Realizziamo una protezione per rete elettrica e linea telefonica [fai-da-te]

Protezione rete elettrica e linea telefonica

Realizziamo un circuito e quindi una scheda elettronica in grado di proteggere i dispositivi da extra-tensioni ed extra-correnti. Utilizzabile anche come protezione da fulmini e sbalzi di tensione, sia per la linea telefonica che per la rete elettrica. Presentiamo il progetto completo di schema elettrico, lista parti personalizzabile in base alle varie esigenze (linea telefonica, rete elettrica, protezione EMI), piano di montaggio per la realizzazione e file gerber per la creazione del circuito stampato.

Protezione linea telefonica e rete elettrica

Con i file gerber in allegato potete creare la Vs. protezione personalizzata, montando e sperimentando i componenti che renderanno immune la Vs. applicazione da svariati disturbi.

Schema elettrico protezione

protezione rete elettrica e linea telefonica

N.B. Tutta la documentazione in alta risoluzione è presente nel file ZIP allegato.

Lo schema elettrico DEVE essere usato solo come riferimento, infatti offre diverse possibilità di sperimentazione:
LINEA TELEFONICA protetta in overcurrent e/o overvoltage
LINE ELETTRICA 230V protezione EMI e/o protezione extratensioni

Quindi potrete montare o NON montare vari componenti e poi sperimentare in laboratorio e sul campo, l'efficienza delle Vs, soluzioni.

Lista Parti protezione linea telefonica e rete elettrica

PROTEZIONE AC Revision: 0
Bill Of Materials
Item Qty Ref Part Farnell
__________________________________________________________
1 1 EF1 EMI FILTER PCBDELTA 06-MKA-FILTRO
2 1 GT1 GAS_TUBE3T23-A350X(EPCOS) 564205
3 2 JP1,JP2 HEADER 3 MT_2103
4 3 RV1,RV2,RV3 V250LA20 1057195
5 1 TR1 1.5KE440CA
6 1 PCB EMC001

 

La protezione di rete contro le interferenze (individuabile dalla presenza del filtro di rete) è utile per proteggere il proprio impianto, o i propri dispositivi dai disturbi emessi, sulla rete, da altri dispositivi. Un test da me effettuato è stato quello di collegare alla stessa presa un "phon" (asciugacapelli) elettrico ed un televisore. Senza protezioni il video veniva disturbato da fastidiose interferenze orizzontali, mentre inserendo la scheda tra i due dispositivi, i disturbi sparivano completamente. Questo è un caso limite ovviamente, probabilmente non vi capiterà mai di vedere (e ascoltare) la TV mentre vi asciugate i capelli, ma evidenzia bene la funzione della scheda filtro.

Considerazioni sulla Part List:

La lista parti presentata, può essere valida per una protezione di rete 230Vac contro le extratensioni (tramite i Varistori), i fulmini (tramite lo scaricatore a gas ed il transil) e come filtro di rete (tramite il filtro DELTA).

Di seguito possibili soluzioni/sperimentazioni.

 

PROTEZIONE DI RETE:

In questa versione, per migliorare le prestazioni si consiglia di NON COLLEGARE RV1 e RV3 a TERRA ma ad uno SCARICATORE a GAS che andrà a sua volta collegato a TERRA.

Item Qty Ref Part Note Farnell
_____________________________________________________
1 1 EF1 EMI FILTER PCB DELTA
06-MKA-FILTRO
2 1 GT1 NON MONTARE
3 2 JP1, JP2 HEADER 3 MT_2103
4 3 RV1,RV2,RV3 V250LA20 1057195
5 1 TR1 1.5KE440CA
6 1 PCB EMC001

 

PROTEZIONE LINEA TELEFONICA:

In questa versione il filtro di rete dovrà essere eliminato ed inseriti dei ponticelli, oppure inserire dei PTC in serie come protezione over-current.

 

Item Qty Ref Part Note Farnell
________________________________________________
1 1 EF1 PONTICELLARE COME DA SCHEMA
ELETTRICO,
OPPURE UTILIZZARE DEI
PTC
2 1 GT1 SCARICATORE A GAS 3 PIN
3 2 JP1, JP2 HEADER 3 MT_2103
4 3 RV1,RV2,
RV3
V250LA20 1057195
5 1 TR1 1.5KE440CA
6 1 PCB EMC001

Circuito Stampato PCB protezione rete elettrica e linea telefonica

Rame lato componenti (TOP)
ac-safe_top.png
Rame Lato Saldature (BOT)
Da notare il piano di TERRA e l'utilizzo delle PUNTE realizzate in rame per scaricare

ulteriormente extratensioni.ac-safe_bot.png
Serigrafia Lato Componenti (SST)
ac-safe_sst.png

Le punte sul PCB "spark gap"

Nelle protezioni commerciali, spesso un fattore che viene trascurato è quello fisico, in particolare dello spark gap.
Infatti dimensionando opportunamente delle punte sul circuito stampato è possibile "scaricare" molta energia (visibile dalla scintilla) proteggendo le zone a valle del circuito. La protezione è ovviamente grossolana ma molto potente, quindi efficace come protezione a monte delle protezioni primarie (che vedremo in seguito).

Considerando che parliamo di un dispositivo progettato anche per proteggere da fulmini e sovratensioni, era d'obbligo proteggere anche fisicamente i componenti che ne fanno parte. Un fulmine che cade nelle vicinanze può distruggere anche lo scaricatore a gas e quindi la scheda di protezione. (Un fulmine che cade nelle immediate vicinanze invece distrugge tutto comunque!).

ac-safe_esd1.jpg     ac-safe_esd2.jpg

Queste punte di scarica servono appunto a realizzare una solida scarica a terra di energia, aiutando il lavoro dello scaricatore a gas. Nel progetto le punte sono state realizzate ad una distanza di 1.2mm, quindi considerando la rigidità dielettrica dell'aria di circa 3KV/mm otteniamo 3600V. Questo valore varia in base all'umidità ed alla pressione atmosferica, comunque dai test da me effettuati con una pistola ESD risulta che la scarica avviene dai 4KV. Da considerare inoltre la realizzazione conica delle punte (appunto) e la rimozione del Solder Mask. Dimostrandoci ancora una volta quanto sia importante la costruzione geometrica delle piste nella realizzazione dei Circuiti Stampati PCB.

La scheda ultimata

Teoria delle protezioni

Per facilitare le sperimentazione ecco una breve trattazione dei tipi di protezione possibili. Le protezioni realizzate con il circuito in oggetto possono essere di 3 tipi:

>Protezioni Parallele

>Protezioni Serie

>Protezioni EMI

PROTEZIONI PARALLELE

Sono tipicamente quei componenti che proteggono il dispositivo, dalle EXTRA-tensioni (overvoltage) , in genere il loro utilizzo è condizionato dal fusibile (o protezione serie) che viene montato a monte. Infatti la scelta è dettata sia dalla corrente che devono assorbire, mantenendo protetto il circuito a valle, sia dalla corrente limite per far scattare il dispositivo di protezione serie a monte. Le protezioni parallele possono essere suddivise a loro volta in Primarie e Secondarie.
Le protezioni primarie si occupano per prime di attenuare il disturbo, quindi essendo di potenza (devono sopportare la massima energia) ma purtroppo NON sono molto veloci. Questo permette al disturbo, di trasferire il picco iniziale (uS) di extra-tensione al circuito, che in alcuni casi raggiunge anche migliaia di volts. A questo dovranno pensare quindi le protezioni secondarie.

protezioni

Questa Application Note della ST (AN579) rende bene il concetto di protezione primaria e protezione secondaria.

Inoltre di seguito viene rappresentata la risposta di REALE di una protezione primaria:

protezioni

Come potete notare nei primi 80uS siamo ancora sopra la soglia di 230V. Ulteriore testimonianza della necessità di una protezione secondaria nei circuiti sensibili.

PROTEZIONI SERIE

Le protezioni serie proteggono il dispositivo da extra-correnti (overcurrent) intervenendo quando la corrente supera la soglia dettata dal componente. Possono essere considerati in questa categoria, i fusibili, le resistenze di potenza ed i termistori PTC (Positive Temperature Coefficient) ed i Circuit Breaker. Nelle protezioni commerciali in genere non vengono utilizzati i fusibili, in quanto non sono ripristinabili, lasciando il compito di tale protezione a dispositivi a monte, fusibili, interruttori termici etc. oppure a dispositivi a valle, fusibili, fusibili autoripristinabili etc. In alcuni settori (Avionica) è invece espressamente richiesto l'utilizzo di fusibili non ripristinabili. Le resistenze di potenza vengono utilizzate per limitare la corrente che scorre sul ramo, in particolare in relazione all'innesco di dispositivi paralleli come i varistori ad esempio.
PTC: Sono dei componenti che variano la loro resistenza in funzione della temperatura, maggiore è la corrente che scorre, maggiore sarà la temperatura e quindi maggiore sarà la resistenza, proteggendo il dispositivo a valle. Sono molto usati nelle protezioni, sia di rete che telefoniche, in quanto ripristinabili (anche se lentamente).

EPCOS e VISHAY sono senza dubbio i piu importanti produttori di PTC

Riferimenti:

     

PROTEZIONI EMI

Servono a proteggere i dispositivi dai disturbi in frequenza presenti sulla rete elettrica. In particolare sono necessari (anche per superare le prove di omologazione) nei DIMMER, negli alimentatori SWITCHING etc considerati questi, come apparati che disturbano la rete. Inoltre possono essere anche impiegati per proteggere un dispositivo da eventuali disturbi in ingresso.

Possono essere autocostruiti utilizzando resistenze e, condensatori e bobine particolari (in genere negli alimentatori switching si autocostruiscono per avere la possibilità di progettare un filtro specifico ed intervenire in fase di certificazione) oppure si trovano già pronti in commercio.

L'accoppiamento dei vari componenti, nei vari livelli di protezione, renderà il Vs. circuito protetto verso una fascia più o meno ampia di disturbi.

ATTENZIONE: se collegate la rete elettrica 230Vac dovrete prendere le giuste precauzioni per evitare fulminazioni ed inserire la scheda nel corretto contenitore isolato.

Rimango, come sempre, a disposizione nei commenti per ogni eventuale approfondimento :)

 

Quello che hai appena letto è un Articolo Premium reso disponibile affinché potessi valutare la qualità dei nostri contenuti!

 

Gli Articoli Tecnici Premium sono infatti riservati agli abbonati e vengono raccolti mensilmente nella nostra rivista digitale EOS-Book in PDF, ePub e mobi.
volantino eos-book1
Vorresti accedere a tutti gli altri Articoli Premium e fare il download degli EOS-Book? Allora valuta la possibilità di sottoscrivere un abbonamento a partire da € 2,95!
Scopri di più

3 Comments

  1. Giorgio B. Giorgio B. 10 novembre 2013
  2. Davide Japan 30 giugno 2016

Leave a Reply

Flip&Click Arduino e Python compatibile

Fai un abbonamento Platinum (EOS-Book + Firmware), ricevi in OMAGGIO la nuova Flip&Click, inviaci il tuo progetto e OTTIENI IL RIMBORSO