Come proteggere i dispositivi industriali dai picchi di corrente all'accensione

Un dispositivo industriale all'accensione spesso assorbe una sovracorrente transitoria (anche detta corrente di inserzione) molto più alta del livello operativo normale. A seconda del tipo di dispositivo, questo picco transitorio all'accensione può essere pari a circa 10-30 volte la corrente stazionaria. Le correnti di inserzione estreme sono momentanee ma possono causare notevoli sollecitazioni elettriche e meccaniche.

Senza un controllo adeguato, le correnti di inserzione possono far intervenire gli interruttori automatici, bruciare i fusibili, danneggiare componenti sensibili e persino deteriorare i connettori di alimentazione e gli alimentatori. Pertanto, è fondamentale escogitare una strategia efficace di gestione della corrente di inserzione per il funzionamento affidabile e sicuro dei sistemi industriali.

Un modo per gestire le sovracorrenti transitorie all'accensione consiste nell'aggiungere limitatori di corrente di inserzione (ICL) in serie con l'ingresso di alimentazione del dispositivo. Tra i vari tipi di ICL, i termistori a coefficiente termico negativo (NTC) sono ampiamente utilizzati per la loro semplicità di progettazione e facilità di integrazione. Un termistore NTC è un resistore termosensibile, la cui resistenza diminuisce con l'aumentare della temperatura.

Figura 1: Termistore NTC ERT-J0EG103FA di Panasonic Electronic Components con resistenza nominale di 10 kΩ a 25 °C e tolleranza di resistenza di ±1%. (Immagine per gentile concessione di Panasonic Electronic Components)

Quando il dispositivo elettrico industriale è spento, l'elemento NTC ha una resistenza relativamente elevata. Gli ICL sono posizionati in serie con il carico. L'elevata resistenza a freddo rallenta il picco iniziale di corrente all'accensione, agendo a tutti gli effetti come un assorbitore.

La limitata corrente di inserzione che scorre attraverso il termistore ne provoca l'autoriscaldamento tramite dissipazione di potenza resistiva. Quando il termistore si riscalda, la sua resistenza diminuisce drasticamente, fino a raggiungere una piccola frazione del suo valore a freddo. Nel giro di pochi istanti, il termistore passa a uno stato di bassa resistenza. A questo punto, i condensatori di ingresso sono carichi e la corrente di funzionamento normale può scorrere.

Una volta che l'evento di inserzione si attenua, l'NTC si disinnesta, comportandosi quasi come un cortocircuito durante il funzionamento normale. Ad esempio, un NTC con una resistenza a freddo di 10 Ω può scendere a meno di 0,5 Ω quando è completamente riscaldato. Ciò garantisce che la macchina industriale funzioni quasi a piena tensione in uno stato stazionario, riducendo al minimo la perdita di energia attraverso il termistore.

Considerazioni di progettazione per l'implementazione dei limitatori NTC

Per garantire un funzionamento affidabile ed efficiente, è necessario considerare diversi parametri di progettazione quando si implementano limitatori della corrente di inserzione basati su NTC.

1. Resistenza a freddo

La resistenza a freddo (R₂₅) è la resistenza nominale a 25 °C e determina l'impedenza iniziale che limita la corrente di inserzione. La resistenza minima richiesta può essere stimata in base alla corrente di inserzione massima desiderata e alla tensione di alimentazione. Gli ingegneri calcolano questa resistenza utilizzando la legge di Ohm: R = V_pk/I_{max (ins)}. Ad esempio, in un sistema monofase da 230 V c.a. (circa 325 V_pk), se la corrente di inserzione deve essere limitata a 20 A_pk, è richiesta una resistenza a freddo di 325/20 ≈ 16 Ω.

Produttori come TDK Electronics, Vishay Ametherm e Amphenol Advanced Sensors offrono valori NTC standard di 2 Ω, 5 Ω, 10 Ω, 22 Ω, 47 Ω, ecc., a 25 °C. La scelta della giusta resistenza a freddo è fondamentale, poiché un R₂₅ più elevato migliora la soppressione delle sovratensioni. Tuttavia, un valore troppo alto potrebbe limitare eccessivamente le correnti di carica, aumentare il tempo di avvio e causare un'eccessiva caduta di tensione iniziale.

Figura 2: Termistore NTC con conduttori B57164K0220K000 di EPCOS – TDK Electronics', con resistenza di 22 Ω a 25 °C e tolleranza di resistenza di ±10%. (Immagine per gentile concessione di EPCOS – TDK Electronics)

2. Resistenza operativa

La resistenza operativa (a caldo) rappresenta l'impedenza residua in serie e la dissipazione continua. In pratica, la resistenza a caldo sarà una piccola frazione di R₂₅, in genere dal 2% al 5% della resistenza a freddo alla corrente nominale. Ad esempio, un NTC con una resistenza a freddo di 10 Ω potrebbe scendere a circa 0,3 Ω alla sua corrente nominale.

Per l'efficienza è auspicabile una minore resistenza al calore, ma per ottenerla è necessario un termistore più grande. I progettisti devono garantire che, alla corrente stazionaria dell'applicazione, l'NTC si riscaldi a sufficienza per ridurre la sua resistenza a un livello accettabilmente basso. Se il dispositivo è sovradimensionato, potrebbe non riscaldarsi adeguatamente, con conseguente resistenza superiore al previsto.

Per ottenere prestazioni elevate, la corrente di funzionamento normale dovrebbe essere almeno pari al 30% della corrente massima nominale dell'NTC, in modo che si surriscaldi abbastanza da raggiungere la parte piatta della curva R-I. Se la corrente di carico è molto piccola rispetto alla capacità dell'NTC, si dovrebbe prendere in considerazione un termistore a corrente inferiore, in modo che la sua resistenza scenda a un livello inferiore quando viene riscaldato da tale corrente.

3. Corrente continua massima

L'NTC deve essere in grado di trasportare la corrente RMS o c.c. nominale in modo continuo e in uno stato stazionario senza surriscaldarsi. L'NTC prescelto deve avere Imax uguale o maggiore della corrente di funzionamento normale del sistema. Se la corrente stazionaria supera la corrente continua nominale consentita dell'NTC, il termistore si surriscalda oltre i limiti di progettazione, con il rischio di fuga termica o danni al dispositivo.

È importante esaminare la curva di declassamento del dispositivo per determinare se l'applicazione funzionerà a temperature elevate in un contenitore o vicino a fonti di calore. Se la corrente di progetto è prossima a I_max, è fondamentale utilizzare un margine di sicurezza o un meccanismo di raffreddamento attorno al termistore.

4. Capacità di protezione dalla sovracorrente transitoria

La classificazione energetica del termistore è un parametro critico. Deve resistere all'energia joule (J) della corrente di inserzione senza subire danni. Per un ingresso capacitivo, una stima di primo ordine dell'energia di picco è l'energia necessaria per caricare il condensatore. Ad esempio, per caricare un condensatore da 100 μF a 325 V sono richiesti circa 5,3 J. Il termistore selezionato dovrebbe avere un valore nominale di energia di inserzione superiore a questo livello, tenendo conto dello scenario peggiore.

Allo stesso modo, per i carichi di motori o trasformatori, il progettista può misurare la forma d'onda della corrente di sovracorrente transitoria e calcolare l'integrazione (∫I²R dt) per garantire che I²t attraverso il termistore non superi le specifiche. I produttori forniscono un valore nominale di I²t o joule per picchi straordinari e talvolta un valore nominale in joule per sovracorrenti transitorie ripetute se il dispositivo è soggetto a frequenti cicli di accensione/spegnimento.

Figura 3: Termistore NTC AL03006-535K-145-G1 di Amphenol Advanced Sensors, con resistenza da 1 MΩ e funzionamento stabile fino a 250 °C. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Advanced Sensors)

Se scelto e implementato correttamente, un limitatore di corrente di inserzione basato su termistore NTC offre una protezione affidabile contro le sovracorrenti transitorie all'accensione. Il dispositivo fornisce una resistenza in serie transitoria che si autoregola nel circuito una volta completata l'operazione.

Conclusione

Con la crescita dei sistemi industriali e l'integrazione di dispositivi energivori, il controllo dei picchi di energia all'avvio diventa fondamentale. I limitatori di corrente di inserzione basati su NTC offrono un equilibrio comprovato tra progettazione, costi e affidabilità. Consentono ai progettisti di proteggere l'avvio graduale senza aggiungere complessità di controllo, garantendo un funzionamento industriale sicuro ed efficiente.