Protezione coordinata per alimentatori, relè, solenoidi e controllori

PROTEZIONE –

La protezione coordinata da sovratensione e sovracorrente dei circuiti può aiutare i progettisti a ridurre il numero di componenti, fornire un prodotto sicuro e affidabile, soddisfare le normative internazionali e ridurre i costi di riparazione e garanzia.

Alimentatori, relè, solenoidi e motori utilizzati in apparecchiature automatizzate possono trarre beneficio da un approccio coordinato per la protezione dei circuiti che aiuti a prevenire i danni causati da un'eccessiva corrente durante un guasto o condizioni di sovraccarico, così come dai picchi di tensione o dall'esposizione a condizioni di sovratensione in stato stazionario. Proteggere un circuito elettrico dai danni dovuti da un'eccessiva corrente o dal calore è la funzione primaria di molte tecnologie per la protezione dei circuiti. In passato tale protezione era fornita da fusibili o da collegamenti di fusibili. In molte delle applicazioni odierne i dispositivi ripristinabili Pptc (Polymeric Positive Temperature Coefficient) sono la soluzione preferita in quanto migliorano l'affidabilità dell'apparecchiatura, riducono il numero dei componenti e facilitano la soddisfazione dei requisiti di sicurezza.

Protezione degli alimentatori
Gli alimentatori switch-mode offrono vantaggi di dimensioni, peso e risparmio energetico e continuano a sostituire i regolatori lineari in molte applicazioni. Gli Smps di generazione precedente mancano della resistenza necessaria e spesso richiedono una protezione di circuito robusta. I dispositivi di protezione da sovracorrente Pptc aiutano i produttori a soddisfare i requisiti UL60950-1/LPS (Limited Power Source) per Smps e migliorano la sicurezza e l'affidabilità dell'apparecchiatura. Questi dispositivi non possono prevenire l'avvento di un guasto, ma rispondono velocemente limitando la corrente a un livello di sicurezza per aiutare a prevenire danni collaterali ai componenti montati a valle. I dispositivi Pptc hanno un fattore di forma più piccolo che li rende facili da utilizzare nelle applicazioni con particolari vincoli di spazio. Come mostrato nella Fig. 1, un dispositivo Pptc PolySwitch può essere installato in serie con l'entrata di alimentazione per aiutare a proteggere contro i danni risultanti da corti circuiti elettrici, circuiti sovraccarichi o un uso errato da parte del consumatore. Inoltre un Mov posizionato oltre l'entrata fornisce protezione da sovravoltaggio. Il dispositivo PolySwitch può anche essere messo dopo il Mov. Molti produttori di apparecchiature preferiscono i circuiti di protezione combinando i dispositivi Pptc ripristinabili con una protezione fail-safe. In questo esempio, R1 è un resistore stabilizzatore di corrente usato in combinazione con la protezione di circuito.
 
Considerazioni per la progettazione di solenoidi
Un solenoide è un dispositivo elettromagnetico composto da insieme di bobine, struttura, armatura e backstop. L'insieme di bobine e il backstop sono assicurati meccanicamente all'interno della struttura e l'armatura viene inserita nell'assemblaggio. Quando la bobina viene eccitata dalla corrente si crea una forza magnetomotiva, che causa l'inserimento del pistone nella bobina e si posiziona sul backstop. Una volta che il solenoide riceve energia, la fine del viaggio è rilevata da un sensore, che poi permette all'armatura di tornare in posizione nell'elettronica di sistema, togliendo la corrente dal solenoide. Se il sensore dovesse fallire, causando il mancato inserimento dell'armatura, il solenoide intermittente genererà un calore eccessivo e potrebbe guastarsi. L'installazione di un dispositivo Pptc in combinazione con un Mov sul lato primario dell'entrata AC può aiutare a proteggere contro i danni causati da guasti di sovracorrente o sovratensione. A differenza di un fusibile a uso singolo, il dispositivo ripristinabile Pptc aiuta anche a proteggere contro i danni causati da condizioni in cui il guasto stesso può causare un aumento di temperatura con solo una crescita minima della corrente trasportata. In alcune condizioni di sovratensione è possibile che il Mov resti in uno stato di chiusura in cui continuerà a condurre corrente. Questo potrebbe eventualmente risultare in un guasto da sovratemperatura del dispositivo. Mettere il dispositivo Pptc in serie e in vicinanza termica con il Mov può aiutare a proteggere il Mov in questione da condizioni di sovraccarico esteso - attraverso il trasferimento del calore sul dispositivo Pptc. In questo caso il dispositivo Pptc scatta più velocemente limitando la corrente nel Mov. Questa tecnica permette ai progettisti di influenzare la risposta della temperatura del dispositivo Pptc e sostituisce altri elementi di protezione termica nel circuito. In questo caso il dispositivo Pptc non solo svolge funzioni doppie, ma fornisce anche una soluzione completamente ripristinabile. Probabilmente la causa più comune di fallimento del solenoide è un blocco meccanico. Questo può capitare quando il solenoide si contamina con sporco o detriti che si depositano fra l'armatura e l'interno della bobina, bloccando il movimento. Altri problemi includono il disallineamento, una molla rotta o una forza oppositiva. Ognuna di queste condizioni può causare l'applicazione di una corrente costante al solenoide, aumentando la temperatura della bobina e infine bruciandone l'isolamento e i cavi.

Considerazioni sulla progettazione dei relè
I relè vengono frequentemente utilizzati nelle apparecchiature industriali e nell'elettronica di consumo per controllare alta corrente o alta tensione con livelli di segnale più bassi o per commutare la corrente, che deve essere isolata dal controllo del circuito. I componenti base di un relè sono la sua bobina, l'armatura e i contatti. Quando il relè è posizionato in un circuito, la corrente al suo interno induce un campo magnetico nella bobina del relè. Il campo magnetico poi influisce sull'armatura in modo tale da causare l'azionamento o la rottura dei contatti di quella parte del circuito attaccata all'uscita del relè. Il guasto di un relè può risultare da corrente o tensione eccessivi, un problema abbastanza comune che può presentarsi quando un relè interrompe la corrente a un carico induttivo e causa un picco di tensione. Se il picco di tensione è abbastanza grave da eccedere il rating di tensione di contatto del relè, i contatti possono danneggiarsi (V = Ldi/dt). Inoltre un'eccessiva corrente attraverso i contatti del relè può causare danni all'apertura del contatto e la corrente viene interrotta. Corrente o tensione eccessive possono anche danneggiare la bobina del relè. Se la bobina di un relè è progettata per essere in tensione solo per breve tempo in normali condizioni operative, la stessa corrente operativa può nuocere alla bobina se viene per sbaglio messa in tensione per un periodo di tempo più lungo. La tipica protezione di circuito con relè prevede un dispositivo PolySwitch  posto in serie con la bobina del relè per limitare la corrente in caso di guasto o sovraccarico. È' importante scegliere un dispositivo Pptc con un rating di tensione uguale o maggiore rispetto alla massima tensione prevista. Il dispositivo deve inoltre avere una corrente nominale uguale o maggiore rispetto al massimo della corrente in stato stazionario in operazioni normali. Anche la temperatura massima dell'ambiente deve essere tenuta in considerazione, perché la corrente nominale del Pptc decresce con l'aumentare della temperatura dell'ambiente. I Movi sono dimensionati in accordo con la tensione e la massima corrente di sovratensione. È importante selezionare un dispositivo che non condurrà una corrente significativa a normali picchi di tensione. Le specifiche del Mov includono un massimo consentito di tensione Ac o Dc. Ogni dispositivo Mov e Mlv è anche caratterizzato da un picco massimo di corrente. Lo standard generale per la caratterizzazione della corrente di sovratensione usa un'onda di 8/20 microsecondi. All'aumentare della dimensione del varistore cresce anche la corrente di surge 8/20 microsecondi. Un Mov o Mlv può anche essere usato in parallelo con la bobina del relè.

Considerazione sulla progettazione di controllori industriali
Tradizionalmente i fusibili a uso singolo sono stati utilizzati per proteggere i circuiti elettronici dai danni causati da eventi di sovracorrente. Con questo approccio il fusibile si brucia quando un guasto dei cavi o di una parte crea condizioni in cui fluisce corrente eccessiva, rompendo la connessione elettrica e aiutando a prevenire danni più diffusi o rischi d'incendio. Il problema con questa tecnologia è che un guasto in un componente del sistema può disabilitare altri componenti a valle e attraverso il sistema. Quando ciò accade si deve accedere al fusibile e sostituirlo su tutti i componenti coinvolti prima di rendere il sistema di nuovo operativo. Di contro la protezione ripristinabile del guasto può aiutare a minimizzare l'impatto che il guasto ha sul sistema, ridurre il numero dei componenti coinvolti e ridurre i tempi di riparazione. In molte applicazioni di controllori industriali, sostituire i fusibili a uso singolo con i dispositivi Pptc permette ai progettisti di mantenere lo stesso livello di protezione da sovracorrente sulle interfacce critiche, ed elimina la necessità di sostituire i fusibili quando si verifica una condizione di guasto esterno che risulta in una condizione di alta corrente transitoria nel sistema. Il dispositivo Pptc ha un valore di bassa resistenza al di sotto della normale corrente operativa. In caso di un evento di sovracorrente il dispositivo scatta in uno stato di alta resistenza. Questa maggiore resistenza aiuta a proteggere l'apparecchiatura nel circuito riducendo l'ammontare di corrente che può scorrere durante un guasto a un basso livello di stato stazionario. Il dispositivo resta nella sua posizione di chiusura finché il guasto non viene rimosso. Una volta che la corrente del circuito è ciclata, il dispositivo si ripristina permettendo alla corrente di scorrere per riprendere la normale operatività del sistema. Oltre ai controllori, ogni sensore, indicatore o attuatore remoto che richiede un bus di interfaccia di alimentazione, analogico o comunicazione può trarre beneficio dall'uso di una protezione di circuito Pptc. Questi componenti di sistema possono essere soggetti a danni causati da un collegamento errato, corrente di passaggio o la perdita di connessioni neutrali sull'entrata Ac.

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