¿Cuál es la forma recomendada de proteger un circuito contra sobretensiones no transitorias?

Estoy diseñando un controlador de iluminación portátil con batería de 12V, y con frecuencia me preguntan sobre cómo mejorar el tiempo de ejecución. La forma más simple es agregar una segunda batería en paralelo, pero a menudo me preocupa que los usuarios se equivoquen, conecten las baterías en serie y proporcionen 24V.

¿Cuál es la mejor / recomendada forma de proteger un dispositivo de una situación de sobretensión como esta (donde se aplica el doble de voltaje durante un período de tiempo que no consideraría transitorio)?

En este caso, el controlador no usa más de 100 mA ya que este en particular simplemente parpadea los LED en lugar de generar mucha corriente. Tiene un par de reguladores de voltaje que solo son capaces de manejar una entrada de hasta 15V.

He estado experimentando con diodos Zener y supresores de voltaje transitorio (TVS) pero con resultados mixtos. Prefiero que una situación de sobrevoltaje (como 24 V aplicado) dispare un disyuntor (fusible PTC) y proteja los reguladores de voltaje y los microcontroladores. Si alguien conecta el dispositivo a la red eléctrica (120V), ¡está solo!

Algo como esto debería funcionar:

Utilice un zener de 12 V, elija un mosfet con un umbral de compuerta bajo, preferiblemente Vth <3V, Vgs <12V y capaz de corriente instantánea alta.

Si un voltaje Vin supera los 12V, Vin - Vz aparecerá en la puerta del mosfet. Cuando este voltaje supera el umbral de voltaje, mosfet se enciende y corta la entrada al suelo mediante un fusible, el fusible se funde.

Pensándolo bien, se podría colocar una pequeña resistencia en el drenaje del mosfet para protegerlo de la sobrecorriente. El valor de la resistencia debe ser lo suficientemente alto como para que 24V / R <Imax para mosfet, pero lo suficientemente bajo como para que el fusible se queme 24V / R> Si se usa.

Puede usar PTC en lugar de fusible, pero estos tienden a ser más lentos, por lo que probablemente necesite un mosfet más robusto.

Pensé que, en un caso con PTC, podría haber una situación en la que Zener y Mosfet solo regulan una caída en PTC para que Zener conduzca solo un poco y Mosfet esté abierto solo un poco, mirando desde afuera podría unir el el circuito funciona bien, así que pensé que el LED de indicación de "conexión de batería defectuosa" podría ser útil:

Por otro lado, mosfet probablemente no sea la mejor solución en este caso, SCR sería mejor a medida que se traba.

Estás en el camino correcto. La única solución es aislar la carga de la sobretensión. Hay muchas formas de lograr eso, y un fusible (PTC de un solo uso o reiniciable) es un enfoque tradicional. El zener / TVS se asegura de que el circuito consuma suficiente corriente en presencia de sobretensión para disparar el fusible. También puede usar un SCR para controlar el suministro y disparar el fusible.

Los enfoques más sofisticados incluyen el uso de un transistor de alto voltaje para aislar activamente la carga del suministro. Esto puede proporcionar una respuesta más rápida, reduciendo el estrés en el resto de los componentes.