Presenta:
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Salvaguardia dalle extratensioni di rete
di IZ1TQI Aldo (de Roderigo) - RCT #030
Scopo di questo dispositivo, di mia concezione, è la protezione di quelle apparecchiature alimentate direttamente dalla rete elettrica, a 220 V alternati, salvaguardandole dalle extratensioni che spesso ne danneggiano le schede elettroniche; si configura come un interruttore velocissimo che entra in funzione in presenza di transienti ad alto voltaggio. E' vero che in commercio esistono dei buoni "tosatori", ma l'autocostruzione ha un suo senso anche se, in commercio, c'è già tutto. D'altro canto questo schema può essere realizzato in pochi centimetri quadrati di spazio con una potenza pilotabile di tutto rispetto.
Funzionamento
TC1 in condizione normali è tenuto in conduzione massima attraverso C4,R4 che, ad ogni semionda, caricano C3, vedi figura 1; infatti i picchi di tensione, in fase con l'alternata, che si formano ad ogni passaggio dell'alternata stessa per lo zero, superando i 30 volt, oltrepassano DC1 e raggiungono TC1, mantenendolo appunto in conduzione.
Questo accade finchè SCR1 non conduce. Ma attraverso C1, R1, DS1, R2, DZ1 e P1 è possibile polarizzare il gate di SCR1 per una certa tensione di innesco, tale tensione non è stabilizzata nè livellata e segue in percentuale le variazione dell'alternata di rete, quindi se essa, a seguito di tensioni spurie momentanee, dovesse avere dei guizzi da provocare un innalzamento del valore di soglia tale da superare il punto d'innesco, SCR1 condurrà ed in pratica (attraverso R3) cortocircuiterà il ponte di diodi RS1.
Ciò provocherà l'assorbimento totale della corrente che fluisce attraverso C4, provocando su R4 una caduta di tensione tale per cui C3 non riuscirà più a caricarsi, facendo così mancare la polarizzazione al gate di TC1, il quale, a sua volta, rimarrà interdetto e interromperà la tensione al carico.
Tale stato permarrà finchè l'extratensione non sarà cessata e la tensione di rete non rientrerà nei limiti della normalità. Allora SCR1 non avrà più il gate polarizzato e, durante il passaggio per lo zero dell'alternata, cesserà di condurre smettendo di cortocircuitare RS1.
L'intervento di salvaguardia, per mezzo di VR1, è istantaneo; subito dopo, nella peggiore delle ipotesi, TC1 entrerà in funzione con un ritardo massimo di un semiperiodo, quindi di 0,01 secondi, qualora il transiente si presenti subito dopo l'inizio di un semiperiodo e si estenda al semiperiodo successivo; il massimo ritardo di ripristino, dal momento in cui cessa il transiente, è di 0,02 secondi, perchè non appena SCR1 cessa di condurre, al successivo passaggio dell'alternata per lo zero, riprendono gli impulsi di eccitazione sul gate di TC1.
Qualora invece il transiente si presentasse all'inizio di un semiperiodo e con una durata inferiore a 0,01 secondi, interverrà solo il varistore VR1, la cui presenza tuttavia è utilissima, ma non è indispensabile. La potenza prudenziale applicabile, con valori 600 V, 4 A del triac, è di 1-1,5 KWatt, quindi il dispositivo è utilizzabile su qualsiasi apparecchiatura di uso comune.
Non dimenticate di dissipare il calore del triac TC1 se lo farete funzionare oltre i 200 - 300 W; allo scopo procurategli un dissipatore di una dozzina di centimetri quadrati per tre millimetri di spessore e verificate se è sufficiente.
Note sui componenti:
Nel prototipo da me realizzato la resistenza R1 è composta da 2 resistenze da 47000 Ohm in parallelo, con una potenza di 1 W cadauna, ma possiamo dire che può essere compresa tra 15000 Ohm e 25000 Ohm, 2-3 W. Il condensatore C2 deve essere al minimo da 4,7 uF , altrimenti tra conduzione e non conduzione si creerà una zona intermedia in cui il carico sarà sottoalimentato con le sole semionde negative, e non completamente scollegato dalla tensione di rete, cosa che potrebbe anche non essere un difetto.
Per R3 ho posto in parallelo due resistenze da 47 Ohm, 1/4 W; DZ1 può essere di valore diverso da quello del mio prototipo, per esempio tra 7 e 9 volt se R1 sarà da 15-18 KOhm ; infine LN1 esplicherà la sua funzione di spia e si accenderà soltanto per il tempo in cui TC1 cesserà di condurre. P1 tassativamente deve essere multigiri, mentre il suo valore può anche essere dai 500 ai 1500 Ohm.
I semiconduttori non sono per niente critici, di essi vi ho dato le caratteristiche di massima, poichè, in queste realizzazioni, sono solito adattare i componenti che mi trovo a disposizione, i quali spesso hanno sigle strane. Il triac che ho impiegato è un BT139F, l'SCR ha la sigla illeggibile, tuttavia può andare bene uno di potenza medio-bassa, vale a dire 100-150 volt, 2-3 ampere.
La taratura.
Tenendo conto che la stabilità della tensione efficace di rete dovrebbe restare entro più o meno il 5%, è chiaro che i 220 V nominali possono anche salire a 231 V e che, in tal caso, la tensione positiva pulsante sulla giunzione DS1, R2 e sul gate di SCR1 può essere incrementata anch'essa dello stesso valore.
Non potendo avere facilmente a disposizione una tensione alternata efficace del valore di 231 volt, bisognerà arrangiasi con la taratura.
Considerando di stabilire che l'intervento del marchingegno avvenga poco al di sopra di questi 231 V efficaci, io ho proceduto come segue.
Ho posto una lampadina (220 V c.a., 40 W) sul carico e ho dato tensione dopo aver ruotato P1 tutto verso massa, in queste condizione la lampadina era alla massima luminosità; lentamente ho ruotato P1 finchè ho trovato un punto oltre il quale la lampadina si è spenta (naturalmente succederà anche a voi se tutto funziona a dovere e non avete commesso errori), poi, sempre lentamente, ho ruotato, in senso opposto, fino a far riaccendere la lampadina.
Ho tolto tensione, ho scollegato il ponticello JP1 e ho posto, fra R2 e massa, un alimentatore in continua, stabilizzato e regolabile (il positivo su R2), poi ho ridato tensione.
Partendo da un minimo di 5 volt (lampadina accesa) ho alzato lentamente la tensione finchè la lampadina non si è spenta, poi lentissimamente, tornando indietro, ho fatto in modo che si riaccendesse.
In questo modo ho trovato la tensione stabilizzata esattamente uguale alla tensione raddrizzata, pulsante perchè non livellata, che ha prodotto l'innesco dell'SCR, prima di interrompere JP1; ho misurato il suo valore con il tester, ho calcolato il 5% in più e su quel valore ho portato l'alimentatore stabilizzato; lentamente ho ruotato P1 finchè la lampadina si è spenta, poi, ruotando in senso contrario, l'ho fatta riaccendere; ho scollegato il marchingegno dalla rete e ho ripristinato il ponticello JP1
La taratura è fatta e il risultato sarà che, ogni qualvolta la tensione sul catodo di DS1 salirà del 5% in più delle condizioni iniziali, il dispositivo interromperà l'alimentazione al carico, finchè il valore si manterrà tale o al di sopra.
E' vero che avrei dovuto accertare la tensione di rete in quel momento e calcolare in che percentuale stava rispetto a 231 V: perciò, supposto di aver misurato 218 V, allora:
(218 : 231) = 0,944
pertanto avrei dovuto incrementare la tensione continua stabilizzata misurata (supponiamo 14 V) di
14 : 0,944 = 14,83
ottenendo così il corrispondente valore, in percentuale riferito a 231 volt, sapendo che questo è il limite massimo accettabile sulla tensione di rete.
Se volete fatelo voi, a me è sembrato sufficiente già così, anzi per un attimo, senza tanti calcoli, mi sarei accontentato di 1/4 di giro di P1 in più dopo lo spegnimento iniziale; tuttavia quel che spero è di essere stato chiaro in questa taratura ad "orecchio".
In figura 2 è mostrato il circuito pratico del dispositivo, si può fare di meglio certamente; la lampada spia al neon, in parallelo al triac, non è segnata poichè andrà sistemata dove più conviene.
In figura 3 è rappresentato lo stesso circuito, migliorato notevolmente con l'aggiunta, in ingresso, di un doppio filtro antidisturbo a π (p greco), tale filtro blocca drasticamente disturbi, transienti e componenti di modo comune a radiofrequenza, compresi tra 10 e 400 microseondi (100000 e 2500 Hz); esso deve essere realizzato su quattro toroidi T80-2 accoppiati a due a due, con filo di rame smaltato da 1,5-2 mm di diametro, per un totale di 5 spire per ciascuna bobina. Volendo è possibile servirsi anche di toroidi T68-2, tuttavia con entrambi i tipi di toroide, badate che non è facile avvolgere le spire necessarie con filo da 2 mm di diametro.
Su di una coppia di toroidi vengono avvolti assieme L1 ed L3 e sull'altra L2 ed L4; gli avvolgimenti quindi sono bifilari e in fase, cioè avvolti nello stesso senso e devono occupare tutto il toroide.
Prendete pertanto due spezzoni di filo da 25 cm, anche 30 e avvolgeteli appaiati per 5, anche 6 spire: gli avvolgimenti dovranno essere identici; quando li collocherete nel circuito tagliate l'eccesso di lunghezza dei capi e grattatene bene lo smalto, per poterli saldare.
State attenti che lo smalto dei fili sia integro, senza abrasioni e un avvolgimento risulti spaziato rispetto all'altro di modo che non si creino cortocircuiti accidentali; potreste per esempio anche dare una spruzzata di lacca isolante sugli avvolgimenti. Certo il filo di rame smaltato, in questo caso, presenta qualche inconveniente, però permette di sfruttare una buona sezione con poco ingombro, cosa che non è possibile con il filo isolato, a meno che non si aumentino le dimensioni del toroide.
I condensatori è bene abbiano un alto isolamento, poichè soltanto la tensione di rete ha un valore di:
220 x √2 = 311 volt di picco e 220 x 2√2 = 622 volt picco-picco; C9 e C10, da 68 nF, potranno essere ricavati entrambi da due condensatori da 0,15 uF 600 VL posti in serie. Se possedete l'impianto di terra ad esso va collegata la presa contrassegnata come "terra".
N.B.: Lo scopo del dispositivo può essere diverso da quello descritto e la sensibilità, conferita con la taratura, può essere discrezionale a seconda dell'uso che intendete farne o della vostra fantasia, per cui, sul gate SCR1, potrà essere attribuita la tensione che riterrete più consona alle vostre necessità.
Questo marchingegno potrebbe essere utilissimo durante i temporali, ad esempio per proteggere la caldaia del riscaldamento e tutte quelle apparecchiature, le cui schede elettroniche sono tanto sensibili agli sbalzi di tensione e ai campi elettrostatici, è però chiaro che non è uno scaricatore per fulmini e saette; se quelli vi entrano sulla linea elettrica di casa è ugualmente un guaio; è utile quando sulla linea di rete è sovrapposto un disturbo molto ampio; se poi, per vostro sfizio, lo tarerete per la massima sensibilità, funzionerà, bloccando il disturbo o interrompendo l'alimentazione al carico, anche quando avviene l'inserzione o la disinserzione di qualche elettrodomestico o anche in casi di autoinduzione dell'impianto di casa dovuti semplicemente all'accensione o allo spegnimento di lampadine, etc...
Il circuito proposto è stato realizzato e collaudato con il carico di una lampadina da 100 W, 220V; la sensibilità è stata impostata circa al 4-5% in più della tensione nominale (220V) di rete.
Servendomi di un contatore di impulsi (non sto a spiegarvi oltre per brevità), in parecchi giorni di collaudo, ho rilevato sporadicamente, com'era prevedibile, il funzionamento: tre volte in tutto.
Non aspettatevi quindi di assistere molto spesso all'intervento di salvaguardia, perchè questo avviene solo nel caso, di norma non frequentissimo, che la tensione di rete a causa di picchi anomali superi almeno i 231 volt, o, comunque, la soglia d'innesco che avrete deciso di conferire.
Se vi servirete dello schema di figura 3, l'intervento del dispositivo sarà ancora più raro, diciamo quasi esclusivamente in occasione di temporali con forti scariche elettriche nelle vicinanze, mentre la soppressione quasi completa dei disturbi avverrà sempre.
Se userete il circuito su di un computer, nella maggior parte degli interventi, si verificherà anche lo spegnimento e il reset del computer stesso.
Non credo di dover spendere altre parole, in merito, oltre consigliare l'alloggiamento in scatola plastica e raccomandare attenzione soprattutto alla parte del dispositivo che risulta collegata alla tensione di rete: siate estremamente prudenti, entrare in contatto accidentale con la tensioine di rete potrebbe essere letale.
L'ultima considerazione tecnico-filosofica, se mi è consentito, può essere:"chi mai proteggerà questo dispositivo di protezione?", ma qui "prìmisi, prìmisi "ricadiamo nell'eterno dubbio:"chi mai può controllare i controllori?": "quis custodiet costodes?"; "pozzica, pozzica" inciampiamo nella farsa del gatto che si morde la coda; "terzica, terzica" verifichiamo che la perfezione non è di questo mondo... "Venghino siori, venghino..."