Componenti e circuiti di protezione

In caso di sovratensioni le apparecchiature e i conduttori interessati devono essere cortocircuitati in brevissimo tempo con una compensazione di potenziale. Per fare ciò sono disponibili diversi componenti con le relative caratteristiche. Questi componenti si contraddistinguono principalmente per la loro reazione e la capacità di dispersione.

Diodi soppressori

Circuiti di protezione e curve caratteristiche U/I di un diodo soppressore  

Circuiti di protezione e curve caratteristiche U/I di un diodo soppressore

Proprietà:

  • La funzione viene generalmente definita protezione fine.
  • Reazione molto rapida.
  • Limitazione di tensione ridotta.
  • Versione standard con carico di corrente ammesso ridotto e capacità elevata.
    • Con una tensione nominale di 5 V la capacità di dispersione massima raggiunge circa 750 A.
    • Con tensioni nominali più elevate la capacità di dispersione si riduce notevolmente.

Particolarità:

Esistono anche diodi con tensione nominale più elevata e maggiore capacità di dispersione. Queste versioni hanno tuttavia maggiori dimensioni e vengono quindi utilizzate poco nei circuiti di protezione combinati.

Legenda:

UR = tensione inversa
UB = tensione di breakdown
UC = tensione di taglio
IPP = impulso di corrente
IR = corrente inversa

Varistori

Simboli grafici e curve caratteristiche U/I dei varistori in ossido di metallo  

Simboli grafici e curve caratteristiche U/I dei varistori in ossido di metallo

Proprietà:

  • La funzione viene generalmente definita protezione media.
  • I tempi di risposta si trovano nel range inferiore dei nanosecondi.
  • Reazione più rapida rispetto agli scaricatori a gas.
  • Non provocano correnti di rete residue.

Particolarità:

I varistori con massimo 2,5 kA di corrente nominale dispersa vengono usati come protezione intermedia nella tecnica MCR. Nel campo degli alimentatori, i varistori con massimo 3 kA di corrente nominale dispersa sono un elemento fondamentale dei circuiti di protezione con scaricatori di tipo 3 per la protezione dei dispositivi. Ancora più potenti sono i varistori usati per gli scaricatori di tipo 2. In questo campo le esecuzioni standard hanno correnti nominali disperse fino a 20 kA. Per applicazioni speciali esistono anche scaricatori di tipo 2 con massimo 80 kA.

Legenda:

A = campo d'impiego ad alta impedenza
B = campo d'impiego a bassa impedenza/campo di limitazione

Scaricatore di sovratensioni a gas

Simboli grafici e curve caratteristiche d'innesco di uno scaricatore di sovratensioni a gas  

Simboli grafici e curve caratteristiche d'innesco di uno scaricatore di sovratensioni a gas

Proprietà:

  • La funzione viene generalmente definita protezione media.
  • I tempi di risposta si trovano nel range medio dei nanosecondi.
  • Le varianti standard scaricano correnti fino a 20 kA.
  • Nonostante l'elevata capacità di dispersione, il componente ha dimensioni molto piccole.

Particolarità:

Con questo componente, un comportamento all'accensione dipendente dal tempo di tensione porta a tensioni residue che possono essere pari anche a 100 V.

Legenda:

1) Reazione statica
2) Reazione dinamica

Spinterometri

Simboli grafici e curve caratteristiche d'innesco di uno spinterometro  

Simboli grafici e curve caratteristiche d'innesco di uno spinterometro

Proprietà:

  • Elemento centrale di uno scaricatore di corrente atmosferica
  • Elevata capacità estinguente di correnti di rete residue
  • Velocità di intervento relativamente alta
  • Comportamento all'accensione dipendente dall'aumento della tensione nel tempo

Particolarità:

L'elemento centrale di un potente scaricatore di corrente atmosferica è generalmente lo spinterometro. In questo componente due elettrodi sono posti uno di fronte all'altro con una distanza ridotta. Le sovratensioni provocano una scarica tra gli elettrodi e si forma un arco. Questa linea al plasma mette in cortocircuito la sovratensione. Così scorrono correnti molto elevate e in forte salita, con valori in termini di kA a tre cifre. Esistono spinterometri aperti e chiusi. Dal punto di vista fisico, le capacità di disperdere e di estinguere degli spinterometri aperti sono più elevate.

La tecnologia Arc Chopping si è affermata come particolarmente potente per gli spinterometri. In questo caso, di fronte agli elettrodi, vi è anche una cosiddetta piastra di protezione. L'arco viene spinto tra gli elettrodi in direzione della piastra, dove viene disgregato. Si formano di conseguenza frammenti di arco che vengono soffiati fuori dal campo dello spinterometro e poi facilmente annullati. Così lo spinterometro può essere portato nuovamente ad alta impedenza quando non è più presente una sovratensione.

Legenda:

UZ = tensione di intervento/tensione di accensione
tZ = tempo di risposta

Circuiti di protezione combinati per interfacce di segnale

A seconda del tipo di applicazione vengono impiegati diversi componenti. Essi possono essere combinati tra loro singolarmente o in complessi circuiti di protezione.

Circuito di protezione a due stadi con disaccoppiamento ohmico (sinistra) e circuito di protezione a tre stadi con disaccoppiamento induttivo (destra)

Circuito di protezione a due stadi con disaccoppiamento ohmico (sinistra) e circuito di protezione a tre stadi con disaccoppiamento induttivo (destra)

Combinando diversi elementi è possibile ottenere i vantaggi desiderati relativi ai componenti stessi. Ad esempio, le combinazioni tra scaricatori a gas e diodi soppressori rappresentano un circuito di protezione standard per interfacce di segnale sensibili. Questa combinazione offre una protezione potente e che risponde rapidamente con i livelli di protezione il più alti possibile.

I componenti vengono collegati in parallelo in modo indiretto come stadi di protezione. Questo significa che tra di essi vengono integrati elementi di disaccoppiamento ohmico o induttivo. Questo provoca una risposta temporalmente alternata degli stadi di protezione ordinati in modo sfalsato.

I circuiti di protezione si suddividono principalmente per:

  • Quantità di stadi di protezione
  • Direzione d'azione del circuito (protezione contro le tensioni longitudinali/trasversali)
  • Tensione nominale
  • Effetto di attenuazione sulle frequenze di segnale
  • Livello di protezione (tensione di taglio)

Circuiti di protezione a più stadi

Ripartizione della tensione in un circuito di protezione a due stadi  

Ripartizione della tensione in un circuito di protezione a due stadi

Alla comparsa di una sovratensione il diodo soppressore è l'elemento che risponde per primo con più rapidità. La corrente dispersa scorre attraverso il diodo soppressore e la resistenza di disaccoppiamento inserita a monte. Attraverso questa resistenza, si verifica una caduta di tensione, il cui valore corrisponde alla differenza tra le diverse tensioni d'intervento del diodo soppressore e dello scaricatore di sovratensioni a gas.

In questo modo la tensione d'intervento dello scaricatore a gas viene raggiunta prima che la corrente impulsiva sovraccarichi il diodo soppressore. In pratica, quando lo scaricatore di sovratensioni a gas si è attivato, la corrente dispersa scorre quasi completamente attraverso lo scaricatore a gas. La tensione residua nello scaricatore è pari a un massimo di 20 V, in modo che il carico del diodo soppressore sia ridotto. Con una corrente dispersa ridotta, che non sovraccarichi il diodo, lo scaricatore di sovratensioni a gas non interviene.

Il circuito rappresentato offre i vantaggi di un intervento rapido con una limitazione ridotta della tensione e, allo stesso tempo, un elevata capacità di dispersione. Un circuito di protezione a tre stadi con disaccoppiamento induttivo lavora secondo lo stesso principio. Tuttavia, la commutazione avviene in due passaggi: prima dal diodo soppressore al varistore, poi di nuovo allo scaricatore di sovratensioni a gas.

Il principio della ripartizione della tensione funziona generalmente anche tra i diversi stadi di protezione nell'alimentazione. L'UW cade sul conduttore tra gli scaricatori di tipo 1 e 2 e tra quelli di tipo 2 e 3. Esistono però anche progetti per scaricatori per l'alimentazione, nei quali è possibile coordinare i gradi di protezione senza le lunghezze dei conduttori.

Legenda:

UG = tensione d'intervento scaricatore di sovratensioni a gas
UD = tensione di taglio diodo soppressore
UW = tensione differenziale sulla resistenza di disaccoppiamento

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