diferencia de que en nuestro caso, por trabajar con entrada de tensión desde una batería de 12Volts, no incluimos a C4 y C3 en el montaje. Además, el tipo de carga con la que hicimos el ensayo no ameritaba la inclusión necesaria de estos capacitores. Siempre aconsejamos colocarlos; por lo tanto, no debes dejar de instalarlos donde indica el esquemático.

Gracias a la tecnología SENSEFET, se puede contar con un transistor MOSFET de potencia con protección por temperatura que, en ese aspecto, tiene la capacidad de protegerse a sí mismo. Dotado con una resistencia de conducción muy baja (30 miliOhms), este transistor le brinda al NIS5112 la ventaja de interrumpir su funcionamiento cuando la temperatura ha cruzado un límite de riesgo. En el segundo video puedes observar una secuencia donde se plantea esta situación. Cuando la resistencia de carga pone al fusible al límite de su ajuste de corriente, la temperatura comienza a aumentar, el MOSFET comienza a disminuir su rendimiento, los LEDs encienden menos, y la temperatura alcanza en pocos instantes el nivel suficiente como para que el NIS5112 active su sistema de auto- protección. Esta temperatura máxima es de 135°C. Y sólo si baja 40°C, el circuito integrado volverá a estar operativo para continuar con su trabajo. Es decir, si la situación del circuito no cambia, el dispositivo estará auto-protegiéndose de manera indefinida hasta que nos demos cuenta de que una situación de sobrecarga está ocurriendo en el circuito al momento de energizar la carga útil que deseamos alimentar. Observa el video, en especial cuando los LEDs intentan encender y terminan apagándose.

Por último, encontramos el pin Enable/Timer que hace que el NIS5112 se comporte como una verdadera llave de encendido. Con un estado lógico alto, nos asegura la habilitación del circuito integrado. Y con un estado lógico bajo, deshabilita su funcionamiento colocándolo como una llave abierta. En el caso de que no se le aplique algún tipo de estado lógico y se coloque allí un capacitor, se obtendrá un retardo de tiempo hasta activar la salida de tensión. Este retardo estará asociado al valor del capacitor allí conectado. Es decir, si todas las virtudes que destacamos hasta aquí del NIS5112 te parecieron pocas, también puedes utilizarlo como llave de encendido para activar (o no) sub-sistemas que trabajen con 12Volts. Y hasta puedes programar un pequeño retardo de activación. El pin dV/dt (asociado en el funcionamiento al pin Enable/Timer) lleva conectado un capacitor que determina la velocidad en que el SENSEFET pasa a un estado de conducción plena. Observa en las hojas de datos que esto está expresado como una pendiente de subida ante el impulso escalón de entrada de tensión. El capacitor colocado en este pin determina la velocidad de crecimiento de esta rampa.

Realizar desarrollos de circuitos cuidados, bien estudiados y optimizados constituye la idea general y básica de todo buen diseñador. Esta búsqueda de los detalles que “marquen la diferencia” implica la inclusión de un apropiado sistema de protección ante desperfectos que puedan sacar de operación a toda una línea de producción o a toda una sección de instrumentación de una planta fabril. Los perjuicios provocados por un diseño que falla en el momento menos esperado pueden ser evitados con protecciones adecuadas. NIS5112 es un circuito integrado diseñado para este propósito. Y las ventajas que ofrece son, además de importantes, vitales para cuidar y mantener bajo protección todo tipo de circuitos. Un fusible electrónico que puedes programar en su capacidad de corriente y que puedes utilizar como llave interruptora es el corazón de este circuito integrado y lo transforma en un elemento muy preciado dentro de cualquier desarrollo.

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