I motori elettrici, i trasformatori e i circuiti di controllo utilizzati nelle applicazioni di tipo domestico o commerciale, sono spesso soggetti a sovraccarichi meccanici, surriscaldamento, stallo, perdite del neutro, forti sovratensioni, umidità e altri fattori dannosi. I nuovi dispositivi PTC sono stati progettati per operazioni su tensioni di linea di 120 VAC e 240 VAC, e aiutano i progettisti a prevenire i rischi di incendio, aumentando la sicurezza, e riducendo i costi delle restituzioni e delle sostituzioni di per il mancato funzionamento del motore. Proteggere pannelli di controllo sempre più complessi e sofisticati da disconnessione, sovratensioni di alimentazione momentanee o piccoli danni di circuito è di particolare interesse per il produttore delle apparecchiature. Sebbene i trasformatori di appliance, i loro alloggiamenti e le connessioni siano in grado di sopportare transitori picchi di voltaggio, l'uso di dispositivi sensibili allo stato solido sul pannello di controllo necessita di maggiore protezione contro il surriscaldamento, la sovracorrente e la sovratensione. Coordinare la protezione di sovracorrente e sovratensione permette anche ai progettisti di conformarsi alle richieste di regolamentazione aziendale, minimizzare il conto dei componenti e migliorare l'affidabilità dei macchinari. Un dispositivo di protezione da sovravoltaggio MOV (varistore all'ossido di metallo), utilizzato in una strategia di protezione combinata dei circuiti con un dispositivo PTC, a tensione di linea, può aiutare i produttori a rispettare le IEC 6100-4-5, lo standard globale per effettuare le condizioni di test per voltaggio e corrente per le apparecchiature connesse in ambiente AC.
Una comparazione delle tecnologie di protezione
Se avviene un guasto nel trasformatore o nell'alimentazione, alcune dei componenti possono cominciare a surriscaldarsi. Ci sono diversi schemi di protezione dei circuiti che possono essere utilizzati per aiutare a proteggere contro i danni causati dalle condizioni di guasto e dai danni dovuti al conseguente surriscaldamento, inclusi fusibili termici, fusibili a corrente continua e interruttori di circuito. Una soluzione comune è l'uso di un fusibile termico sul lato primario e un fusibile di sovracorrente sul lato secondario.
In molte applicazioni le soluzioni preferite sono i prodotti autoripristinabili come i dispositivi PTC, i dispositivi CPTC (coefficiente di temperatura positivo ceramico) e gli interruttori bimetallici. Questi dispositivi generalmente non richiedono sostituzioni dopo un guasto e permettono al circuito di tornare alle normali condizioni di operatività dopo la rimozione dell'alimentazione e/o l'eliminazione della condizione di sovracorrente.
Nonostante il fusibile sia una delle soluzioni forse più semplici ed economiche per la protezione dei trasformatori, molti produttori di apparecchiature elettroniche trovano più facile giustificare i costi di una protezione autoripristinabile se questa aiuta a proteggere da danni per sovracorrente, causati da cortocircuiti, sovraccarichi di rete o un uso errato da parte dell'utente e oltre a ridurre le restituzioni in garanzia.
Tyco Electronics ha recentemente fatto dei test comparativi dei propri dispositivi per la protezione di circuiti Raychem PolySwitch LVR come elementi primari di protezione su diversi trasformatori. Le caratteristiche di prestazione dei dispositivi PolySwitch LVR PPTC sono paragonabili a quelle dei fusibili termici.
Alcuni progettisti di alimentazione, utilizzano un fusibile termico monouso come soluzione di protezione primaria. La Fig. 1 illustra l'effetto del surriscaldamento su questo tipo di trasformatori. In questo test un corto sul secondario risulta quando le temperature della bobina supera i 200°C. Il fusibile termico - regolato a 115°C e montato vicino al centro del nucleo - ha fallito l'apertura e l'isolamento sulla bobina si è fuso, distruggendo il trasformatore. La Fig. 2 mostra invece il risultato del test in cui un trasformatore dello stesso genere è stato testato con l'installazione di un dispositivo PTC come elemento di protezione primaria. E' stata applicata una tensione d'ingresso primaria di 253VAC ed è stato simulato un corto secondario. Sono state misurate la temperatura della bobina primaria (Tprim) e secondaria (Tsec) e quella del dispositivo PTC (T-PPTC). Il dispositivo PTC ha cominciato a deformarsi quando la sua temperatura esterna ha raggiunto i 95°C, nello stesso momento la temperatura della bobina primaria era di circa 95°C. Una volta attivato (Trip condition) è stata limitata la corrente e la bobina ha cominciato a raffreddarsi.
Vantaggi in termini di prestazioni
Le caratteristiche di prestazione del dispositivo PTC rispetto ad un fusibile termico, studiate in test similari su un trasformatore 120VAC con un corto sulla parte secondaria, sono riportate nella tabella (Fig. 3). Questi dati dimostrano i vantaggi della maggiore rapidità di risposta del dispositivo PTC e la sua capacità di limitare la temperatura massima della bobina, aiutando a proteggere le bobine del trasformatore e il circuito secondario.
I dispositivi CPTC aiutano a fornire una protezione autoripristinabile; ma la loro applicazione è limitata per tre ragioni: la temperatura d'esercizio relativamente alta, l'alta resistenza e le grandi dimensioni. La composizione del dispositivo CPTC tende ad essere fragile, il che lo rende vulnerabile a danni dovuti a shock, vibrazioni e stress termici dovuti al riscaldamento e al raffreddamento, che si riscontrano in molte appliance.
Gli interruttori di circuito bimetallici tradizionali, nonostante siano ampiamente usati per proteggere i motori elettrici che si trovano nei dispositivi, non si bloccano e richiedono un'azione aggiuntiva per interrompere il loro ciclo on-off. I giunti bimetallici isolanti vengono costruiti con due diversi metalli legati assieme. Se la corrente nominale dell'interruttore di circuito bimetallico è in eccesso, il calore da essa generato porta il giunto isolante bimetallico a piegarsi e ad aprire un set di contatti che bloccano il flusso di corrente. Senza flusso di corrente al circuito il dispositivo torna alla sua condizione normale, chiudendo i contatti in modo tale che il flusso di corrente possa riprendere. In caso di stallo, l'interruttore di circuito bimetallico continua il proprio ciclo finché non viene rimossa l'alimentazione.
La natura ciclica dell'interruttore di circuito bimetallico ha diversi svantaggi. Fra questi c'è l'affaticamento del materiale e una tendenza a danneggiare i contatti, emettere scintille e saldarsi a chiusura del circuito. Se il dispositivo "fallisce la chiusura" può causare un danno da sovracorrente al motore e significative conseguenze elettroniche. Rumori potenziali o "chatter" (vibrazioni) ed interferenze elettromagnetiche possono rendere incompatibili gli interruttori di circuito bimetallici con i sistemi di controllo elettronico avanzati.
Una protezione coordinata per le applicazioni di ambiente AC
Dalle piccole bilance ai forni professionali, applicazioni con sempre maggiori complessità e funzionalità stanno guidando l'industria verso l'integrazione dei circuiti e la riduzione della dimensione del pannello. Proteggere i componenti elettronici sensibili dai transitori di tensione, piccoli cortocircuiti e dell'errato utilizzo da parte dell'utente è di primaria importanza per i produttori.
In passato ad esempio i progettisti di pannelli di controllo spesso non usavano protezioni da sovracorrente sui lati primario e secondario, affidandosi al trasformatore per abbassare il calore in modo sufficiente per prevenire danni al pannello di controllo in caso di condizioni di guasto. Il crescente uso di dispositivi allo stato solido sul pannello richiede ora che i livelli di voltaggio siano limitati.
Il materiale elettrico può essere esposto a danni potenziali dovuti a alte tensioni o a transitori di potenza sulle entrate dell'ambiente AC dovute all'accendersi di una scintilla o da momentanei load-switching delle stazioni di alimentazione. IEC 61000-4-5 è lo standard globale per le condizioni di test per il voltaggio e la corrente per le attrezzature connesse in ambiente AC.
Coordinando la protezione da sovracorrente e sovravoltaggio agli ingressi delle apparecchiature alimentate dalla linea AC di potenza, i progettisti sono in grado di rispettare gli standard ufficiali di sicurezza e minimizzare il calcolo e il costo dei componenti. La Fig. 4 mostra come un MOV è utilizzato in combinazione con un dispositivo PTC per migliorare l'affidabilità dell'attrezzatura in ambiente AC ed eseguire condizioni di test IEC-61000.
L'alta capacità di assorbire energia e di gestire la corrente dei dispositivi MOV, la veloce risposta e i bassi costi rendono il dispositivo PTC adatto per la protezione da sovravoltaggio negli alimentatori, nei trasformatori dei pannelli di controllo e dei motori elettrici. Il dispositivo per la protezione da sovracorrente PTC è calcolato a 240 VAC, permettendo un voltaggio intermittente massimo fino a 265 VAC e può essere installato con il dispositivo MOV sulle linee di ingresso dell'ambiente AC.
Tutta la protezione in un unico componente
A differenza di un fusibile monouso, il dispositivo autoripristinabile PTC aiuta a proteggere contro i danni dovuti a condizioni in cui il guasto può causare un aumento di temperatura con solo un leggero aumento nell'assorbimento della corrente. Se installato sul lato primario del circuito, in prossimità di componenti potenzialmente generatori di calore, come magneti, transistori a effetti di campo (TEC) o resistori di potenza, il dispositivo PTC aiuta a fornire sia protezione da sovracorrente che da surriscaldamento installando un unico componente.
Alcune condizioni di sovraccarico dell'ambiente possono far sì che il dispositivo MOV rimanga in uno stato di transizione in cui continuerà a condurre corrente. Questo può causare un eccessivo surriscaldamento del dispositivo. Nel caso in cui non siano direttamente applicabili per passare i test IEC 61000-4-5, il dispositivo PTC viene messo in prossimità termica di un dispositivo MOV, aiutando a proteggere il dispositivo MOV in condizioni di sovraccarico esteso - trasferendo il calore al dispositivo PTC. Il dispositivo PTC in questo caso scatta più velocemente, limitando la corrente attraverso il dispositivo MOV.
Questo utilizzo del dispositivo PTC permette ai progettisti di aumentare la risposta alla temperatura di questo dispositivo e sostituire altri dispositivi di protezione termica nel circuito. In questo caso il dispositivo PTC non solo esegue funzioni duplici, ma fornisce anche una soluzione completamente autoripristinabile. Il mantenimento o la sostituzione in genere non sono richieste, dato che il dispositivo si riavvia dopo che il guasto è stato risolto ed è stata rimossa la corrente dal circuito. Ciò permette di ridurre i costi di servizio durante la garanzia aumentando anche la soddisfazione del cliente.
I dispositivi PTC e MOV vengono scelti per particolari applicazioni, a seconda della classe di rating IEC 61000-4-5 delle apparecchiature e delle loro condizioni operative. Quando si sceglie un dispositivo PTC occorre che la corrente di holding del dispositivo sia uguale alla corrente primaria assorbita dal dispositivo elettrico in normali condizioni operative.
