progettazione elettronica di prodotti

PROGETTAZIONE ELETTRONICA DI CIRCUITI PER CARICHI INDUTTIVI

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 Il comando di solenoidi o relè di potenza è spesso necessario nelle applicazioni di automazione industriale e nei macchinari azionati da grossi motori diesel. Vediamo le regole generali per una buona progettazione elettronica di circuiti di comando.

La progettazione elettronica circuiti di comando per carichi induttivi non è complicata. Per evitare brutte sorprese occorre attenersi ad alcune regole:

  • SOVRADIMENSIONARE IL TRANSISTOR DI COMANDO IN TERMINI DI TENSIONE CORRENTE
  • CON I CARICHI IN CONTINUA PREVEDERE IL DIODO IN ANTIPARALLELO A BORDO SCHEDA
  • IMPORRE AL CLIENTE L'USO DEL DIODO IN ANTIPARALLELO ANCHE SUL CARICO INDUTTIVO
  • SEPARARE I CAVI DI COMANDO DEL CARICO INDUTTIVO DALLE PARTI SENSIBILI
  • PROVVEDERE FUSIBILI ELETTRONICI (MFR O PTC) PER LA PROTEZIONE CORTO CIRCUITO
  • LIMITARE IL RISING EDGE TIME E FALLING EDGE TIME  (EMC)
  • CONSIDERARE LA DISSIPAZIONE DI POTENZA IN CONDIZIONI DI SATURAZIONE
  • ESEGUIRE SEMPRE PROVE DI CORTO CIRCUITO ED INVERSIONI DI ALIMENTAZIONE
  • CONSIDERARE SEMPRE LA CONDIZIONE DI MANCANZA CONTINUITA' DELLA MASSA

 

DIMENSIONAMENTI

Non fatevi mai ingannare dal risparmio di mezzo euro. Il costo totale di un sistema non risiede qui. Il costo di un ritorno dal campo di una apparecchiatura difettosa è enorme in comparazione con un transistor o mosfet. Il mio parere è dimensionare lo stadio finale almeno il triplo nel nominale. Se si tartta di un carico induttivo 24V 3A, usare almeno un transitor da 10A-100V. Quello che deve preoccupare sono le condizioni di corto circuito oppure errato cablaggio. In ogni condizione il transistor di deve trovare nei limiti operativi (Absolute Ratings). Dovete collaudare il prototipo in condizioni di: corto circuito, inversione polarità, sconnessione intermittente del carico, bassa temperauta (-30) ed alta temperaura (+85).

PROTEZIONI

Non fatevi illusioni di risparmiare sulle protezioni anche se costano più del transistor. Io raccomando l'uso di PTC a bassa resistenza iniziale. Il transistor deve essere dimensionato con una corrente massima uguale alla VCC nominale diviso per la resistenza iniziale del PTC. Per esempio i PTC EPCOS C975 hanno una resistenza di 2,2 OHM a 85 gradi Centigradi. Questo vi permette una protezione sicura dal corto circuito con una VCC nominale si 24V. Usando un BD243 (NPN) potete comandare in modo sicuro elettrovalvole da 12V con una protezione straordinaria dal corto circuito e dalla inversione polarità. Nel caso di carichi che richiedono una corrente maggiore considerare eventualemente l'uso di fusibili extra rapidi.

SOVRATENSIONI

Per tanto bravi che siate, non riuscirete a vincere le forze della fisica. Senza entrare nell'argomento a livello elettrico, è da tutti risaputa la prbelmatica di apertura di un circuito induttivo. Non dovete avere paura di fare decine di prove di tutti i tipi per verificare la robustezza del progetto. Con i cairchi induttivi prevedere sempre il diodo smorzatore a bordo scheda (si deve chiudere al positivo di potenza) ed imporre al cliente l'uso dei diodi smorzatori sui carichi induttivi. Si tratta di aumentare la affidabilità del sistema e di creare un oggetto pulito, non inquinanante sotto il profilo elettromagnetico. Questo permette un funzionamento sicuro della logica ed evita di disturbare apparecchiature elettroniche delicate.

SCHEMA ELETTRICO CIRCUITO COMANDO IDOENO AI CARICHI INDUTTIVI IN CONTINUA

Nella progettazione elettronica di circuito di comando risulta sempre consigliable un optoisolatore (1) per evitare disturbi nella attuazione della uscita. L'optoisolatore comanda lo stadio di potenza. Potete mettere un condensatore in parallelo alla base del transistor finale per filtrare disturbi elettromagnetici. Si consiglia al massimo pochi micro farad per evitare di alterare il TURN-ON e TURN-OFF del transistor finale. Uno zener è richiesto per la protezione del fotoaccoppiatore dalle sovratensioni. Il finale di potenza deve essere opportunamente dimensionato per resistere alla corrente di corto circuito limitata dal PTC (5).

 
USO DI UNO O PIU' DIODI DI RICIRCOLO

 Obbligatorio il diodo di ricircolo collegato al positivo (5). L'attuatore magnetico ha il diodo di ricircolo installato il più vicino possibile al circuito magnetico (6). L'alimentatore di potenza deve avere un fusibile (9) per proteggere i collegamenti.  In fase di collaudo, vedere il comportamento del sistema in caso di interruzzione dei collegamenti in vari punti (7). Per alimentare la scheda elettronica si consiglia di usare collegamenti separati in modo che non transitino extracorrenti di chiusura ed apertura. L’impiego del diodo di ricircolo risulta particolarmente utile nel caso di comando di grossi relè in continua (centinaia di ampere). Il diodo permette una desiccitazione rapida del rele aumentandone enormenente la vita elettrica.

AUTORE BERNINI MENTORE CONSULENZA ELETTRONICA

PROGETTAZIONE ELETTRONICA DI SCHEDE SOTTOPOSTE AD ALTE TENSIONI

La progettazione elettronica di schede elettroniche sottoposte ad alte tensioni richiede una conoscenza accurata dei fenomeni delle scariche elettriche. Non basta l'uso di fotoaccoppiatori di alta qualità ed isolamento. Il collo di bottiglia di queste schede è sempre la progettazione della scheda elettronica. Anche se la scheda tuttavia è ben progettata, purtroppo l'invecchiamento, l'umidità e la polvere giocano brutti scherzi. Per la esecuzione corretta di un progetto in cui i componenti sono sottoposti ad alte tensioni occorre rispettare le seguenti regole.

A) Usare componenti approvati UL / VDE, limitare le correnti con fusibili adeguati

B) Limitare con dispositivi soppressori le tensioni al di sotto della capacità dei componenti

C) Praticare fresature da 1,8mm ([1]) per separare, con uno strato di aria, i componenti

D) Tropicalizzare con almeno 200 micron ([2]) i componenti ed il circuito stampato

E) Eseguire un test di isolamento ad alta tensione in conformità alle direttive IEC

12 pensieri su “progettazione elettronica di prodotti

  1. Buon giorno dove si trovano delle guide dove stabiliscono le distanze per gli isolamenti tra le piste, Sa dirmi che normative seguire. Io faccio schede a livello personale artigianaleper piccole automazioni. che spazio devo tenere minimo tra piste 230v e bassa tensione?Cosa fare se saltano sempre i varistori 275v? Grazie

    1. Per gradi.
      Ci sono degli standard europei per la progettazione dei circuiti stampati. Le linee guida sono stabilite dalla IEC61188 (LINK). Poi ci sono regole restrittive tipo TÜV (GERMANIA). Direi, tuttavia, che in generale sarebbe avere almeno 5mm netti di distanza tra le linee a tensione di rete e le piste a bassa tensione. Attenzione alle piste a 230V che passono vicino al bordo della scheda che non vadano in contatto con la carpenteria metallica! Anche lì, 5mm non fanno male!! Immagino che usi le piste 230V per alimentare un trasformatore da circuito stampato. In questo caso protegga con un fusibile. Un fusbile da un ampere rapido ha bisogno di una pista da 1,2 mm minimo. Se ha un fusibile rapido da 3,15 ampere deve usare piste da 2,5mm minimo!! In alcuni casi sarebbe meglio piste lato componenti e lato saldatura in parallelo! A lavoro fatto metta uno spray isonate protettivo tipo ‘PLASTIK 70’ o similare.Ogni tanto qualche foro metalizzato per equilibrare il potenziale. VARISTORI. Io userei dei 300V al posto dei 275V. USI VDR minimo di 20mm di diametro. Li protegge con un fusibile 10×38 (lasci perdere i 5×20, non servono a nulla). Io metteri dei fusibili super-rapidi da 3.15 AMPERE. BUON LAVORO

  2. A proposito di carichi induttivi. Come mai con gli alimentatori swiching, o detti in commutazione, i trasformatori sono così piccoli. Ho capito che a a che fare con la frequenza.Ma in che modo?? E perchè di conseguneza un alimentatore di tipo tradizionale a transistor per interderci pesa così tanto. Ho ancora un alimentatore lineare del 1980 SYNTRONIC da 30V 10 AMPRERE. Una macchina eccezionale. Funziona sempre anche se lo uso per caricare delle batterie. In compenso in 10 anni avrò buttato via 50 alimentatori swiching. saluti dal PESCATORE

    1. COSA SONO E COME FUNZIONANO GLI ALIMENTATORI TRADIZIONALI O LINEARI
      Gli alimentatori a frequenza di rete usano trasformatori a 50Hz per ottenere la bassa tensione. La bassa tensione viene raddrizzata con un ponte raddrizzatore. La tensione così ottenuta viene regolata da un circuito elettronico per avere la tensione e la corrente desiderati. Questo si ottiene per mezzo di transistor, circuiti integrati, condensatori e componenti vari. Peso di un oggetto di questo tipo circa 2-4 Kili per un alimentatore da 24V 10 ampere (circa 240 Watt effettivi, ma con circa 300W assorbiti dalla rete). Questi alimentatori sono spesso chiamati ‘LINEARI’. Hanno un basso rendimento ma altissima stabilità e precisione. Esistono ovviamente altre categorie miste lineari e commutazione (parzialmente lineai e parzialmente in commutazione).

      COSA SONO E COME FUNZIONANO GLI ALIMENTATORI SWITCHING
      La tecnologia switching permette di raddrizzare direttamente la tensione di rete in una tensione continua molto alta (200-400V). Un trasfromatore commutato ad alta frequenza, trasferisce la energia in un circuito a bassa tensione. La frequenza di commutazione varia dai 20kHZ ai 500kHZ. In questo modo, si ottengono alimentatori che pesano un quarto o meno degli alimentatori tradizionali lineari. Circuiti più o meno complessi si occupano di filtrare e regolare la tensione e la corrente. Si usano circuiti integrati progettati appositamente per lo scopo.

      PERCHE’ GLI ALIMENTATORI SWITCHING PESANO DI MENO?
      Occorre vedere la figura con la analogia idraulica. Per trasferire l’acqua dal serbaotio [1] in figura al serbatoio [2] uso un mestolo grande. Se il serbatoio ha 10 litri ed il mescolo porta 0,2 litri, mi occorrono 50 operazioni!! Se lo voglio trasferire in un secondo mi occorrono 50 operazioni in un secondo (ovvero 50HZ). Ma se ho a disposizione un mestolo da 0,05 litri mi occorrono 200 passaggi in un secondo (200 HZ). Questo spiega perchè per trasferire energia dal primario al secondario, a parità di potenza, posso usare un trasformatore più piccolo. Il funzionamento dettagliato degli alimentatori a commutazione è materia complessa. Richiede la conoscenza di attrezzi matematici per comprenderla pienamente.
      Come funziona un alimentatore switching

  3. Sono un meccanico. HO un caricabatterie da 20 ampere 12V (ma fa anche 24v) dopo circa 10-20 minuti, specialmente con batteria scarica inizia a fare un ronzio tipo sibilo. Ma non è il ronzio tipico di un trasformatore che vibra. è UN suono con una tono molto alto tipo fischio. Ho smontato il tutto e suppongo che è switching considerando che è molto leggero.
    All’interno tutto ok a parte un po di polvere. L’ho pulito con il compressore. L’ho rimontato ed è andato bene per qualche giorno. Dopo di che di nuovo lo fa. Ho visto la scheda interna, un sacco di fili e ammenicoli vari. Dando una botta con la mano a volte smette. Mio figlio dice che il fischio è fastidioso al massimo. quando lo accendo in officina non riesce a studiare…Qualcuno ha idee prima che lo metto nei rottami???

    1. Molto strano….ma tuttavia potrebbe essere veramente un problema di scalibrazione della frequenza dell’alimentatore switching. Probabilmente è una vecchia tecnologia a 20khz. Quando la frequenza scende, le vibrazioni o le sottoarmoniche (in pratica sottomultipli della frequenza) entrano nel campo sensibile all’orecchio che è intorno ai 15.000-18.000 HZ. Dipende dall’età. I più giovani hanno una sensibilità migliore alle frequenze alte. Sopra i 50-60 anni l’orecchio perde la capacità di sentire le alte frequenze.
      Potrebbe essere un problema del circuito di limitazione della corrente di uscita. Entra in funzione una protezione che toglie-stacca-toglie il carico ad una frequenza tale da non permettere alla corrente di passare certi limiti.
      Potrebbe fare una cosa. Risulta sperimentata in un caso simile. Dovrebbe pulire accuratamente la scheda elettronica. Dovrebbe proteggere accuratamente con nastro isolante i connettori e le evetuali regolazioni (i trimmer per esempio). Dopo avere fatto una pulizia superlativa lo scaldi per bene con un phon per capelli. Attenzione a non arrostire i componenti. Scaldi bene per 10 minuti. Lo faccia raffreddare e provi a vedere se funziona (ok se fischia, nessun problema). A questo punto usi uno spray isolante per elettronica per alte tensioni. Dia uno strato leggerissimo. Non devono esserci assolutamente gocciolamenti. Dopo circa 30 minuti ancora uno strato. Ripeta per alemno 3 volte. In questo modo vengono fissate le parti soggette a vibrazioni. Tolga il nastro adesivo che ha usato per proteggere le parti sensibili alla vernice. Metta in funzione, si dovrebbe risolvere………..

  4. Esiste qualche procedimento con il tester per vedere se il motorino di avviamento sta perdendo efficienza? Mi spiego. Ho un fuoristrada TOYOTA diesel. Recentemente fa fatica a partire. L’elettrauto dice che occorre cambiare la batteria. Il meccanico diche che potrebbe essere il filtro del gasolio oppure una candeletta che fa le bizze. Un altro elettrauto dice che occorre cambiare la centralina elettronica che controlla l’avviamento. Faccio notare che ho appena cambiato il motorino di avviamento un anno fa circa. Appena cambiato tutto ok,,,dopo qualche mese ho cambaito anche la batteria. Insomma un dramma. Nessuno mi mette a posto questo benedetto motore. Voi elettronici di mestiere avte qualche idea???? qualcuno potrebbe darmi un consiglio oppure un aiuto??

  5. Non mi sembra ci sia una strumentazione particolare. Probabilmente ogni casa automobilistica ha i propri sensori e sistemi diagnostici. Per esperienza e per sentito dire, queste sono le linee guida.
    1) Sarebbe buona norma almeno 2-3 anni, smontare il motorino di avviamento e cambiare le spazzole del rotore. Questa è certamente una buona prevenzione.
    2 ) Se il motore, specie se diesel parte non prontamente è normalmente segno di una ridotta efficienza del motorino di avviamento. Per un diesel da 2-3 litri occorre un motorino da almeno 2kW. Questo significa una corrente di circa 170 Ampere.
    3 ) Verificare ogni 6 mesi se il corpo del motorino di avviamento è sudicio. Per i fuoristrada occorre quansi sempre rimuovere una ruota anteriore per accedere al motorino di avviamento. Ci sono delle gonnelle di gomma da asportare.
    Se il motorino è sudicio, c’è una perdita di olio dal filtro o da quanche tenuta. Il motorino è abbastanza sigillato, ma non ama molto il sudiciume di origine organica. Si corrodono i collegamenti ed aumenta il rischio di malfunzionamento.
    5) Se il motore parte a fatica, risolvere immediatamente il problema. Il motore deve partire sempre prontamente. Se si insiste in questa situazione, si può rimanere a piedi da un momento all’altro senza ulteriori preavvisi.
    6) Il comportamento tipico di spazzole fuori uso è il tipico CLICK CLACK sordo che si avverte quando si lancia il comando di avviamento con la chiave.
    7) Non sempre la partenza non efficiente indica un problema al motorino. Occorre verificare efficienza delle candelette e del circuito gasolio.
    8) Buona norma è acquisire un buon orecchio sul proprio motore. Il motore occorre sentirlo..come una parte del proprio corpo. Occorre rimediare al più presto ogni anomalia. Il protrarsi delle anomalie nel tempo causa grav problemi a volte costosi da rimediare.
    9) Come capire se il problema è dovuto alla batteria. Sinceramente non è facile. Ma in generale, se dopo avere caricato la batteria (attenzione!! occorre rimuoverla dalla vettura, o per lo meno scollegare il negativo), il motore non parte prontamente…di cero non è la batteria. Ci sono casi intermedi, certo.
    10) Per una buona carica seguire le istruzioni nel libretto della batteria. Se durante la carica la tensione supera i 15V significa che la batteria ha un impedenza interna elevata. In questo caso è da cambiare. La soglia di allarme è la segunete.
    Se con una corrente si 5 Ampere in continua (attenzione corrente perfettamente continua) la tensione supera i 15Volt, la batteria è da sostituire. Questa prova deve essere fatta con un alimentatore a corrente costante con limitazione tensione a 16V. Putroppo questa prova in pochi la sanno fare poichè un generatore di corrente risulta uno strumento professionale ad uso dei laborratori di elettronica. FLAVIO

    1. Io ho un NISSAN NAVARA 2,7TD. Ho gia cambiato 2 motorini di avvimanto. Lo smontaggio è un incubo. Sono rimasto a piedi fuori città. Fortunatamente ho l’assicurazione ed hanno portato la macchina i service. Il tutto è successo giusto una settimana dal tagliandio, pazzesco! In concessionaria ho detto che il motore faeva fatica a partire. Mi hanno liquidato dicendo cha la batteria deve essere cambiata. Ho messo in carica la batteria e dopo averla collegata, lo stesso risultato: il motore fatica a partire. Finchè un bel pomeriggio di domenica sono rimasto a piedi. Ho fermato la macchina per una pausa e poi non è più ripartita. Ho portato i motorini sostituiti da uno specialita ed ha trovato le spazzole a zero!! Faccio notare che uso la macchina 2 volte alla settimana solamente!! Non faccio 1000000 avviamenti!! Con tutta la elettronica a bordo oggi delle macchine non credo sia complesso progettare un dispositivo che segnali la usura delle spazzole. Dal punto di vista elettronic non serve una grande cosa. Occorre leggere la tensione ai morsetti del motorino di avviamento e leggere la corrente consumanta. Un semplice calcolo evidenzia il cambio di impedenza del motorino di avviamento. OK, dipende dalla temperatura, dalla densità dell’olio. Tutti parametri che il microcontrollore può tranquillamente stimare. Quando i parametri escono dal range impostato il sistema invia un allarme giallo di avviso: revisione motorino avviamento. A me sembra molto semplice dal punto di vista progettuale elettronico.

  6. Facciamo macchine agricole speciali su richiesta. Quanto costa progettare una scheda che ferma il meccanismo quando una persona si avvicina alle parte in movimento. Si possono usare sensori di commercio credo. Come si collegano alla macchina. Il meccanismo è funzionanete da olio idraulico che aziona una piccolo motore a turbina. Ho affidato il progetto a diverse persone ma da 3 anni non hanno risolto. Solo soluzioni mezze funzionanti. Come avere una soluzione radicale. Se interessato a risolvere il problema mandi mail a saveria.bellini@yahoo.it. Paghiamo bene, ma da quello che ho capito non è questione di soldi, ma di testa.

  7. sulla pagina di internet vostra vedo applicazioni con il soccorritore per la pompa sommersa. Ma non capisco bene se occorre il quadro automatico oppure no. Risulta possibile progettare una apparecchiatura elettronica che mette in funzione la pompa quando manca la corrente? Non è sufficiente usare un comune UPS del tipo di quelli per computer. Magari di potenza maggiore. Non capsico bene perchè occorre il soccorritore. Quale è la differenza funzionale e dal punto di vista elettronico tra un soccorritore ed un UPS?

    1. Buon giorno. A questa pagina di facebook vede un articolo pubblicato che spiega i dettagli https://www.facebook.com/Quadri.Automatici/.
      Teoricamente, se intende affrontare il problema da solo, potrebbe usare un UPS. Immagini di collegare la pompa al posto del computer. Molto semplice. Tuttavia occorre un UPS di potenza almeno 5 volte la potenza della pompa. Ad esempio se ha una pompa da 700 WATT occorre un UPS da 3500W. In relazione della durata del black out deve dimensionare la capacitù delle batterie. Il soccorritore per pompe sommerse è invede dimensionato per lo scopo. Tutto dipende dall’investimento che intende fare. Un UPS di mercato cost dai 200 ai 400 euro. Un soccorritore professionale costa 900 Euro.

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