La protezione dei circuiti non deve necessariamente essere complicata, ma casi d’uso e ambienti diversi richiedono progettazioni e soluzioni ingegneristiche più intelligenti per garantire che l’elettronica, i computer e i macchinari delicati di oggi non si brucino durante gli eventi di sovracorrente. (Immagine per gentile concessione di Carling.)

L’elettronica presente nei nostri dispositivi, macchinari e infrastrutture è diventata più piccola, più complessa e più delicata. Se da un lato questa tendenza verso la miniaturizzazione ci ha permesso di integrare dispositivi più potenti, intelligenti e veloci in quasi ogni cosa, dall’altro ha reso i nostri dispositivi più sensibili a picchi di potenza imprevedibili e ad altri eventi di sovracorrente.

Non sono solo l’elettronica di consumo o i circuiti domestici a necessitare di protezione. Sin dall’elettrificazione degli Stati Uniti d’America nel 19esimo secolo, l’elettrificazione e la conseguente automazione delle nostre fabbriche e linee di assemblaggio—e negli ultimi decenni, degli enormi data center. Nel complesso, queste richieste di energia elettrica hanno superato quanto chiunque nel 1800 avrebbe potuto prevedere. Questa crescita senza precedenti nell’uso dell’energia—dai nostri PC domestici ai PLC nelle nostre fabbriche—rende necessaria una protezione affidabile contro la sovracorrente per garantire lo stile di vita dei cittadini e la produttività delle nostre economie.

Gli ambienti ad alta tensione e alta amperaggio possono essere pericolosi per i lavoratori. La protezione dei circuiti non protegge solo le risorse che utilizzano energia, ma anche le vite umane.

Tra le numerose vulnerabilità dell’elettronica moderna, due eventi di sovracorrente sono i più comuni. Uno dei più comuni è il cortocircuito. Il cortocircuito si verifica quando si crea un anello dalla fonte di alimentazione verso se stessa, in cui pochissima o nessuna impedenza agisce sulla corrente. Questo trasforma il circuito in un ciclo di retroazione positiva, con gli elettroni nel circuito che risuonano, accumulando sempre più energia nel tempo. L’unico modo per smaltire questa energia crescente è trasformarla in energia termica. Questo aumento di calore può danneggiare l’elettronica e i circuiti sensibili, arrivando persino a causare esplosioni.

Il secondo evento di sovracorrente più comune sono i picchi di tensione. Questi si verificano quando aumenti anomali di corrente si aggiungono a un circuito, superando il carico di corrente previsto per cui il circuito è stato progettato. Un esempio è un fulmine che colpisce nei pressi di un’infrastruttura elettrica.

Inoltre, proteggersi dagli eventi di sovracorrente non serve solo a proteggere l’elettronica o i macchinari industriali; serve anche a proteggere lavoratori e utenti. In altre parole, la protezione dei circuiti funge anche da misura di sicurezza per garantire l’incolumità di persone come i lavoratori delle fabbriche, i consumatori e chiunque si trovi nelle vicinanze. Gli eventi di sovracorrente possono causare esplosioni, incendi e superare i livelli di amperaggio che il corpo umano può sopportare. In caso di sovracorrente energizzata, la protezione dei circuiti rappresenta l’ultima linea di difesa contro lesioni o incidenti potenzialmente letali.

Come funziona la protezione dei circuiti

La protezione dei circuiti si basa sull’idea di progettare un punto debole lungo un circuito, in modo che gli eventi di sovracorrente che superano una soglia di corrente attivino un interruttore per aprire il circuito e interrompere la corrente.

I fusibili sono stati tra i primi metodi di protezione dei circuiti ad essere ampiamente accettati. Solitamente, i fusibili sono sottili pezzi o strisce di metallo con un punto di fusione vicino alle temperature che la loro resistenza produrrebbe con una quantità di corrente inaccettabile. L’energia termica generata dalla corrente fa fondere il fusibile metallico e apre il circuito, interrompendo tutta la corrente. Sebbene i fusibili svolgano bene il loro compito, il loro design relativamente semplice può variare in efficacia a seconda del caso d’uso specifico. A volte, è necessario utilizzare metodi di protezione dei circuiti più complessi che offrono vantaggi in casi d’uso più articolati.

Ecco gli interruttori automatici.

Gli interruttori automatici sono stati progettati come fonte più affidabile di protezione per circuiti ed elettronica. Un interruttore automatico contiene più componenti che possono essere calibrati dagli utenti o dai produttori per soddisfare le esigenze dei singoli casi d’uso, anziché affidarsi alla resistività di una sottile striscia di metallo, come fa un fusibile. Il design degli interruttori automatici può variare in base agli usi e alle condizioni, ma l’idea generale è che un componente sia influenzato dalla corrente (monitorandola), mentre un altro componente (a volte noto come attuatore) interrompe il circuito in caso di sovracorrente.

Hardware moderno disponibile

Esistono tre principali categorie di hardware moderno utilizzato per la protezione dei circuiti dagli eventi di sovracorrente: idraulico-magnetico, termico e a dispersione (a volte noto come guasto a terra).

Gli interruttori automatici idraulico-magnetici sono composti da un componente idraulico e uno magnetico. Sfruttano la teoria dell’elettromagnetismo che governa i solenoidi e le aste con nucleo di ferro per controllare il flusso di elettricità attraverso il solenoide man mano che l’asta con nucleo di ferro circondata dal solenoide si muove. Il tempo di reazione di questi interruttori dipende dalla viscosità del liquido utilizzato, che funge da mezzo tra l’asta con nucleo di ferro e il solenoide. Più viscoso è il liquido utilizzato, più alta sarà la soglia per un evento di sovracorrente.

Un semplice interruttore automatico idraulico-magnetico mentre la corrente è ai valori nominali o inferiori. (Immagine per gentile concessione di Carling Electronics.)

Gli interruttori automatici termici utilizzano strisce bimetalliche e un processo simile a quello presente nei termostati. I due metalli della striscia rispondono in modo diverso alle condizioni termiche, con un metallo che si espande più rapidamente dell’altro. Questo fa piegare la striscia verso il lato del metallo che si espande più lentamente, aprendo il circuito se la corrente produce troppo calore.

Una raccolta di interruttori automatici termici, tra cui la serie CMB, che ha una capacità di interruzione massima di 2500A a 32VDC. (Immagine per gentile concessione di Carling.)

Gli interruttori automatici per dispersione di apparecchiature e guasto a terra utilizzano misurazioni della forza elettromotrice (FEM). Le correnti in ingresso e in uscita producono FEM uguali in intensità ma opposte in segno (positivo o negativo). Durante il normale flusso, la somma dell’ingresso e dell’uscita si annulla a vicenda e il circuito rimane chiuso. In caso di sovracorrente, una di queste FEM sarebbe maggiore dell’altra, dando luogo a una FEM netta diversa da zero che viene rilevata e attiva l’apertura del circuito.

Un’immagine di un interruttore della serie PC che unisce le migliori caratteristiche di un interruttore differenziale con un normale interruttore automatico. (Immagine per gentile concessione di Carling.)

Ogni tipo di interruttore automatico moderno ha i suoi vantaggi e svantaggi e offre soluzioni per diversi casi d’uso. Quando si sceglie un tipo di protezione dei circuiti, è meglio comprendere i pro e i contro di ciascun tipo per capire quale soddisfi le condizioni del caso d’uso. Ad esempio, gli interruttori automatici termici non sono ideali per luoghi con temperature ambientali troppo alte o troppo basse, che possono causare falsi attivazioni (temperatura troppo alta) o impedire all’interruttore di attivarsi mai (temperatura troppo bassa).

L’elettronica e i macchinari in ambienti difficili necessitano di soluzioni di protezione dei circuiti che non falliscano in tali condizioni. Ad esempio, se le condizioni sono subacquee o l’aria ha un’alta concentrazione di particolato, allora un interruttore automatico certificato sigillato a livello di pannello e leva funzionerebbe al meglio.

Per le situazioni non presidiate in cui l’elettronica o i macchinari non sono osservati da utenti o lavoratori, la protezione dei circuiti è anch’essa molto importante. In questi casi, gli eventi di sovracorrente possono passare inosservati per periodi prolungati, il che può portare a danni a unità e circuiti costosi, oltre a far scoppiare e propagare incendi. Un esempio di questa situazione è il numero crescente di array negli impianti di energia solare. Non è raro che gli ingegneri di questi array ripongano la loro fiducia negli interruttori automatici idraulico-magnetici per la loro capacità di resistere a temperature estreme meglio degli interruttori bimetallici. Tuttavia, a causa delle condizioni spesso estreme in cui possono essere installati gli array solari, è necessaria una progettazione aggiuntiva per prevenire il surriscaldamento causato dalla presenza di archi elettrici dopo l’interruzione del circuito.

Il primo passo verso una protezione dei circuiti più intelligente è individuare quale interruttore automatico offra la soluzione migliore. Per qualsiasi caso d’uso o condizione ambientale, è probabile che esista un interruttore automatico in grado di ridurre i costi, diminuire la probabilità di guasti critici, aumentare la sicurezza e soddisfare eventuali standard e certificazioni regionali. Inoltre, così come le nostre macchine ed elettronica diventano ogni giorno più intelligenti e migliori, anche le tecnologie e l’ingegno alla base della protezione dei circuiti stanno crescendo, quindi tenete d’occhio le nuove innovazioni!

Per saperne di più sui componenti di protezione dei circuiti di Carling, visitate https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

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