Opzione PSU Back EMF per la serie di prodotti GlobTek EL6

Opzione PSU Back EMF per la serie di prodotti GlobTek EL6

SOMMARIO:

Quando un grande carico induttivo come un motore DC o una valvola a solenoide (elettrovalvola) è posto all’uscita di un alimentatore, in determinate condizioni di funzionamento l’energia può fluire dal carico all’alimentatore. Questo potrebbe causare un aumento della tensione di uscita con conseguente danneggiamento dell'alimentatore.

Tutti gli alimentatori della serie GlobTek GTM96 sono relativamente robusti in relazione al danno che la forza controelettromotrice può causare all’alimentatore.

Questa robustezza deriva dalla presenza della protezione da sovratensione al lato primario. Per meglio comprendere questi concetti, è necessario illustrare come avvengono gli eventi di sovratensione legati alla forza controelettromotrice. La forza controelettromotrice si deve alla presenza di componenti di tipo induttivo che permettono accumulo e rilascio di energia magnetica e che, quindi, possono determinare l’aumento della tensione di uscita dell’alimentatore da 1.05 a 1.50 volte rispetto al valore nominale (aumento dal 5% al 50%). Il flusso inverso di energia è trasferito al capacitore di uscita dell’alimentatore, che comunque tenderà a scaricarsi fino al valore di tensione di uscita nominale in un lasso di tempo dipendente dall’assorbimento di corrente da parte del carico. Se il flusso inverso di energia è troppo intenso, ciò potrebbe determinare il guasto del capacitore per sovratensione.

Il circuito di uscita per la protezione da sovratensione può essere progettato in diversi modi:

  1. Storicamente, i circuiti a tiristore (SCR) con diodo zener sono stati comunemente impiegati per impedire alla tensione di uscita di superare un certo livello prestabilito. La chiusura del tiristore avviene se l’evento di forza controelettromotrice eccede il livello di soglia della protezione da sovratensione. Non vengono più utilizzati a causa dei costi elevati e delle grandi dimensioni dei componenti.
  2. Nei piccoli alimentatori, spesso i diodi zener sono posti in parallelo con l’uscita. Questa può rappresentare una ragionevole soluzione tecnica per il circuito di protezione da sovratensione, ma è fondamentale stabilire il livello di energia della forza controelettromotrice che può essere assorbito. Infatti, se l’energia eccede la capacità di assorbimento di energia del diodo zener, il diodo zener potrebbr risultare cortocircuitato.
  3. Un optoisolatore può rappresentare una efficace barriera di isolamento con lo scopo specifico di fornire un segnale di protezione da sovratensione al controller principale. Tale segnale può attivare una funzione di protezione bloccante o non bloccante, sulla base delle volontà del progettista o delle specifiche del prodotto. In genere questa soluzione non è funzionale quando è prevista la presenza di forza controelettromotrice. Infatti, il diodo zener, in serie con l’optoisolatore, potrebbe dar luogo ad un enorme impulso di corrente a partire dall'evento di forza controelettromotrice con conseguente guasto
  4. La protezione da sovratensione al lato primario è di cruciale importanza. È in genere costituita da dispositivi a basso costo, è altamente affidabile ed è sostanzialmente immune al danno all’alimentatore indotto dalla forza controelettromotrice, con alcune riserve. La protezione da sovratensione lato primario può essere configurata come bloccante o non bloccante. Ovviamente la non bloccante sembrerebbe essere la migliore nello scenario dato. Tuttavia, poiché l'evento di forza controelettromotrice non è creato sul lato primario, un evento di forza controelettromotrice non sarebbe "visto" dal controller di protezione da sovratensione sul primario. In altre parole, per il "controller", la tensione di uscita sembrerebbe essere normale durante l'evento di forza controelettromotrice.

    Nell'esposizione dei metodi di protezione da sovratensione A)-D) sopra riportati, dovrebbe risultare chiaro l’aspetto di controllo dello standard di sicurezza che richiede l'analisi della componentistica di contenimento per la protezione da sovratensione. Ciò influenza il design del circuito richiesto, per esempio fa insorgere l’esigenza di un secondo optoisolatore per un percorso di controreazione quando il metodo C) è considerato. Il metodo D) è utilizzato in tutti i prodotti della serie GlobTek GTM96 così come in molti dei prodotti progettati e distribuiti in passato. Sebbene vi siano poche restrizioni, vale la pena analizzarne alcune, al fine di acquisire consapevolezza sulle potenziali insidie che insorgono quando si valutano nuove configurazioni di sistema.

    Il “ritaglio” seguente è derivato da uno schema tecnico di GlobTek (Fig 1).

    FIG 1.
    Fig 1

    I condensatori C49,50 e 51 sono esposti alle sollecitazioni legate ad una sovratensione causata dalla forza controelettromotrice. Pertanto, se per esempio la forza controelettromotrice porta il valore di tensione a 30 V una volta ogni 10 minuti, potrebbe essere utile sostituire il condensatore con uno da 35 V. In alternativa, si può tenere in conto il fatto che la maggior parte dei condensatori elettrolitici in alluminio ha un “grado di sovratensione" di breve termine compreso in genere tra il 10% e il 20% in più rispetto alla tensione nominale del condensatore. Se la sovratensione transitoria a seguito di forza controelettromotrice è un evento molto raro, questa potrebbe essere un'opzione accettabile.

    Inoltre, quando si verifica l'evento di forza controelettromotrice, il componente U7 a tre terminali usato come riferimento di tensione ed amplificatore dell’errore di tensione si attiva immediatamente nel momento in cui avverte che la tensione di uscita è troppo alta. Ciò può causare un'eccessiva dissipazione di calore nel resistore R68 per determinati prodotti. Nel dispositivo in figura, tale resistenza è relativamente alta e pari a 2.7 kΩ. Supponendo che il progettista del circuito stia valutando l’impiego di una resistenza di 270 Ω ed analizzando il risultato di un'esposizione di 1 secondo ad alta tensione a 30 V (assumendo un fronte di salita e discesa ad onda quadra) si potrebbero distinguere i casi:

    - Case 1, R68 = 2.7 KΩ
    Il componente U7 avrà 2 V in saturazione, la tensione dell’optoisolatore a LED U6 calerà di circa 1V, quindi sulla resistenza R68 si avranno 27 V. La dissipazione del calore su R68 sarà V2/R = 0,27 W. R68 è un resistore SMT formato 0805 con una potenza nominale di dissipazione di 125 mW, quindi sarà sovraccaricato di un fattore di 270/125 che, per un impulso di 1 secondo, non dovrebbe determinare guasti. La maggior parte dei resistori è in grado di gestire uno stress 6 volte superiore a quello nominale per 1 secondo.

    - Case 2, R68 = 270 Ω

    Sulla resistenza R68 si avranno ancora 27 V, tuttavia ora la dissipazione di potenza sarà 10 volte maggiore, pari a 2,7 W. Quando un resistore da 1/8 W dissipa una potenza pari a 22 volte la sua potenza nominale, il danno può rapidamente verificarsi e la sopravvivenza prima del guasto è probabilmente limitata a circa 1/10 di secondo o meno. Inoltre, per un valore di corrente di 100 mA, il circuito integrato U7 è al limite della sua capacità attuale, quindi è anche possibile danneggiarlo.

    Dunque, sebbene il metodo D) sia migliore degli altri metodi in termini di robustezza alle sollecitazioni della tensione a seguito di un evento di forza controelettromotrice, occorre effettuare lo studio di:

    1. Livello di tensione indotta, necessario per valutare se i condensatori elettrolitici sono adeguati
    2. La durata dell'evento di forza controelettromotrice, per determinare se è possibile che si verifichi un danno al circuito d'uscita

    Quando la configurazione del circuito di regolazione d'uscita può favorire il ripetersi di guasti per sovratensione, di solito è possibile riprogettare il circuito per migliorare la situazione. Tenendo presente tutto ciò di cui sopra, se il sistema sviluppato è soggetto a frequenti eventi di forza controelettromotrice, è importante determinare il livello di tensione e la durata di tali eventi e trasmettere queste informazioni al progettista di alimentatori GlobTek anche tramite fermi immagine del display dell’oscilloscopio.

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