Caso práctico: Protección contra sobretensión

Nivel: Medio – Desconectar una carga crítica utilizando un contacto de relé normalmente cerrado cuando se excede un umbral de voltaje.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de protección contra sobretensión basado en hardware. Utiliza un diodo Zener para establecer un umbral de voltaje y un transistor de unión bipolar (BJT) para accionar un relé electromecánico, desconectando mecánicamente la energía cuando el voltaje se dispara a niveles peligrosos.

Esta topología es muy útil en escenarios del mundo real:
– Proteger microcontroladores sensibles de 5 V contra picos accidentales en la fuente de alimentación.
– Proteger sensores o instrumentos costosos en entornos automotrices donde ocurren picos del alternador.
– Asegurar que los dispositivos alimentados por batería o USB se desconecten mecánicamente durante un fallo del regulador del cargador.

Resultado esperado:
– Cuando el voltaje de entrada (v-in) está en el rango seguro (por ejemplo, 5.0 V), el BJT permanece apagado, el relé no recibe energía y el contacto normalmente cerrado (NC) suministra energía a la carga.
– Cuando v-in excede el umbral del Zener más la caída base-emisor del BJT (alrededor de 6.3 V), el Zener conduce.
– La corriente de base fluye, el interruptor BJT se enciende y la bobina del relé se energiza.
– El contacto NC del relé se abre, activando un evento v-load-disconnect que hace caer el voltaje de la carga a 0 V.
– Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que exploran umbrales de voltaje analógicos y conmutación electromecánica.

Materiales

V1: Fuente de CC variable (0-9 V), función: proporciona el voltaje de entrada del sistema (v-in)
D1: Diodo Zener de 5.6 V (ej. 1N4734 A), función: establece la referencia del umbral de sobretensión
R1: Resistencia de 1 kΩ, función: limitación de corriente de base para el BJT
R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down de base para asegurar que el BJT se apague limpiamente
Q1: Transistor NPN 2N3904, función: interruptor controlador del relé
D2: Diodo 1N4148 o 1N4007, función: protección flyback (diodo volante) para la bobina del relé
K1: Relé SPDT de 5 V, función: desconecta la carga utilizando su contacto normalmente cerrado (NC)
R_LOAD: Resistencia de 100 Ω, función: carga crítica simulada

Guía de conexionado

V1: el terminal positivo se conecta al nodo V_IN, el terminal negativo se conecta al nodo 0 (GND).
D1: el cátodo se conecta al nodo V_IN, el ánodo se conecta al nodo V_ZENER.
R1: se conecta entre el nodo V_ZENER y el nodo BASE.
R2: se conecta entre el nodo BASE y el nodo 0.
Q1: el colector se conecta al nodo COLLECTOR, la base se conecta al nodo BASE, el emisor se conecta al nodo 0.
K1_COIL: la bobina del relé se conecta entre el nodo V_IN y el nodo COLLECTOR.
D2: el cátodo se conecta al nodo V_IN, el ánodo se conecta al nodo COLLECTOR (conectado en antiparalelo a la bobina del relé).
K1_COM: el contacto común del relé se conecta al nodo V_IN.
K1_NC: el contacto normalmente cerrado del relé se conecta al nodo LOAD_PWR.
R_LOAD: se conecta entre el nodo LOAD_PWR y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Overvoltage Protection — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

POWER SOURCE:
[ V1: 0-9 V DC ] --(V_IN)--> System Power
[ V1: Negative ] ---------> GND

1. OVERVOLTAGE SENSING & CONTROL PATH:
V_IN --> [ D1: 5.6 V Zener ] --(V_ZENER)--> [ R1: 1 kΩ ] --(BASE)--> [ Q1:Base ]
                                                             |
                                                        [ R2: 10 kΩ ]
                                                             |
                                                            GND

2. RELAY COIL & DRIVER PATH:
V_IN --> [ K1_COIL || D2: Flyback(Rev) ] --(COLLECTOR)--> [ Q1:Collector ]
                       |                                        |
                (Magnetic Link)                            [ Q1:Emitter ]
                       |                                        |
                       v                                       GND

3. PROTECTED LOAD PATH:
V_IN --> [ K1_COM ] --(Normally Closed)--> [ K1_NC ] --(LOAD_PWR)--> [ R_LOAD: 100 Ω ] --> GND

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Ajusta la fuente de alimentación variable V1 a exactamente 5.0 V.
Mide v-in con respecto a tierra. Verifica que sea 5.0 V.
Mide el voltaje a través de la carga (de LOAD_PWR a 0). Debería indicar 5.0 V, lo que indica que el relé está desactivado y el contacto NC está cerrado.
Aumenta lentamente el voltaje de V1. Monitorea v-zener (el voltaje en el ánodo de D1). Permanecerá cerca de 0 V hasta que v-in cruce el umbral de ruptura de ~5.6 V del diodo Zener.
Sube V1 hasta 6.5 V. Observa que v-zener aumenta, impulsando corriente hacia la base de Q1.
Verifica el evento v-load-disconnect: escucha el clic del relé. Mide el voltaje en LOAD_PWR; debería caer instantáneamente a 0 V a medida que el contacto NC se abre, protegiendo con éxito la carga.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Overvoltage protection
.width out=256

* Input Voltage Source (Sweeps from 0V to normal 5V, then overvoltage 9V, then back)
V1 V_IN 0 PWL(0 0 1m 5 4m 5 5m 9 6m 9 7m 5 9m 5 10m 0)

* Zener Diode for threshold detection
D1 V_IN V_ZENER DZENER

* Base resistors for Q1
R1 V_ZENER BASE 1k
R2 BASE 0 10k

* Relay Driver Transistor
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N3904

* Relay Coil (Modeled as series inductor and resistor)
L_K1_COIL V_IN K1_COIL_INT 10m
R_K1_COIL K1_COIL_INT COLLECTOR 100

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Overvoltage protection
.width out=256

* Input Voltage Source (Sweeps from 0V to normal 5V, then overvoltage 9V, then back)
V1 V_IN 0 PWL(0 0 1m 5 4m 5 5m 9 6m 9 7m 5 9m 5 10m 0)

* Zener Diode for threshold detection
D1 V_IN V_ZENER DZENER

* Base resistors for Q1
R1 V_ZENER BASE 1k
R2 BASE 0 10k

* Relay Driver Transistor
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N3904

* Relay Coil (Modeled as series inductor and resistor)
L_K1_COIL V_IN K1_COIL_INT 10m
R_K1_COIL K1_COIL_INT COLLECTOR 100

* Flyback Diode
D2 V_IN COLLECTOR D4148

* Relay Normally Closed (NC) Contact
* Modeled as a voltage-controlled switch controlled by the coil voltage (V_IN - COLLECTOR)
* When Q1 is OFF, coil voltage is 0V -> Switch is CLOSED (roff = 0.1)
* When Q1 is ON, coil voltage is > 6V -> Switch is OPEN (ron = 100meg)
S1 V_IN LOAD_PWR V_IN COLLECTOR RelayNC

* Critical Load
R_LOAD LOAD_PWR 0 100

* Models
.model DZENER D(IS=1e-15 RS=10 N=1 BV=5.6 IBV=5m)
.model D4148 D(IS=1e-14 RS=0.1 N=1)
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=300 IKF=0.4 XTB=1.5 BR=4 CJC=4E-12 CJE=8E-12 RB=20 RC=0.1 RE=0.1 TR=250E-9 TF=350E-12 ITF=1 VTF=2 XTF=3)
.model RelayNC SW(vt=3 vh=0.5 ron=100meg roff=0.1)

* Simulation Directives
.print tran V(V_IN) V(LOAD_PWR) V(BASE) V(COLLECTOR) V(V_ZENER) I(L_K1_COIL)
.tran 10u 10m
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation sweeps the input voltage from 0V to 5V, then up to 9V (overvoltage), and back down. The ngspice results show that when V_IN reaches 9V, the Zener diode conducts, raising V(BASE) to ~1.07V, which turns on Q1. This energizes the relay coil (current reaches ~9mA), opening the NC contact and disconnecting the load (V(LOAD_PWR) drops or follows the switch logic).

Show raw data table (1788 rows)

Index   time            v(v_in)         v(load_pwr)     v(base)         v(collector)    v(v_zener)      l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.369907e-29	1.104363e-28	4.276684e-29	-1.10436e-30
1	1.000000e-07	5.000000e-04	4.995005e-04	2.124049e-05	1.169502e-04	2.124049e-05	3.826672e-09
2	1.128896e-07	5.644481e-04	5.638843e-04	2.436647e-05	1.341994e-04	2.436647e-05	4.380682e-09
3	1.386689e-07	6.933444e-04	6.926518e-04	3.144704e-05	1.734710e-04	3.144704e-05	5.604067e-09
4	1.902274e-07	9.511370e-04	9.501868e-04	5.084817e-05	2.848367e-04	5.084817e-05	8.658258e-09
5	2.933444e-07	1.466722e-03	1.465257e-03	1.084331e-04	6.633002e-04	1.084332e-04	1.622310e-08
6	4.910392e-07	2.455196e-03	2.452743e-03	2.404937e-04	1.923047e-03	2.404937e-04	2.937980e-08
7	6.875077e-07	3.437539e-03	3.434104e-03	3.216141e-04	3.548938e-03	3.216141e-04	3.345128e-08
8	9.631281e-07	4.815640e-03	4.810829e-03	2.723800e-04	5.450903e-03	2.723800e-04	2.308361e-08
9	1.154824e-06	5.774121e-03	5.768352e-03	1.710095e-04	6.210657e-03	1.710095e-04	1.277625e-08
10	1.305686e-06	6.528429e-03	6.521907e-03	1.116498e-04	6.566319e-03	1.116498e-04	9.181046e-09
11	1.495573e-06	7.477865e-03	7.470395e-03	1.085076e-04	7.080935e-03	1.085076e-04	1.256925e-08
12	1.736950e-06	8.684750e-03	8.676074e-03	1.904626e-04	8.232826e-03	1.904626e-04	2.277129e-08
13	2.001986e-06	1.000993e-02	9.999931e-03	2.728041e-04	1.002166e-02	2.728041e-04	2.853663e-08
14	2.256607e-06	1.128304e-02	1.127176e-02	2.568832e-04	1.166727e-02	2.568832e-04	2.342944e-08
15	2.500031e-06	1.250016e-02	1.248767e-02	1.808629e-04	1.277687e-02	1.808630e-04	1.533781e-08
16	2.702903e-06	1.351451e-02	1.350101e-02	1.375223e-04	1.345800e-02	1.375223e-04	1.307538e-08
17	2.944974e-06	1.472487e-02	1.471016e-02	1.562745e-04	1.440894e-02	1.562745e-04	1.754621e-08
18	3.189115e-06	1.594558e-02	1.592965e-02	2.174467e-04	1.574153e-02	2.174467e-04	2.384313e-08
19	3.483820e-06	1.741910e-02	1.740170e-02	2.492948e-04	1.756940e-02	2.492949e-04	2.456373e-08
20	3.789826e-06	1.894913e-02	1.893020e-02	2.050542e-04	1.918736e-02	2.050543e-04	1.855307e-08
21	4.028198e-06	2.014099e-02	2.012087e-02	1.627875e-04	2.016491e-02	1.627876e-04	1.538812e-08
22	4.364653e-06	2.182326e-02	2.180146e-02	1.717346e-04	2.161154e-02	1.717346e-04	1.849039e-08
23	4.749559e-06	2.374779e-02	2.372407e-02	2.249970e-04	2.370014e-02	2.249971e-04	2.340138e-08
... (1764 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

Omitir el diodo flyback (D2): No colocar un diodo a través de la bobina del relé resultará en un pico de voltaje inductivo masivo cuando el transistor se apague, destruyendo permanentemente el BJT. Incluye siempre el diodo en antiparalelo.
Instalar el diodo Zener al revés: Si el Zener se instala con polarización directa (ánodo a V_IN), actuará como un diodo estándar con una caída de 0.7 V. El relé se activará casi de inmediato. Asegúrate de que el cátodo apunte hacia la entrada positiva.
Conectar la carga al contacto NA (NO): Si accidentalmente conectas R_LOAD al terminal Normalmente Abierto (NA) en lugar del terminal NC, la carga solo recibirá energía durante un evento de sobretensión, lo que anula el propósito del circuito de protección.

Solución de problemas

Síntoma: El relé repiquetea rápidamente o zumba cuando el voltaje de entrada está justo en el umbral (por ejemplo, 6.2 V).
Causa: El circuito carece de histéresis. Un voltaje analógico de movimiento lento en el umbral exacto hace que el BJT se encienda parcialmente, poniendo al relé en un estado mecánico indefinido.
Solución: En una configuración práctica, los eventos de sobretensión suelen ser picos rápidos. Para voltajes de aumento lento, se requiere un disparador Schmitt (Schmitt trigger) o un circuito de enclavamiento para asegurar una transición limpia.
Síntoma: La carga nunca se enciende, ni siquiera a 5.0 V.
Causa: El relé podría estar atascado energizado, el BJT está en cortocircuito o la carga se conectó por error al contacto NA.
Solución: Verifica la continuidad de LOAD_PWR a V_IN mientras el circuito está sin energía. Reemplaza Q1 si marca un cortocircuito directo de colector a emisor.
Síntoma: El transistor se calienta excepcionalmente durante un evento de sobretensión.
Causa: El voltaje de entrada se elevó mucho más allá del umbral (por ejemplo, 12 V en un relé de 5 V), causando una corriente excesiva en la bobina a través del BJT.
Solución: No excedas los valores máximos absolutos de la bobina del relé y del transistor 2N3904. Si se esperan voltajes más altos, utiliza un transistor más robusto (como un TIP120) o un pre-regulador.

Posibles mejoras y extensiones

Añadir un indicador de falla: Conecta un LED rojo con una resistencia limitadora de corriente adecuada al contacto Normalmente Abierto (NA). Cuando se activa la sobretensión, la carga pierde energía y el LED rojo se ilumina instantáneamente para advertir al usuario.
Implementar un enclavamiento mecánico: Conecta un contacto secundario del relé (si usas un relé DPDT) o un SCR en el circuito base para que, una vez que un evento de sobretensión active el relé, permanezca bloqueado en el estado de «desconexión» hasta que el usuario presione manualmente un botón de reinicio, evitando ciclos repetidos de encendido y apagado.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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