12V que matan
danielperez.webcindario.com  Ing. Daniel Pérez LW1ECP  danyperez1 { arrroba } yahoo.com.ar
 

Vas a poner circuitos en un auto? Sigue leyendo!

Alimentar electrónica con una fuente o batería de 12V en casa es una cosa. Alimentarlos desde la red de 12V en un vehículo es algo muy distinto. Si no se toman precauciones puede haber misteriosas muertes de semiconductores: por más que el multímetro mida 12, 13 o 14V hay picos breves de mucha más tensión, hasta más de 100V ambas polaridades. Pongo a continuación un compilado de respuestas que di en foros de Arduino y electrónica.



Para quienes no les interese cómo es que se producen esas extrañas tensiones o
los cálculos, puse al principio esta figura con recomendaciones. Nunca conecte directamente a la instalación del vehículo un semiconductor, ya sea un 555, un operacional, un regulador o un Arduino. El circuito propuesto supone un consumo máximo de 1A. Con esta corriente, y una tensión de entrada de 14V (batería cargando) el regulador disipa 4,5W, un disipador posible es una chapa de aluminio de 60x60x2mm. Muchos proyectos necesitan menos de 1A, entonces conviene aumentar proporcionalmente el valor del resistor, y bastará con un disipador menor. Hasta 100mA puede usarse el 78L05. En casos como los Arduinos, se puede usar el regulador incluído tras consultar las especificaciones del modelo de plaqueta, de cuánta corriente admite. Y si no lo dice, ir a la hoja de datos del regulador, ya lo veremos.

Ahora sí: los picos mencionados son producidos por conmutación de cosas que tengan inductancia. No sólo lo que tenga bobinas, hasta la inductancia de las conexiones puede ser dañina. Nos enseñaron que si pasa corriente por una inductancia y la interrumpimos, ésta intenta seguir circulando como sea, y la consecuencia es que se genera una sobretensión que teóricamente llegaría a infinito. Si eso pasa en un contacto, salta una chispa. Si a donde llega la sobretensión es un semiconductor, bueno, imagínese.

Y de cuánto son esos dichosos pulsos?
- Por inducción desde otros cables en el manojo puede aparecer picos de hasta 200V ambas polaridades, que duran hasta 1ms.
- Al apagar el motor, la caída del campo del alternador genera un pico de hasta -100V y 200ms.
- El peor de todos: load dump. Si por bornes sucios o mal apretados se desconecta la batería mientras estaba siendo cargada, aparece un pulso de hasta 125V, y que tarda hasta 400ms en bajar al 10%. Algunos alternadores incorporan un limitador.

Cómo me protege el circuito propuesto?
Los picos de hasta unos 100us son "planchados" por la red RC a la entrada. Si son más largos y el capacitor empieza a subir mucho su tensión, los recorta el zener.
Los negativos son los más fáciles de eliminar: el zéner conduce en directa. Si por culpa de los negativos la Vent del regulador cae por debajo de Vsal corre peligro el regulador; para evitarlo está ese diodo entre su entrada y salida, lo especifiqué de 3A para que tenga menos caída que las junturas internas del regulador, pero es mejor si es un Schottky. Otra posible causa de bajón en Vent es que se ponga en corto el capacitor, hay una pequeña probabilidad de que pase si es de tantalio.
El temible 
"vaciado de carga" (load dump) es demasiado largo para que lo pueda absorber el capacitor, es capaz de hacer pasar 28A por el zéner, o sea 420W momentáneamente. Lo ideal sería poner aquí un zéner especial para pulsos pesados llamado TVS (transient voltage suppressor) o un varistor, pero son menos fáciles de conseguir.
La idea es que al regulador no le lleguen tensiones peligrosas. Un 7805 aguanta hasta 35V. Un 78L05 hasta 30. El regulador de un Arduino Mega 2560 hasta 20V. Y ninguno aguanta tensión negativa.
 Un integrado regulador jamás se quema por temperatura o corriente porque tiene limitaciones internas, pero un pico de tensión pone en cortocircuito junturas en el acto, y con peligro de que toda la tensión de entrada quede pasando directamente a la salida.
El C de entrada también es necesario para que el regulador no genere oscilaciones de alta frecuencia.

Y si se muere el zéner?
Si se excede de temperatura de juntura es casi seguro que se pone en corto, o sea que lo peor que puede pasar es que el circuito deja de funcionar. La R serie recalentará mucho, mejor soldarla con las patas largas para que no queme la plaqueta. Pero para que las patas no se terminen quebrando con las vibraciones del auto habrá que inmovilizar su cuerpo fijándolo con silicona a alguna superficie fijada a la plaqueta, p. ej. el disipador del regulador. Pero tengamos en cuenta que una desconexión de batería con el motor andando es algo que tal vez no ocurra jamás en la vida del auto. Además hay alternadores que ya vienen con limitación de tensión.

Cómo se calcuó la R?
Un 7805, dando 1A, necesita que le llegue una tensión de por lo menos 2V más que la de salida, o sea 7V. Como estos 2V son "típicos", y además por tolerancias Vsal puede llegar a ser de 5,25V, adoptaremos 7,5V. El resistor será de (12V - 7,5V) / 1A = 4,5 ohm. En esta cuenta hemos usado 12V que es la tensión mínima de la batería.
Claro, 4,5 ohm no existe en el comercio, es el resultado de una cuenta. O
bviamente si el regulador va a tener que entregar menos de 1A, el R serie podrá ser proporcionalmente mayor: 4,7 ohm; 6,8; 10; 100; etc.
Y si no estoy seguro de cuánto es la corriente para hacer las cuentas, entonces pongo algo, digamos 10 ohm, y hago que el circuito consuma lo máximo posible, encendiendo todas las luces, relés o motores que pueda darse, y retoco la R para que en ese peor caso la tensión sobre el regulador no baje de 2,5V cuando la batería tiene mínima tensión (12V). Ojo que si hay rápidos pulsos de consumo el regulador puede quedarse momentáneamente sin la tensión que necesita sin que un multímetro se dé cuenta. En ese caso se debería monitorear con osciloscopio, o aumentar el C de entrada.

Hace falta ponerle disipador al regulador?
El R, además de ser parte del filtro/enclavador de picos, ayuda a bajar la disipación del regulador. Viene bien ponerlo aunque no se esté alimentando desde una instalación de auto. 
Lo hemos calculado para mínima tensión de batería. Pero para ver las disipación del regulador debemos pensar en la máxima, 14,4V cuando está cargando.
P del regulador = V * I =  (14,4V - 1A*4,5ohm - 5V) * 1A =  4,9W que se convierten en calor. Y hay que tener en cuenta que el interior del coche puede llegar a ser bastante caluroso. Si la disipación no alcanza, el regulador no se va a quemar, simplemente se apagará hasta que se enfríe lo suficiente.

Con esto estoy totalmente protegido?
Además de las cosas inductivas, hay otras salvajadas que pueden matar componentes:
- En lugares muy fríos hay quienes ponen 2 baterías en serie para hacer arrancar el motor. Y eso puede durar minutos. El zéner de 15V moriría seguro, salvo que la R elegida limite su disipación a 1W. También podría elegirse un zéner de 24V pero disipará más ante load dump.
- Y nunca falta el que instala la batería al revés... No hay problema, el zéner ya dijimos que conducirá en directa.
Estas dos situaciones harán recalentar la R, salvo que se agregue un fusible, con un valor nominal lo más cercano posible a la corriente máxima de diseño.
- Y aunque esto no sea un peligro, tener en cuenta que durante el arranque la instalación puede bajar a 6V. Probablemente haya que forzar un reset del circuito alimentado para evitar que quede en un estado impredecible.
Otra precaución: si las entradas del micro se conectan directamente con cables a sensores en el vehículo, también pueden recibir picos inducidos por cercanía a cables que llevan grandes corrientes que se conmutan. Para no abusar de las protecciones internas del micro, conviene poner resistores en serie con sus entradas, por ejemplo de 10k, no alterarán el funcionamiento ya que no pasa corriente por una entrada CMOS. Las salidas son menos frágiles, pero puede optarse por agregar un 1N4002 a masa y otro a Vdd. Todo esto también ayudará a proteger contra descargas electrostáticas.

Pero si necesito todos los 12V?
En el circuito visto, como necesitamos "desperdiciar" varios volts, el primer componente que pusimos para filtrar los picos es un simple resistor, que además de hacer caer tensión forma un pasabajos con el C. Pero si no nos podemos dar el lujo de desperdiciar, hay que usar un inductor con núcleo, y bobinado de baja resistencia. Así son las auto radios en que el integrado de salida necesita la máxima tensión posible para producir la máxima potencia. También puede ser que se necesite alimentar motores grandes, una unidad de CD/DVD, etc. Su cálculo excede el objetivo de esta nota. También puede prescindirse totalmente de R o L en serie, y depender de la resistencia del cableado, pero se debe usar un TVS o varistor muy aguantador.

Y si necesito 5V pero con más de 1A?
El 7805 simplemente NO te los dará porque tiene limitación interna en unos 1,5A (dependiendo de la temperatura y la diferencia de tensión entrada-salida), su tensión de salida se vendría abajo. Es necesario usar un regulador de más corriente, p. ej. el LM323 (ya sea el metálico o el plástico). También puede ser un LM350 con dos resistores de programación pero no podrás conectar eléctricamente su cuerpo a masa. Y con un generoso disipador. Pero más eficiente es usar un conversor CC-CC conmutado. Lógicamente, como su entrada se conectará a la red del auto sin la R protectora, habrá que leer qué especifica su fabricante en cuanto a aguante de picos y decidir.


=== lo que viene a continuación es un borrador desordenado todavía =================



Más información en web:

http://www.littelfuse.com/data/en/application_notes/an9312.pdf o bien googlear:
littelfuse_suppression_of_transients_in_an_automotive_environment_application_note.pdf

http://www.protekdevices.com/xyz/documents/kb/tech/ta1105.pdf  o bien:
http://www.electronicdesign.com/power/eliminate-those-automotive-load-dump-circuit-protection-headaches

http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8228-D.PDF

TDA2002: da 8W sobre 2 ohm con 14,4V. Pero especifican que aguanta 28V, o 40V durante 50ms,
 
 21 de mayo de 2017 19:48
En esta imagen vemos bien el peligro.

 


El Arduino con su regulador está representado por el R de 1k, desacoplado con un C de 100nF. Se alimenta desde los 12V. Pero los cables a los 12V y a masa tienen una longitud total de 2m, lo que les da una inductancia de aproximadamente 1uH. Y esos mismos cables están compartidos con un consumo "pesado" (el R de 1 ohm) que puede ser las luces. Cuando se enciende el consumo, la Vin del Arduino cae a 3V y luego se normaliza. Pero al apagarlo, hay un pico de 50V, seguido de otro de 8V negativos. Conozco alguien que quemó "misteriosamente" varios 555 una y otra vez, conectados sin ninguna precaución a la instalación del auto.

Ezequiel Pedace.
el problema con los circuitos para auto o moto es que vas a tener unos picos importantes en la alimentacion al regulador. Si lo pones asi nomas, por mas que soporte la potencia que va a disipar, se te va a terminar quemando despues de algunas horas de uso. Te recomiendo un varistor a la entrada o un tvs, ademas de capacitores de filtrado. Con eso no vas a tener problemas en general. Para calcular la potencia que va a disipar necesitas saber la tension de entrada (en este caso unos 13,7v) y la corriente que va a entregar, con eso ves si necesitas o no disipador (en general y salvo que consumas mas de 200ma con una vi>>vo no necesitas)


- Quién dijo que una batería de 12V tiene 12V?. Mientras está cargando cabe esperar que llegue a 14,4V (2,4V por celda). No creo que esto llegue a dañar al CD-ROM. Pero sí puede haber picos breves producidos por bruscas variaciones de consumo en la instalación eléctrica, y estos picos pueden ser de cientos de volts, en ambas polaridades. Cuántas alarmitas con un 555 alimentado así nomás habrán muerto por este motivo. Ni hablar de si la batería tiene un contacto flojo y el alternador intenta cargarla. No es una exageración: los fabricantes de autorradios prevén todos estos peligros. Lo que te aconsejo es: probar el circuito con el auto detenido (no cargando), y agregar un resistor de potencia de medio ohm entre la batería y el electrolítico de entrada (C3) e irlo aumentando de a medio ohm, hasta que bajo alguna condición (abrir o cerrar bandeja, saltar de track, etc.) se note que el CD-ROM empieza a fallar, entonces retrocedes al último valor con que anduvo bien. Con este resistor en serie, más el C3 a masa, tendrás un filtro para "planchar" esos picos peligrosos.

O sea, sería el máximo consumo propio del Arduino, esto lo debería mencionar su hoja de datos, pero además hay otras cosas conectadas a los 5V? O bien, lo que esté conectado a las salidas del Arduino (p. ej. las bases de transistores que muevan relés) también agregará una corriente importante?

More Information on the ISO7637-2 Pulses:
–Pulse 1 Interruption of inductive load – refers to disconnection of the power supply from an inductive load while the device under test
(DUT) is in parallel with the inductive load
–Pulse 2 Interruption of series inductive load – refers to the interruption of current and causes load switching
–Pulse 3 Switching spikes / 3a negative transient burst / 3b positive transient burst / Refers to the unwanted transients in the
switching events
–Pulse 4 Starter crank – refers battery voltage drop during motor start. This always happens in cold weather
–Pulse 5 Load dump – refers to the disconnection of the vehicle battery from the alternator while the battery is being charged.
• Pulse 5a and 5b are load dump transients. 5b clamp voltage Us* is defined by different car manufacturers
–Pulse 6 Ignition coil interruption
–Pulse 7 Alternator field decay
–Pulses 1, 2, 3a, 3b, 5, 6, 7 Related to high voltage transient getting into the supply line; Pulse 4 defines minimum battery voltage. Refer to Figure 3a and Table 1

Table 1: ISO7637-2 test levels on each pulse
• Pulse 2a simulates transients due to sudden interruption of currents in a device connected in parallel with the DUT due to the inductance of the wiring harness
• Pulse 2b simulates transients from DC motors acting as generators after the ignition is switched off
• The former levels I and II were deleted because they do not ensure sufficient immunity in road vehicles


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