Titolo strano: vi domanderete cosa c’entra un piede di porco e perché dovrebbe stare nell’alimentatore.
Il fatto è che ho usato la traduzione italiana del più noto termine inglese “crowbar”. “Crowbar” si può tradurre anche con “palanchino” o “grossa barra di metallo”.
E cosa ce ne facciamo? Richiamando qualche tentativo di spiegazione che trova in Internet (in particolare sui siti UK e/o USA): proviamo a posizionare una barra metallica in parallelo ad una linea di alimentazione. L’effetto è un bel corto circuito. La barra di metallo sopporta il passaggio di molti ampere di corto circuito, quindi la tensione ai capi della “barra” va praticamente a 0V, magari salta qualche componente o protezione dal cortocircuito.
Il “crowbar” fa parte dei sistemi O.V.P. (Over Voltage Protection) ed ha le seguenti caratteristiche:
serve a proteggere da sovratensione un carico connesso all’alimentatore;
è semplicissimo da costruire e da installare in un alimentatore esistente;
Impiega pochi componenti (almeno 5) di facile reperibilità e a prova di guasto intrinseco;
Non richiede componenti elettromeccanici;
Interviene rapidamente, quasi sempre provocando l’apertura di un fusibile;
in genere, anche se la sovratensione non è più presente, non vi è un ripristino automatico (cioè, si deve intervenire per la sostituzione del fusibile). Tuttavia, questa specifica può essere modificata con un circuito adeguato.
L’obiettivo che ci prefiggiamo è quello di avere un semplice circuito, i cui componenti siano ragionevolmente loro stessi a prova di guasto, che in caso di sovratensione possa immediatamente cortocircuitare l’uscita di un alimentatore (quindi portando la Vout a 0V o quasi) causando anche l’apertura di un fusibile.
L’applicazione si presta a proteggere l’uscita di qualsiasi generico alimentatore, specialmente quelli di recupero o quelli switching a basso amperaggio e senza trasformatore di rete.
Consideriamo un qualsiasi alimentatore stabilizzato e vediamo perché potrebbe essere potenzialmente pericoloso per i nostri RTX.
La figura seguente è lo schema generale dei due principali blocchi funzionali presenti un alimentatore con uscita stabilizzata. La tensione da regolare e/o stabilizzare è la Vin, mentre la tensione regolata e/o stabilizzata è la Vout. La funzione di stabilizzazione della Vout è solitamente ottenuta retro azionando opportunamente l’errore del segnale in uscita. Ora non ci interessa analizzare i dettagli circuitali. Per mantenere l’uscita Vout stabile essa viene, attraverso il circuito del blocco di retroazione, riportata in ingresso e confrontata con una tensione di riferimento Vref. Se ad esempio la Vin diminuisce, attraverso il blocco di controllo diminuisce anche la Vout, ma fatta la differenza con la tensione di riferimento Vref si ha un segnale positivo in ingresso Vcontr al blocco di controllo che controbilancia la diminuzione della Vin. Viceversa, avviene se aumenta Vin. Come si può intuire, il sistema funziona anche se la tensione di uscita cambia non a causa della tensione di ingresso bensì a causa di variazioni del carico.
Il controllo della Vout è gestito da uno o più transistor oppure da uno o più circuiti integrati che provvedono alla stabilizzazione.
Ciò che è lecito e necessario chiedersi è che cosa accade se una o più parti della circuiteria di controllo della Vout si danneggia? In caso di guasto l’alimentatore potrebbe comportarsi in varie maniere, a seconda del tipo di circuito, di guasto e delle protezioni presenti o meno nell’alimentatore.
Lo scenario peggiore è che il guasto all’alimentatore provochi guasti, magari gravi, al carico alimentato, ad esempio il nostro RTX. Vi possono essere due scenari:
Vout cala rispetto al suo valore nominale;
Vout sale rispetto al suo valore nominale.
Mentre il caso A non è quasi mai grave (nel senso che non si generano guasti al carico irrimediabili), il caso B è quello peggiore: la tensione d’uscita sale (può raggiungere il doppio
della tensione nominale Vout) e molto probabilmente i carichi ad esso collegati vengono seriamente danneggiati. Nel circuito qui a lato come esempio, se per un guasto nel transistor di regolazione cerchiato in rosso si apre la giunzione Collettore-Emettitore siamo nel caso A con Vout=0. Ma se la stessa giunzione va in cortocircuito, allora la Vout assume il valore Vin, che può essere eccessivo per la vita del nostro RTX.
Io, ad esempio, ho un ultra 40-enne alimentatore stabilizzato regolabile, con Iout max 20 A, dove Vin è 40V e Vout va da 1,5 a quasi 40V. Adesso lo uso quelle rare volte in cui alimento il mio RTX nel QTH, quindi non a batterie. Se qualcosa si rompesse nel controllo di tensione, rischio di alimentare il giocattolo a 40V anziché a 13V. Sono 3 volte la tensione nominale: non ho idea del risultato finale!
Un corollario della nota “legge di Murphy” afferma che “se qualcosa può andare storto, lo farà nel modo tale da provocare il massimo dei danni”. Quindi cerchiamo di non farci fregare da Murphy! E qui entra in gioco il “crowbar”. Tipicamente i tiristori come gli SCR vengono utilizzati per questo impiego poiché possono commutare velocemente notevoli correnti. In genere il tiristore è collegato a un fusibile che, aprendosi, isola il carico impedendo dall’avere tensione in uscita non regolata. Sono possibili varie combinazioni circuitali: quella qui rappresentata è forse la più comune.
Il classico, minimo, circuito necessario per ottenere un crowbar è quello dello schema a lato ed è composto da 5 elementi: F, DZ, R, C, SCR. Semplici varianti prevedono altri condensatori di filtro e uno o due led di indicazione di Vin e Vout, a volte una ferrite tipo VK200 sul gate dell’SCR
Il circuito crowbar controlla la tensione di ingresso Vin e agisce solo quando supera un limite che dipende dallo Zener impiegato. Quando viene superato il limite, il circuito provoca un cortocircuito sulla linea elettrica del fusibile collegato che fonde interrompendo il circuito.
Il valore della tensione al quale si verifica il cortocircuito dipende dalla tensione Zener. L’SCR nel circuito è collegato direttamente tra la tensione di ingresso e la terra del circuito. Tuttavia, questo SCR viene mantenuto spento mettendo a terra il terminale di gate dell’SCR. Quando la tensione Zener viene superata, il diodo Zener inizia a condurre e la tensione viene applicata al terminale di gate dell’SCR. La tensione applicata al terminale di gate dell’SCR lo rende conduttivo e si verifica un cortocircuito tra la tensione di ingresso e la terra. Questo cortocircuito assorbe la massima corrente possibile dal circuito e fa bruciare il fusibile isolando l’alimentatore dal carico.
DZ è un diodo Zener la cui tensione di lavoro deve essere superiore, non di molto, alla tensione nominale di uscita e di lavoro del carico.
La resistenza R deve avere un valore sufficiente al buon innesco del diodo Zener. Nel contempo R mantiene ancorato a massa il gate dell’SCR per evitare inneschi non voluti. Dipende dallo Zener e dallo SCR impiegati.
Il condensatore C serve da filtro ed impedisce che brevi picchi di tensione o della radiofrequenza attivino l’SCR. In caso di presenza di radiofrequenza si potrebbe inserire anche una perlina di ferrite sul gate. 100 nF (= 0,1 µF) può essere un valore generale.
SCR e F devono avere valori compatibili per lavorare assieme. Ad esempio, se il carico può assorbire carichi da 10 A, il fusibile F dovrà essere adeguato a tale valore. Supponiamo di usare un fusibile da 15 A, rapido. L’SCR quando innesca perché Vin ha raggiunto la Vzener, dovrà essere in grado di gestire e sopportare una corrente maggiore di 10 A, dato che solo quando la corrente che scorre nell’SCR raggiunge i 15 A si avrà la rottura del fusibile e quindi l’interruzione della Vout non regolata.
Dz può essere costituito da 2 zener in serie, ciascuno con una Vz tale che la somma delle tensioni dei 2 zener dia la tensione di innesco dell’SCR.
Qui a fianco lo schema del crowbar che io impiego per proteggere i miei RTX quando li alimento a 13V da alimentatore stabilizzato regolabile:
l’SCR interviene se la Vin supera i 14,2 V (teorici, vedere nota più avanti). Nello scatolino ho sempre un paio di fusibili di scorta, ma finora, in tanti anni, non sono mai serviti.
Vin = Vout 12 ~ 13 V
F 15 A rapido
Dz1 5,1V 1W
Dz2 9,1V 1W
R 100 Ω ½ W
SCR TIC126
C 100 nF
In colore blu: connessioni con filo a grossa sezione (2.5 mmq) per non avere cadute di tensione quando l’RTX richiede molti A e per sopportare adeguatamente la corrente di corto circuito innescata dall’SCR. A tale scopo, si devono anche curare bene le saldature.
Lo schema di collegamento alimentatore – crowbar è il seguente:
Dobbiamo fare un commento sulle tolleranze standard dei diodi Zener, che tipicamente sono +/- 5%. Se nel mio circuito entrambi i diodi presentassero la tolleranza minore, allora avremo:
Vdz1 = 5,1 -5%=4.8V e Vdz2 = 9.1-5%=8.6V, quindi Vdz1 + Vdz2 = 4.8+8.6=13.4V. Siamo dentro alla massima tensione con cui alimento i miei rtx, per cui la protezione normalmente non interviene.
Viceversa, se entrambi gli Zener presentano la massima tolleranza, allora avremmo: Vdz1 = 5.1+5%=5.3V e Vdz2=9.1+5%=9.6V, quindi Vdz1+Vdz2= 5.3+9.6=14.9V. Che non è un valore critico se presente per brevissimi periodi in ingresso all’rtx. In pratica, da prove seguite aumentando la Vin, nel mio caso la protezione interviene a 14,4 V.
Altro commento, questo sul tipo di fusibile: è opportuno che sia del tipo “rapido”, per non dar modo alla sovratensione di stazionare troppo tempo sul carico.
Nel web si trovano molte varianti di questo circuito sia come collegamenti sia come componenti impiegati. Io personalmente propendo per la semplicità: quindi pochi componenti, ciascuno a basso rischio di non funzionare quando è chiamato a farlo e senza elettromeccanica (cioè, relè) la quale rallenta il tempo di intervento ed è possibile fonte di inceppamento.
La nostra tecno pillola di informazione termina qui: spero di aver acceso un po’ di curiosità e magari voglia di approfondire con proprie ricerche.
73 de I3NJI Vitaliano
