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Qui si esamina cosa accade in occasione dell'apertura di un circuito ohmico induttivo (che è una situazione diversa da quella in cui la tensione del generatore diventa nulla ed il circuito rimane chiuso).

Comprendendo il fenomeno si spiegano l'origine delle sovratensioni, delle scintille e dell'arco elettrico.

Il caso dell'interruttore ideale non aiuta a capire cosa succede nella realtà a causa di proprietà estreme che non si possono riscontrare nel concreto. Meglio considerare un caso ideale "aggiustato" dove esistono comunque delle semplificazioni ma vengono applicate in modo da aiutare a capire cosa accade.

 

Tanto per dire: nel caso ideale l'apertura del circuito comporta l'interruzone istantanea della corrente; nella realtà non accade ma nel caso ideale può accadere: basta avere un interruttore che non consenta alcun passaggio di corrente perchè si apre istantaneamente, che instauri in un tempo nullo una resistenza infinita tra i contatti, che sopporti una tensione VT infinita e che abbia una potenza di estinzione dell'energia immagazzinata dall'induttore infinita.


Visto che un siffatto interruttore ha troppe proprietà "esagerate" il caso ideale non riesce a rappresentare il comportamento di quelli reali per cui non ci resta che rinunciare a qualcuna delle sue proprietà estreme.

RL aperto

 

A sinistra è disegnato il circuito di riferimento per le considerazioni che seguono:

- un generatore di corrente continua VG

- un induttanza L ed una resistenza R

- un interruttore T

 

 

 

 

Sono a disposizione le misurazioni illustrate nell'articolo misure su circuito RL interrotto.

 

Caso a: interruttore che all'apertura introduce una resistenza di valore grandissimo ma finito.RL intRinf

Si sa che l'evoluzione della corrente nel circuito segue l'equazione

i(t) = vG/R + (I0 - vG/R)*e-(t-t0)/τ

come già considerata nell'articolo: circuiti ohmico induttivi, generalità.

Nel caso che si vuole considerare, l'apertura dell'interruttore significa introdurre al suo posto una resistenza RT piuttosto grande che simula l'interruzione della corrente riducendola a valori bassissimi (schema a destra).

Con riferimento alla situazione di circuito chiuso precedente l'apertura, quando la corrente è fissata dal valore di R, poniamo RT ad un valore K volte maggiore della R presente nel circuito ed esaminiamo cosa accade:

- la corrente circolante prima dell'apertura, supposto che sia stato raggiunto il funzionamento di regime, era I = VG/R ed ora, all'apertura, dato che si inserisce in serie alla R una RT che è K volte più grande, la corrente si evolverà tendendo ad nuovo valore VG/RT (nota 1)

- al termine del transitorio di apertura la corrente a regime sarà pari a VG/RT cioè K volte più piccola (nota 1) ... piccola quanto si vuole ma non si tratta ancora di una vera interruzione.

- la costante di tempo del transitorio di apertura sarà L/RT quindi di durata K volte più breve

- la tensione nel primo istante dopo l'apertura (nota 2), sarà RT*I0 = RT*VG/R = K*Vquindi K volte più grande di quella del generatore!

Quest'ultimo risultato è quello che più di tutti serve a considerare realisticamente cosa comporta l'apertura di un circuito ohmico induttivo: la sovratensione di apertura tra i contatti dell'interruttore.

In numeri, se VG è 1,5V (una pila) e se K è solo 1000 (solo perchè non si ha certo una interruzione di corrente ma una sua riduzione ad un millesimo del valore precedente) la sovratensione è 1500V ... sufficiente a rischiare di folgorare una persona (nota 3).

Un interruttore reale può sopportare sovratensioni K volte maggiori della tensione nominale del circuito?

Esiste un interruttore che si comporta in modo da introdurre una resistenza di valore elevato per interrompere il circuito?

Direi di si, nella sua essenza il MOSFET di potenza ha come caratteristica quella di modificare la resistenza del canale fra Drain e Source in dipendenza della tensione fra Gate e Source (vedi wikipedia).

Il suo utilizzo come interruttore si basa proprio su questa caratteristica solo che il MOSFET ha un limite nella tensione che può sopportare perchè si innescano fenomeni di conduzione per rottura a valanga quando viene superata la soglia di tenuta. Questa circostanza può distruggere il componente per effetto termico dato che la potenza assorbita V(BR)DSS*ID viene trasformata in calore e si ripete ad ogni apertura del circuito (nota 4).

(Tenere conto che, comunque, la resistenza del MOSFET non ha un valore costante ma varia mano mano che si evolve la valanga e si riduce la VGS.)

 

Caso b: interruttore con separazione dei contatti 

Questo è il caso più diffuso e si presenta quando c'è un fluido isolante che si interpone tra i contatti.

I contatti sono immersi in un fluido che può essere aria, gas, olio ... e può anche esserci il vuoto.

I contatti sono di materiale conduttore ma non si separano istantaneamente! L'isolante che si interpone non è subito efficace ad interrompere la continuità del circuito.

 

Per capire come vanno le cose si considera l'apertura in 4 fasi:contatti

1) prima dell'apertura i contatti sono premuti uno contro l'altro da una molla o da un pistone a fluido compresso

2) quando inizia l'apertura i contatti si toccano ancora ma la pressione della molla o del fluido che li tiene premuti si sta allentando,

3) i contatti si staccano ma sono vicinissimi: lo strato di fluido isolante fra i contatti è molto sottile

4) i contatti, infine, si trovano lontani a sufficienza da sopportare la tensione senza la perforazione del fluido isolante

Esame delle 4 fasi

1) La corrente intorno ai contatti produce una forza di repulsione elettrodinamica che tende ad allontanare i contatti (approfondimento) ed è per questo che ci vuole una forza, creata dalle molle, che li tenga ben pressati uno contro l'altro,

2) quando la forza viene a mancare i contatti si allontanano per effetto di repulsione elettrodinamica riducendo la superficie di contatto, la corrente si concentra in pochi piccoli punti di contatto (hot spot) elevando la temperatura locale e ionizzando il fluido. I contatti cominciano ad allontanarsi anticipando l'apertura a causa della corrente che li spinge a separarsi ma il fluido ionizzato è un ponte conduttore attraverso il quale passa ancora corrente (è un arco elettrico .... cioè la scintilla che si vede)

3) se la corrente si interrompe, il fluido che si interpone è sollecitato da un campo elettrico di intensità elevatissima a causa della distanza minima fra i contatti, la rigidità dielettrica non è sufficiente ad impedire la formazione dell'arco elettrico per cui riprende la conduzione di corrente con instaurazione di tensione d'arco fra i contatti, microfusioni del metallo, produzione di gas e calore intenso (nota 5); questa fase è altamente instabile sia per il continuo interrompere e ripristinarsi della corrente sia perchè l'arco elettrico ha un comportamento elettrico imprevedibile

4) l'arco elettrico tende a mantenere il circuito chiuso ma l'aumento della distanza fra i contatti, il raffreddamento del fluido, l'allungamento dell'arco portano ad una sua interruzione e finalmente al circuito aperto (nota 6).

 

Che si tratti di effetto valanga nei MOSFET o nei Transistor, che si tratti di arco elettrico ci sono sempre effetti dannosi che vanno evitati per non danneggiare il dispositivo di interruzione e non provocare disastri come incendi ed esplosioni.

Questi problemi vengono affrontati con diversi approcci:

- se si tratta di interruzione di manovra o di emergenza Nota 7) significa che ci si sta occupando di interruttori veri e propri per i quali si deve prevedere l'estinzione dell'arco con metodi di soffio e conseguente allungamento e raffreddamento dell'arco stesso che così si spegne con contemporaneo ripristino dell'integrità del fluido (nota 8)

- se si tratta di commutazione utilizzata per comandare in PWM motori in corrente continua occorre prevedere circuiti di smorzamento della sovratensione con uso di diodi o di circuiti RC (snubber capacitor o soppressori)

- talvolta si provvede a segregare il dispositivo in modo che non produca danni in caso di default

 

... e le scintille alla chiusura?

spesso sono dovute al fatto che alla chiusura i contatti in avvicinamento rimbalzino creando brevissime interruzioni destinate a non ripetersi una volta che il contatto sia diventato ben saldo oppure, quando le tensioni in gioco sono elevate e negli ultimi istanti il dielettrico, che è diventato molto sottile, si perfora per superamento della rigidità dielettrica (scarica disruptiva) poco prima che si stabilisca il contatto.

 

note

nota 1: con K molto grande trascuriamo pure il contributo della R in serie

nota 2: la corrente in un induttore non ammette discontinuità per cui la corrente nel primo istante dopo l'apertura è uguale alla corrente nell'istante immeditamente precedente l'apertura cioè VG/R

nota 3: bisogna che anche l'energia sia sufficiente e questo dipende da L e I

nota 4: la V(BR)DSS può valere qualche centinaio di volt

nota 5: tale fase è un continuo ristabilimento della tensone, superamento della rigidità dielettrica, attivazine dell'arco, passaggio di corrente e spegnimento che produce rapidissime variazioni di corrente e di tensione mentre i contatti si allontanano con con produzione di onde elettromagnetiche che si rivelano come disturbi radio chiaramente osservabili 

nota 6: l'arco elettrico ha una temperatura alta e può innescare incendi ed esplosioni oltre che fondere i contatti o addirittura saldarli rendendo impossibile il distacco e quindi l'interruzione con gravissimi danni se la potenza in gioco è rilevante come accade per le reti di distribuzione dell'energia elettrica. Con accorgimenti adatti il fenomeno si sfrutta per provocare sovratensioni quando sono necessarie come avviene negli starter per l'accensione delle lampade fluorescenti o negli spnterogeni per provocare la scintilla alle candele del motore a benzina.

nota 7: emergenza significa anche dover interrompere correnti di corto circuito in punti in cui la corrente può raggiungere valori di decine di migliaia o anche centinaia di migliaia di ampere in presenza di tensioni elevate

nota 8: in corrente alternata l'interruzione è favorita dal fatto che la corrente si annulla 100 volte al secondo

 

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