Protezioni dell’alimentazione: fusibili, TVS e inversione di polarità
Un buon alimentatore non basta: un circuito reale deve sopravvivere anche a cortocircuiti, sovracorrenti, transienti e collegamenti errati. Vediamo come lavorano fusibili, PTC, diodi TVS e circuiti contro l’inversione di polarità, e soprattutto perché queste protezioni svolgono compiti diversi e spesso devono essere utilizzate insieme.
Perché un circuito ha bisogno di protezioni?
Un ingresso di alimentazione può essere esposto a condizioni molto diverse da quelle nominali. Un cavo può essere collegato al contrario, un componente può andare in cortocircuito, un carico induttivo può generare un transitorio oppure una sorgente può fornire una tensione anomala.
Il fusibile: semplice ma fondamentale
Il fusibile contiene un elemento conduttore progettato per interrompersi quando corrente e tempo producono energia termica sufficiente. Una volta intervenuto, il fusibile tradizionale deve essere sostituito.
Come si sceglie un fusibile?
Non basta prendere il valore immediatamente superiore alla corrente media. Bisogna considerare corrente normale, spunti, temperatura ambiente, curva tempo-corrente, tensione nominale e capacità d’interruzione.
| Parametro | Perché conta |
|---|---|
| Corrente nominale | Deve tollerare il funzionamento normale senza interventi indesiderati. |
| Curva tempo-corrente | Indica quanto rapidamente interviene a differenti sovracorrenti. |
| Tensione nominale | Deve essere adeguata alla tensione del circuito da interrompere. |
| Breaking capacity | Indica la corrente di guasto che può interrompere in sicurezza nelle condizioni specificate. |
| Temperatura | Può modificare il comportamento del dispositivo. |
Fusibile rapido o ritardato?
Un fusibile rapido interviene più velocemente in presenza di una sovracorrente significativa. Un fusibile ritardato, o slow-blow, può tollerare meglio brevi correnti di spunto tipiche di motori, trasformatori o grandi condensatori all’accensione.
Fusibili ripristinabili PTC
I dispositivi PTC polimerici, spesso chiamati polyfuse, aumentano fortemente la propria resistenza quando vengono riscaldati da una corrente eccessiva. Dopo la rimozione del guasto e il raffreddamento possono tornare verso uno stato a bassa resistenza.
Diodo TVS: protezione dai transienti
TVS significa Transient Voltage Suppressor. Il componente viene normalmente collegato in parallelo alla linea da proteggere e rimane poco conduttivo durante il funzionamento normale. Quando la tensione supera una determinata zona, conduce rapidamente e cerca di limitare il picco.
Come scegliere un TVS
Nel datasheet compaiono diverse tensioni che non vanno confuse.
| Parametro | Significato |
|---|---|
| VRWM | Massima tensione di lavoro continua specificata senza intervento significativo. |
| VBR | Tensione di breakdown misurata alle condizioni indicate nel datasheet. |
| VC | Tensione di clamping raggiunta a una determinata corrente impulsiva. |
| Potenza impulsiva | Capacità di gestire un impulso definito dal costruttore. |
Cosa succede con l’inversione di polarità?
Se positivo e negativo vengono scambiati, condensatori polarizzati, regolatori, microcontrollori e altri semiconduttori possono essere sottoposti a condizioni non previste. La protezione può essere realizzata in modi differenti a seconda di corrente, costo e caduta di tensione accettabile.
Protezione con diodo in serie
Il sistema più semplice consiste nel mettere un diodo in serie all’ingresso. Con polarità corretta il diodo conduce; con polarità inversa blocca la corrente.
Protezione dall’inversione con MOSFET
Un MOSFET opportunamente configurato può svolgere una funzione simile a un “diodo ideale”, riducendo la caduta di tensione rispetto a un normale diodo in serie. Quando è correttamente acceso, la perdita dipende soprattutto dalla sua RDS(on).
Protezione completa dell’ingresso di alimentazione
Perché fusibile e TVS possono lavorare insieme?
Le protezioni possono essere coordinate. In condizioni anomale il TVS può condurre una corrente elevata per limitare la tensione; una protezione a monte può impedire che una condizione persistente provochi un surriscaldamento indefinito del TVS.
Il layout PCB fa parte della protezione
Un TVS montato lontano dal connettore con piste lunghe può risultare meno efficace contro transienti molto rapidi a causa delle induttanze parassite. I componenti di protezione dovrebbero essere collocati in modo che il percorso della corrente impulsiva sia corto e controllato.
Errori comuni
- scegliere un fusibile considerando soltanto la corrente media;
- usare un fusibile con tensione o capacità d’interruzione inadeguate;
- confondere un PTC con un interruttore ideale;
- considerare il TVS un regolatore di tensione;
- scegliere un TVS guardando soltanto la sigla e non VRWM, VBR e VC;
- usare un diodo in serie senza calcolare caduta e dissipazione;
- montare un MOSFET di reverse polarity senza verificare il body diode;
- posizionare il TVS lontano dal punto d’ingresso;
- pensare che il fusibile protegga automaticamente da qualsiasi sovratensione;
- aggiungere protezioni senza verificarne il comportamento combinato.