Applicato ad un circuito in corrente continua, sconnette il carico tramite un relé quando la tensione di alimentazione scende al di sotto di un certo valore.
In alcuni circuiti alimentati a corrente continua, specialmente in quelli funzionanti a batteria, è molto utile disporre di una protezione in grado di sconnettere l’utilizzatore quando la tensione sulla linea scende sotto un valore ritenuto critico.
Nei circuiti alimentati da alimentatori tradizionali, la protezione evita il danneggiamento causato ad esempio da un sovraccarico dell’alimentatore (identificabile proprio dall’eccessivo calo della tensione fornita…) ma anche il malfunzionamento dell’utilizzatore, che potrebbe verificarsi proprio se la tensione di alimentazione si abbassa eccessivamente.
Nei circuiti alimentati a batteria, la protezione serve sia a bloccare il funzionamento di circuiti che a tensione troppo bassa non garantiscono la corretta operatività, sia ad evitare l’eccessiva scarica della batteria, per evitarne il danneggiamento o per lasciare disponibile la poca energia rimasta per altri circuiti gerarchicamente più rilevanti.
In tutti questi casi è utile un circuito come quello descritto in queste pagine, che consente di sconnettere gli utilizzatori tramite un relé, normalmente eccitato e fatto ricadere quando la tensione monitorata scende al disotto di un valore impostabile tramite un apposito trimmer.
La scelta di alimentare il circuito utilizzatore con un relé attivo quando la tensione è ok e di sconnetterla in caso contrario nasce da una considerazione: se il carico viene alimentato a batteria, è chiaro che il relé dev’essere diseccitato quando la stessa si sta scaricando, altrimenti la scaricherebbe ulteriormente e ad un certo punto il relé ricadrebbe riconnettendo il carico, con la conseguenza che questo andrebbe a provocare una ulteriore scarica.
Schema elettrico
Realizzare quanto spiegato è piuttosto semplice, perché può essere fatto con pochissimi componenti, tutti di comune utilizzo; lo dimostra lo schema elettrico del circuito, che andiamo subito ad analizzare.
Il tutto fa capo ad un amplificatore operazionale dei due contenuti nell’integrato LM358, scelto sia per il basso costo e la facile reperibilità, sia perché può funzionare bene a singola alimentazione. Questo operazionale lo abbiamo configurato come comparatore di tensione con isteresi per stabilizzarne lo stato dopo la commutazione, ragion per cui il potenziale che causa l’inversione di stato all’uscita dipende dallo stato precedente.
La linea di cui monitorare la tensione (continua) si collega all’ingresso MONITOR, ossia ai suoi contatti + e – della relativa morsettiera. La tensione, opportunamente filtrata dai disturbi tramite il condensatore C3 e la resistenza R2 (che livellano anche l’eventuale residuo di alternata), raggiunge l’ingresso non-invertente del comparatore realizzato con l’amplificatore operazionale U1b, il quale confronta la tensione d’ingresso con quella fornita dal cursore del trimmer di regolazione soglia R4.
Per come è configurato l’operazionale, quando il potenziale sull’ingresso non-invertente supera quello dell’invertente, l’uscita del comparatore si porta a livello alto (ossia a una tensione circa uguale a quella di alimentazione del circuito), mentre in caso contrario scende a circa zero volt.
Per effetto dell’isteresi, le soglie di commutazione vengono leggermente alterate. Più esattamente, quando l’uscita dell’operazionale U1b si trova a livello alto, la retroazione positiva eleva leggermente il potenziale del piedino 5, cosicché il comparatore commuterà nuovamente lo stato della propria uscita quando il potenziale della linea monitorata (+ e – MONITOR) scenderà al disotto del valore che ha provocato la commutazione dello stato di uscita da zero a livello alto.
Similmente, quando la tensione della linea monitorata scende abbastanza da far passare l’uscita dell’U1b dal livello alto a quello basso, la resistenza di retroazione R3, facendo partitore con la R2, abbasserà ulteriormente il potenziale dell’input non-invertente. Ciò garantisce che un’eventuale fluttuazione della tensione sulla linea monitorata, ovvero una leggera risalita, non basti a far tornare l’uscita a livello alto.
Il fatto che la commutazione dell’uscita avvenga quando la tensione all’ingresso di monitoraggio oltrepassa quella di riferimento fornita dal cursore del trimmer assegna a quest’ultimo componente il ruolo chiave di consentirci di scegliere con precisione a quale valore debba essere disconnessa la linea.
Il trimmer permette altresì di adattare il nostro circuito a svariati rami di alimentazione, operanti a diverse tensioni, purché collocate entro il range tra 0 volt e la tensione applicata a + e – PWR, ossia quella di alimentazione dell’intero circuito. Se tale tensione è 12 volt, al netto dell’isteresi la soglia di intervento della protezione può essere impostata idealmente fra 0 e 12 Vcc.
Riepilogando: la condizione di normale funzionamento si verifica quando la tensione sulla linea collegata a + e – MONITOR supera quella di riferimento applicata al piedino 6 dell’operazionale U1b. In questo caso, l’uscita si porta a livello alto, polarizzando attraverso la resistenza R1 la base del transistor T1.
Questo NPN va così in saturazione, trascinando a circa zero volt, con il proprio collettore, l’estremo inferiore della bobina del relé, la quale viene quindi alimentata provocando l’eccitazione del RL1 e il conseguente spostamento dell’equipaggio mobile in modo che lo scambio si chiuda tra i contatti C ed NO. Facendo passare la linea di alimentazione dallo scambio, in questa condizione di normalità la stessa è regolarmente applicata al carico.
Quando la tensione della linea è troppo bassa, invece, si verifica il distacco, perché il piedino 7 dell’U1 si porta a livello basso. Il transistor non viene più polarizzato in base e il suo circuito collettore-emettitore si apre, privando la bobina del relé dell’alimentazione. L’equipaggio mobile quindi ricade e lo scambio torna a chiudersi fra i contatti C ed NC, interrompendo la corrente che prima andava all’utilizzatore.
L’intero circuito si alimenta con una tensione continua di valore compreso fra 11 e 14Vcc, applicati alla morsettiera + e – PWR. Il diodo D1 offre un’efficace protezione dall’inversione accidentale di polarità perché consente il transito della corrente soltanto quando il suo verso è quello corretto, ossia dall’anodo verso il catodo.
I condensatori C1 e C2 funzionano da filtro contro i disturbi presenti sull’alimentazione. In particolare, l’elettrolitico filtra l’eventuale residuo di alternata (presente ad esempio nel caso il circuito venga alimentato da un alimentatore AC/DC da rete) e il C1 attenua i disturbi impulsivi ed eventuali spike introdottisi sulla linea di alimentazione.
Il secondo diodo presente nello schema, vale a dire D2, è collegato in antiparallelo alla bobina del relé e serve a proteggere la giunzione base-collettore del transistor dalle extratensioni inverse che si generano ai capi della bobina quando lo stesso T1 si interdice e la priva della corrente.
In quest’occasione, la natura induttiva della bobina fa sì che la stessa tenti di mantenere la corrente di regime reagendo con una tensione inversa a quella che la alimentava poco prima, il cui valore iniziale può essere parecchie volte maggiore di quello del circuito. Il diodo permette, in tale circostanza, di sopprimere detta tensione e l’energia che ne deriva, impedendo che si scarichi sulla giunzione base-collettore del transistor distruggendola (ma causerebbe il breakdown elettrico o punch-through).
In conclusione, vi facciamo notare che laddove il carico debba essere alimentato dalla stessa linea che alimenta il circuito, potete collegare il morsetto insieme al C della morsettiera OUT ed al + della morsettiera MONITOR.
Schema di cablaggio
Piano di montaggio
Elenco componenti
R1: 15 kohm R2: 10 kohm R3: 100 kohm R4: Trimmer 10 kohm MV C1: 100 nF ceramico C2, C3: 100 µF 63 VL elettrolitico D1, D2: 1N4148 RL1: Relè 12Vdc 1 scambio U1: LM358 T1: BC547 Varie: - Zoccolo 4+4 - Morsetto 2 poli passo 5 mm (2 pz.) - Morsetto 3 poli passo 5 mm - Circuito stampato FK010 (42x36 mm)
Realizzazione pratica
Bene, con la teoria abbiamo finito e possiamo quindi dedicarci agli aspetti pratici di questo progetto, che per la sua semplicità è anche un po’ didattico e può essere rivolto a chiunque voglia sperimentare con l’elettronica.
Il kit completo è disponibile presso Futura Elettronica ed è acquistabile direttamente dal sito futurashop.it, già corredato di circuito stampato forato e serigrafato, pronto per il montaggio dei componenti.
Una volta in possesso del kit, si procede al montaggio dei pochi componenti richiesti, tutti rigorosamente THT (a foro passante). Si parte dalle resistenze e dai diodi, che vanno orientati come indicato nel piano di montaggio. Successivamente si installa lo zoccolo per l’LM358, da posizionare con la tacca orientata verso il diodo D1, così da avere il corretto riferimento per l’inserimento dell’integrato.
Si prosegue con i condensatori: prima quello non polarizzato (C1), quindi i due elettrolitici, che vanno montati rispettando la polarità. A seguire, si inserisce il transistor, con la parte piatta rivolta all’esterno dello stampato.
Il montaggio si completa installando e saldando il trimmer verticale, il relé (che può essere inserito solo nel verso corretto) e le morsettiere: due bipolari per l’ingresso di alimentazione e la linea da monitorare, e una tripolare per accedere ai contatti dello scambio del relé.
Una volta concluse le saldature, è importante verificare che non vi siano cortocircuiti dovuti a eccesso di stagno tra le piazzole. A questo punto si può inserire l’LM358 nel proprio zoccolo, accertandosi che nessun piedino sia piegato sotto il corpo e che il riferimento sull’integrato sia correttamente allineato con la tacca dello zoccolo.
Il circuito è ora pronto per l’installazione.
Per l’utilizzo, occorre interrompere un cavo della linea di alimentazione da proteggere e collegarne un capo al morsetto C della morsettiera OUT e l’altro al morsetto NO. In questo modo, quando la tensione sarà superiore alla soglia impostata, la linea verrà collegata al carico; in caso contrario sarà automaticamente disconnessa.
Per l’alimentazione del circuito è necessaria una tensione continua compresa fra 11 e 14 Vcc, con una corrente di circa 40 mA. È possibile utilizzare la stessa alimentazione che fornisce la linea da interrompere, a condizione che la tensione sia compatibile e che il carico non generi disturbi tali da influenzarne il funzionamento, come nel caso di motori elettrici o carichi fortemente induttivi.
