CUI: Fondamenti della protezione contro sovratensioni per alimentatori

Questo articolo tratta gli aspetti fondamentali della protezione contro sovratensioni identificando le cause dei sovraccarichi di tensione, illustrando gli standard normativi dei test per sovratensioni e presentando configurazioni e componenti per la soppressione dei picchi.

Le sovratensioni rappresentano un rischio per molti dispositivi alimentati dalla rete elettrica. Le sovratensioni possono danneggiare gli alimentatori e i dispositivi loro collegati, laddove non progettati adeguatamente per l’ambiente di utilizzo previsto.

Cosa innesca le sovratensioni?
Le tre cause principali delle sovratensioni sono:

• fulmini
• carichi transitori
• guasti

I fulmini sono una causa comune di sovratensioni esterne transitorie e trasmettono molta più corrente e a tensioni considerevolmente più alte di quelle indicate per la maggior parte dei sistemi elettronici. Tali sovratensioni sono normalmente tanto importanti da causare il guasto immediato di dispositivi elettronici se non è stato predisposto un livello di protezione adeguato.

Le sovratensioni su linee di alimentazione CA possono anche essere provocate accendendo o spegnendo altri dispositivi su un circuito elettrico. Variazioni di corrente importanti e rapide nel cablaggio possono innescare picchi di tensione.

Anche i guasti possono essere fonti di sovraccarichi e portare a tensioni eccessive applicate all’ingresso dell’alimentatore. Il guasto di componenti di sistema e di dispositivi può portare a tensioni e correnti transitorie in altre parti del sistema, provocate da cortocircuiti o aperture di circuiti non intenzionali.

L’intensità e la grandezza del sovraccarico di tensione all’ingresso dell’alimentatore dipendono da molti fattori, tra cui la posizione, il cablaggio e il livello di protezione contro sovratensioni predisposto sull’ingresso dell’alimentatore, sia interno che esterno.

Norme internazionali che definiscono i livelli di protezione
Sono state elaborate delle norme per classificare e fornire linee guida sul livello di protezione necessario. Quella più comune per gli alimentatori è la IEC 61000-4-5, della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC). Vi si fa riferimento in molte norme di immunità nazionali, come ad esempio nella EN 55035, che stabilisce i requisiti di immunità per le apparecchiature multimediali.

La norma IEC 61000-4-5 definisce un metodo di test standardizzato e vari livelli di protezione sulla base della classe di installazione e dei metodi di collegamento. Gli alimentatori CC sono di norma interessati dalle categorie di installazione 3-5, con requisiti di test da 1kV a 4 kV (tabella 1).



Tabella 1: test di sovratensione IEC 61000-4-5 per alimentatori CA e CC collegati alla rete elettrica

Circuiti e dispositivi di soppressione dei picchi
La protezione degli alimentatori e dei loro carichi contro sovratensioni richiede normalmente una qualche forma di circuito di protezione contro sovratensioni interno o esterno.

Esistono due categorie principali di circuiti di protezione contro sovratensioni:

• clamper
• circuiti crowbar
• Clamper anti-sovratensione

I clamper di tensione impediscono che la tensione superi un determinato livello stabilito. Durante un episodio di sovratensione, mantengono la tensione nel range della tensione del circuito clamper e la corrente viene deviata dal clamper fino al termine della sovratensione. Ci sono tre dispositivi comunemente utilizzati come clamper: diodi di soppressione di tensioni transitorie (TVS), varistori a ossido di metallo (MOV) e tubi a scarica digas (GDT). Le capacità di gestire velocità ed energia di ciascuno di essi è inversamente proporzionale, come illustrato nella tabella 2, e ciò può rendere necessaria la combinazione di più tipi di clamper.



Tabella 2: componenti e caratteristiche tipiche di clamper di tensione

Diodi di soppressione di tensioni transitorie
I TVS sono diodi progettati per assorbire l’energia eccedente di un picco di tensione e quindi bloccare il picco. Possono essere monodirezionali o bidirezionali. Tali diodi hanno una tensione di soglia, come un diodo Zener, oltre la quale il diodo inizia la conduzione. Ciò comporta che la tensione viene bloccata alla tensione di soglia e l’energia in eccesso viene deviata dall’alimentatore.

Varistori
Il varistore a ossido di metallo (MOV) semiconduttore bidirezionale è un resistore variabile sensibile alla tensione. I MOV hanno un’alta resistenza in presenza di bassa tensione e una bassa resistenza in presenza di alta tensione. Forniscono una tensione di bloccaggio meno incisiva e presentano un tempo di reazione più lento rispetto ai diodi TVS. Inoltre, i MOV si logorano e possono gestire solo un numero limitato di episodi di sovratensione. Tuttavia, il loro basso costo e le loro capacità di gestione della sovratensione li rende ampiamente usati per la protezione contro sovratensioni negli alimentatori.

Circuiti crowbar
Il crowbar è un diverso tipo di circuito di protezione contro sovratensioni. I dispositivi crowbar, invece di limitare la tensione a un valore massimo, cortocircuitano i nodi del circuito, portando la tensione vicina allo zero. I tubi a scarica di gas (GDT) sono utilizzati comunemente come crowbar. I GDT, analogamente ai TVS, agiscono come interruttori controllati dalla tensione. Il dispositivo si comporta normalmente come circuito aperto e va in cortocircuito se si supera la tensione di soglia. I GDT possono gestire più corrente, ma tendono anche ad essere i dispositivi di protezione contro sovratensioni a reazione più lenta. Per gli alimentatori li si utilizzano a volte insieme ad altri metodi per una soluzione più efficace.

Protezione contro sovratensioni negli alimentatori reperibili sul mercato
Gli alimentatori comunemente reperibili possono avere o meno una protezione interna contro sovratensioni. Gli alimentatori per montaggio su scheda offrono una gamma di opzioni che va dalla mancanza di protezione interna al massimo livello di protezione. Spesso, i produttori forniscono progetti di riferimento per migliorare i livelli di prestazioni intrinsechi. Il progettista deve prestare attenzione alle schede dati per verificare se il circuito esterno del produttore corrisponde al livello di prestazioni appropriato per l’applicazione.

Conclusione
La natura dei picchi di tensione è che ogni singola sovratensione è completamente imprevedibile. Detto questo, è comunque possibile valutare un sistema e anticipare quali tipi di sovratensioni possono verificarsi e consigliare una protezione appropriata contro le sovratensioni. Il livello opportuno può variare. Alcuni sistemi possono essere soggetti a picchi di tensione in gran parte comuni e relativamente semplici da gestire. Ad esempio, per via di spegnimenti e accensioni di dispositivi nelle vicinanze. L'altro estremo potrebbe essere un sistema in un’area soggetta a una notevole frequenza di fulmini.

In tal caso, sarà preferibile una protezione per gestire picchi di maggiore intensità. Esistono numerose casistiche diverse tra questi due estremi, e proprio in questi casi gli esperti, come CUI, possono essere di aiuto nell’individuare l’alimentatore appropriato per la vostra applicazione.

www.cui.com

  Richiedi maggiori informazioni…