Realizziamo un cercatore di corto circuiti

Questo ingegnoso dispositivo di test localizza i cortocircuiti trasmettendo degli impulsi di corrente sul conduttore in prova e rilevando il campo magnetico creato. Il dispositivo utilizza il sensore di Hall. E' capace di discriminare eventuali interferenze e lavorare in due diverse modalità operative. Per la fonte di alimentazione utilizza due batterie al litio, estremamente reperibili ed economiche.

Introduzione

Quando si verificano cortocircuiti nei fili elettrici o nei cavi, trovare con precisione il punto del difetto è tutt'altro che semplice. E' ovvio che occorre rintracciare il problema in prossimità del campo magnetico. Ciò tuttavia si verifica se il cortocircuito sovraccarica il componente che normalmente produce il flusso di corrente e provoca la sua chiusura temporanea o permanente. Un dispositivo di prova deve, quindi, essere in grado non solo di rilevare e indicare i campi magnetici ma anche di generare,  in modo affidabile, la giusta corrente di test attraverso il conduttore in condizioni di cortocircuito.
Il dispositivo presentato in questo articolo ha due modalità operative di funzionamento: generazione di corrente a impulsi o di corrente costante. Nella modalità a corrente costante il campo magnetico è già rilevabile con un movimento impercettibile del sensore. Nella modalità a impulsi il campo magnetico generato dalla corrente non può essere confuso con altri campi magnetici interferenti come, ad esempio, il magnetismo terrestre. Per questo motivo il tester è costituito da due unità indipendenti in alloggiamenti separati: un generatore di corrente che consente a essa di fluire attraverso il conduttore cortocircuitato e un sensore che rileva il campo magnetico e segnala la sua presenza in modalità sonora e ottica. Entrambe le unità prevedono la propria alimentazione, grazie all'uso di batterie agli ioni di litio, ciascuna dotata di un apposito circuito di ricarica. Se il cortocircuito è a bassa resistenza, il tester può localizzarlo senza la necessità di rimuovere alcun componente. L'utilizzo del sensore consente non solo d'individuare i cortocircuiti ma anche di rilevare i campi magnetici in generale (ad esempio quelli causati da relè, elettromagneti e componenti simili).

Ordini di grandezza

Prima d'iniziare a progettare la parte elettronica, esaminiamo la problematica dell'intensità del campo magnetico. Il vero problema da affrontare stà nella bassa sensibilità dei sensori di Hall, che può variare tra 10 mV/mT e 100 mV/mT. La forza di un campo magnetico (H) può essere misurata usando l'intensità del flusso magnetico (B) in unità di Tesla (T). Per dare un'idea dei vari ordini di grandezza, ecco un paio di esempi: il campo magnetico terrestre, alle nostre latitudini, ha una densità di flusso di circa 50 μT; la soglia per i campi elettromagnetici causati dalla rete di alimentazione a 50 Hz o 60 Hz è di circa 100 μT. Questi valori possono essere confrontati con il flusso magnetico (B) determinato da una corrente (I) in un conduttore lineare secondo la formula:

B = μ0 × H = μ0 × I / 2 πr [T]

dove μ0 indica la costante del campo magnetico e r è la distanza dal conduttore. Possiamo calcolare che una corrente di 250 mA crea un campo la cui intensità, a una distanza di 3 mm dal conduttore, ammonta a soli 16,7 μT. Il campo magnetico terrestre è quindi tre volte più forte, per non parlare degli effetti d'interferenza a 50 Hz (60 Hz). Per questo motivo abbiamo bisogno di utilizzare il sensore più sensibile possibile. Inoltre è necessario che la corrente di test deve essere la più alta possibile, considerando che il dispositivo viene alimentato a batterie. Questo è l'unico modo con cui si può impedire che il segnale utile si mescoli completamente col rumore.

Il sensore

La prima fase per la realizzazione del dispositivo è quella di reperire un valido sensore di Hall. Tra diverse prove è risultato adatto l'ACS712-05 della Allegro Microsystems [1]. Come si può vedere in figura 1, esso dispone di otto connessioni, di cui 1-2 e 3-4 sono riservati per il rilevamento della corrente attraverso il campo magnetico. Per mantenere il sensore il più vicino possibile al conduttore, i pin superflui vanno eliminati.

Figura 1: il sensore di Hall utilizzato

Figura 1: il sensore di Hall utilizzato

La figura 2 mostra lo schema completo del tester suddiviso in due parti logiche (il sensore, in alto e  il generatore di corrente, in basso). La tensione di uscita del sensore ACS712-05 (IC1) sul pin 7 è di +2,5 V senza la presenza del campo magnetico e aumenta o diminuisce,in base al verso della corrente in transito. L'oscillazione della tensione, che viene di molto attenuata da R1 e C7 (infatti è di soli alcuni millivolt nel nostro esempio, 250 mA a una distanza di 3 mm) deve essere amplificata in modo significativo. Dopodiché viene confrontata con una tensione di soglia regolabile da P1 (sensibilità). Il classico doppio comparatore LM393 (IC2) è adatto a questo compito. Sull'uscita di IC2.B si ottiene, quindi, un impulso negativo, che non solo aziona un LED ma innesca anche un avvisatore acustico. In questo modo non c'è bisogno di tenere sotto controllo il LED per tutto il tempo della misurazione. L'allarme acustico consiste in un semplice timer 555 (IC3) e un trasduttore acustico piezoelettrico passivo. La sua frequenza viene impostata agendo su P2. Gli allarmi acustici e ottici sono pilotati con l'unità di alimentazione. Nel funzionamento a impulsi garantiscono che si sta incontrando un vero campo magnetico e non un segnale d'interferenza. I LED e il cicalino devono illuminarsi, o emettere suoni, a seconda dei casi, simultaneamente o alternativamente. Un funzionamento alternato del LED e del cicalino indica una direzione inversa della corrente nel conduttore di ritorno. Il sensore funziona con una tensione di 5 V. Poiché le batterie agli ioni di litio erogano solo 3,7 V, un convertitore di tensione CC-CC MCP1640 della Microchip [2] provvede all'innalzamento necessario. La tensione di uscita viene impostata utilizzando il partitore di tensione R16/R17/R18 in base alla seguente formula:

VOUT = [(R16/R17||R18)+1]×1.21 [V]

Esistono diverse versioni del convertitore e qualsiasi modello è adatto. Il sensore è disposto come una sonda, all'interno di un proprio involucro che può essere ricavato da un profilo di plastica a forma di L (25 mm x 25 mm) acquistabile in un centro fai da te. Il sensore di Hall si trova sulla punta esterna della sonda e va "passato" lungo il conduttore. Esso è alimentato da una batteria ricaricabile e può essere ricaricata tramite una presa mini USB sul dispositivo.

Figura 2: lo schema elettrico del dispositivo sensibile (in alto) e il generatore di corrente (in basso)

Figura 2: lo schema elettrico del dispositivo sensibile (in alto) e il generatore di corrente (in basso)

Il generatore di corrente

Nell'esempio sopra riportato, la corrente sul conduttore in corto è impostata a circa 250 mA. Tale valore è un buon compromesso tra la forza del campo magnetico sul sensore e la corrente erogabile dalle batterie e quella che attraversa il conduttore. Se il segnale non può essere determinato dal sensore, vi sono due possibilità: aumentare la corrente fino a 500 mA o commutare dalla corrente continua a quella a impulsi. In particolare, la corrente pulsata dovrebbe garantire che il campo magnetico generato non possa essere confuso con quelli interferenti. Vediamo ora come questi compiti sono gestiti dalla parte elettronica. L'alimentazione è ottenuta da una batteria agli ioni di litio con una tensione di 3,7 V e viene inviata a un convertitore di tensione CC-CC (IC6), l'MC3463 [3]. L'IC è configurato come un convertitore step-down la cui tensione di uscita è impostata su 250 mV. La tensione non è rilevante ai fini della forza del campo magnetico. Normalmente, la tensione di uscita viene impostata dal rapporto di due resistenze tra l'ingresso del comparatore interno e la tensione di uscita o la massa, a seconda dei casi. L'amplificatore operazionale IC8.A, un LM358, amplifica la tensione di uscita del convertitore da 250 mV a 1,25 V e la invia, tramite R23, al comparatore interno del convertitore. Questa tensione corrisponde al riferimento interno di 1,25 V, in modo che l'IC stabilisca la tensione di uscita. La seconda parte di IC8 è configurata come multivibratore. La sua frequenza è di circa 1 Hz ed è regolata tramite P4. L'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata a due transistor PNP. T1 aziona un LED e un cicalino piezoelettrico con una cadenza di 1 Hz (il rumore può essere eliminato con S3). Tuttavia, il compito più importante è quello di attivare il transistor T2 tramite R31. Il collettore del transistor interno a IC6 deve essere collegato alla tensione di ingresso solo durante un impulso. Nell'intervallo tra gli impulsi, il transistor  deve rimanere in interdizione e, in questo caso, il convertitore non fornisce alcuna corrente in uscita. S4 commuta tra un funzionamento permanente e a impulsi. Affinché l'LM358 possa funzionare come amplificatore, la sua tensione d'alimentazione deve essere leggermente più alta rispetto a massa. Il polo negativo della batteria non è collegato a terra direttamente ma tramite un diodo Schottky D2, che offre una piccola ma adeguata caduta di tensione di circa 0,3 V. In alternativa potremmo utilizzare un doppio amplificatore operazionale rail-to-rail rendendo superfluo il diodo Schottky. Il polo negativo della batteria potrebbe quindi essere collegato direttamente a massa e il diodo Schottky non sarebbe più necessario. All'uscita del convertitore CC-CC (IC6) c'è una tensione continua, portata a massa attraverso due resistori. Questo lo rende un autentico generatore di corrente. Secondo la legge di Ohm, la corrente è di 250 mA quando il conduttore in prova è collegato a R38 (K4) e 500 mA quando la connessione tra i due resistori viene effettuata su K3. L'altra estremità del conduttore è ovviamente collegata a massa in K5, tramite un filo lungo circa 10 mm, il cui campo magnetico abilita il sensore.

Ricarica delle batterie

Entrambe le unità del tester prelevano l'energia per funzionare dalle batterie agli ioni di litio. Per quella più robusta (3.7 V e 4.1 Wh) è stata utilizzata quella di uno smartphone Samsung Galaxy 3 in disuso e può essere acquistata su Internet a un prezzo molto basso (rif. EB504465VUC). Per quella più piccola (3.7 V e 200 mAh) per il sensore è stata utilizzata quella di una videocamera Mini-DV PMDV85 (rif. D1A083382009). In ogni caso si può utilizzare qualsiasi tipologia di batteria, l'importante è rispettare la tensione e le dimensioni fisiche. Viene utilizzato lo stesso tipo di regolatore di carica per entrambe le batterie: MCP73812 [4] della Microchip (IC5 e IC7). Questi circuiti integrati sono stati appositamente progettati per ricaricare le batterie agli ioni di litio. La curva di ricarica è fissata ai valori di default. Tuttavia, il processo di ricarica non si interrompe automaticamente quando la batteria è completamente ricaricata, ma solo quando si rimuove la tensione di alimentazione dal circuito di ricarica. Il resistore sul pin 5 del controller corregge la corrente di carica. Il consumo energetico della sorgente dipende ovviamente dal carico. Con una corrente di prova costante di 500 mA (a 250 mV), il flusso di corrente della batteria da 3,7 V è di 148 mA. Con R19 di 10 kΩ  la corrente di carica è impostata a 100 mA (a 5 V). Questo livello di potenza può essere preso da una presa USB. Per il sensore, che richiede molta meno energia (circa 25 mA), la corrente di carica può essere ridotta a 50 mA attraverso R15 di 20 kΩ. Anche in questo caso l'energia proviene da una porta USB.

>>>Leggi anche: I metodi e problemi della misura dell’ESR dei Condensatori

Costruzione e utilizzo

E' possibile realizzare il PCB per entrambe le unità del dispositivo, che si può trovare nella pagina del progetto [5]. Per il generatore di corrente viene utilizzato un involucro in plastica adatto (vedi figura 3), mentre per il sensore è necessario creare un alloggiamento personalizzato (vedi figura 4).

Figura 3: l'alloggiamento del dispositivo ha anche lo spazio per una batteria al litio

Figura 3: l'alloggiamento del dispositivo ha anche lo spazio per una batteria al litio

 

Figura 4: la custodia per il sensore è assemblata mediante profili di plastica venduti nei negozi di fai da te

Figura 4: la custodia per il sensore è assemblata mediante profili di plastica venduti nei negozi di fai da te

Links

[1] www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS712-Datasheet.ashx
[2] www.microchip.com/wwwproducts/en/en547080
[3] www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063A-D.PDF
[4] www.microchip.com/wwwproducts/en/MCP73812
[5] www.elektormagazine.com/160337

 

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2 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 31 gennaio 2019
  2. Fulvio De Santis Fulvio De Santis 31 gennaio 2019

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