Come funziona il fusibile
14.12.2007
Viviamo in una strana società: chi bene assolve il proprio compito, intervenendo con tempestività ed affidabilità, ma a basso costo, spesso viene dimenticato a favore di soluzioni ritenute più sofisticate e costose.
Negli impianti elettrici, questa figura è incarnata dal fusibile, il cui principio di funzionamento è assai semplice (si ha la fusione dell'elemento fusibile vero e proprio a causa del calore prodotto per effetto Joule), ma il risultato garantito, riuscendo a soddisfare esigenze impiantistiche anche complesse offrendo stabilità nel tempo ed un sicuro intervento. Basti pensare che un fusibile di pochi ampere di corrente nominale è in grado di interrompere correnti di cortocircuito anche di 100 KA.
I fusibili per circuiti di bassa tensione (che sono quelli di cui ci occuperemo nel presente articolo) sono del tipo a fusione controllata dove l'elemento fusibile è posto all'interno di una cartuccia in materiale isolante, generalmente ceramica, riempita di polvere deionizzata (di solito sabbia al quarzo) (figura 1).
Grazie a questa configurazione l'arco d'interruzione si estingue per frammentazione dovuta ad interposizione di granelli di sabbia di quarzo ed il materiale incandescente non può essere proiettato nell'ambiente perché contenuto dalla cartuccia e raffreddato rapidamente dalla sabbia.
L'elemento fusibile non ha, di regola, una sezione costante, ma è caratterizzato da tratti con sezione ristretta ottenuti mediante intagli o fori nella parte di metallo destinata alla fusione.
In generale, l'elemento fusibile non è costituito da un unico materiale, ma presenta un riporto di una lega (solitamente stagno e piombo) caratterizzata da una bassa temperatura di fusione; inoltre, nei fusibili aventi correnti nominali elevate vi sono più elementi destinati alla fusione posti tra loro in parallelo e, ciascun elemento, ha uno spessore che può risultare anche inferiore al decimo di millimetro.
Una volta inserito nell'impianto ed attraversato dalla corrente elettrica, l'elemento fusibile, in condizioni ordinarie, si riscalda per effetto Joule, producendo una quantità di calore che viene ceduta all'ambiente circostante attraverso l'involucro ed i contatti.
Quando si verifica un sovraccarico, l'elemento fusibile si surriscalda in modo uniforme, ma la temperatura presenta il massimo incremento in corrispondenza del punto centrale dell'elemento che rimane intatto fintanto che in quel punto non viene raggiunta la temperatura di fusione.
Il tempo che intercorre tra l'insorgere del sovraccarico e la fusione dell'elemento (denominato tempo di prearco), dipende ovviamente dal valore della corrente e, nei sovraccarichi, può durare alcuni minuti o addirittura ore.
Viceversa, nel caso di cortocircuito, il riscaldamento è molto veloce, caratterizzato da tempi di prearco dell'ordine dei millisecondi, e l'interruzione dell'elemento fusibile avviene di regola in più punti contemporaneamente.
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Per quanto riguarda l'aspetto normativo, le norme di riferimento sono la Cei En 60269-1 (Cei 32-1), che individua le caratteristiche generali dei fusibili e la Cei En 60269-2 (Cei 32-4) che si occupa dei fusibili destinati principalmente ad applicazioni industriali il cui uso è riservato a persone addestrate.
Allo scopo di definire il campo d'interruzione e la categoria d'utilizzazione, la normativa prevede una classificazione basata su due lettere:
• la prima lettera, "a" o "g" entrambe minuscole, indicano una cartuccia con potere di interruzione rispettivamente a campo ridotto oppure a pieno campo, intendendo con tale terminologia rispettivamente un fusibile in grado di interrompere tutte le correnti comprese tra K2In e il potere di interruzione nominale (nella pratica K2 è uguale a 6,3), o, viceversa, nei fusibili a pieno campo, in grado di interrompere tutte le correnti che provocano la fusione fino al potere di interruzione nominale;
• la seconda lettera (D, G, M, N, R maiuscole) indica la categoria di utilizzazione ed identifica la caratteristica tempo-corrente del fusibile; in particolare, il significato delle diverse lettere è il seguente:
D = a pieno campo ritardata;
G = per uso generale;
M = per la protezione dei motori;
N = a pieno campo non ritardata;
R = per la protezione dei semiconduttori.
Infine, un'ultima notazione per quanto riguarda la distinzione, in passato prevista dalla normativa (e per tale motivo ancora talvolta ricorrente nella tradizione impiantistica), tra fusibili rapidi e fusibili lenti.
I primi sono caratterizzati dall'avere l'elemento fusibile costituito da un solo metallo, senza riporti di altri materiali; inoltre, la sezione è particolarmente ristretta. Tutto ciò garantisce una curva di intervento corrente-tempo particolarmente ripida (figura 2). Questa tipologia di fusibili è, ad esempio, particolarmente indicata per la protezione di apparecchiature contenenti semiconduttori.
I fusibili cosidetti lenti, hanno invece elementi fusibili di maggior sezione e impiegano materiali di riporto caratterizzati da basse temperature di fusione.
La loro caratteristica d'intervento è formata da due distinte curve (figura 2): la prima, tratto 1, determinata dall'elemento di riporto, mentre la seconda, tratto 2, ha un andamento più ripido perchè caratterizzato dalla fusione della ristretta sezione dell'elemento fusibile vero e proprio.
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Poiché una fotocellula di questo tipo è attivata dall'interruzione del fascio luminoso emesso, i costruttori raccomandano di rilevare oggetti opachi più larghi del diametro effettivo della lente.
Nelle fotocellule a riflessione, la sorgente luminosa e la lente del ricevitore sono montate
separatamente, una accanto all'altra. Gli assi ottici della sorgente e del ricevitore sono paralleli tra loro. La sorgente luminosa ed il ricevitore sono montati nei punti focali delle rispettive lenti.
Il fascio emesso dalla sorgente luminosa è leggermente divergente; ciò si traduce in un punto luminoso sul catarifrangente che si sovrappone all'angolo ottico di osservazione del ricevitore.
La struttura del catarifrangente assicura una riflessione parallela nella direzione opposta, in modo che il ricevitore possa rivelare la luce riflessa.
Fra l'elemento ricevitore e la lente del ricevitore sono montati una fessura e un filtro, per gli stessi motivi già descritti.
La presenza di un oggetto opaco fra il catarifrangente e la fotocellula si traduce in una interruzione del flusso luminoso, provocando il funzionamento della fotocellula. Una fotocellula reflex è attivata dall'interruzione della luce, esattamente come il modello a sbarramento.
Gli oggetti lucidi possono provocare un rilevamento errato, sostituendosi alla funzione del catarifrangente; non vi è quindi rilevamento, perché il fascio luminoso non viene interrotto.
La retroriflessione è ottenuta in due modi: con un riflettore prismatico o con un riflettore a grani.
I riflettori prismatici hanno delle superfici interne fortemente speculari simili all'interno di una scatola tagliata diagonalmente a metà da un angolo all'altro. Ciò significa che il riflettore ha tre facce, ciascuna delle quali è disposta a 90° rispetto alla faccia adiacente.
Il fascio luminoso entra dall'apertura, si riflette su una superficie all'altra ed è riflesso nuovamente verso il suo punto d'origine.
I riflettori a grani presentano dei piccoli grani trasparenti sulla loro superficie. Il fascio luminoso, incidente sulla sfera, viene rifratto o deviato. Esso si riflette sulla superficie posteriore o retro del grano, quindi è nuovamente rifratto quando esce dal grano, restituendo l'energia verso la direzione originale.
Nelle fotocellule reflex, il sistema ottico ha la stessa struttura di quello dei modelli a riflessione, ad eccezione dei seguenti punti.
Gli assi ottici delle lenti della sorgente luminosa e del ricevitore sono quasi paralleli, ma leggermente convergenti. Non c'è un riflettore, ma è l'oggetto da rivelare che riflette la luce verso il ricevitore. Questa riflessione, in pratica, è quasi sempre diffusa. L'attivazione della fotocellula è provocata dalla luce riflessa da un oggetto avente una riflettività sufficiente.
Le fotocellule a riflessione definita, infine, funzionano come i dispositivi reflex, ma sono caratterizzate da una zona di funzionamento focalizzata.
Il modello a riflessione definita può avere la propria sorgente luminosa disposta a una distanza doppia della distanza focale della lente della sorgente luminosa. Ciò si traduce in un fascio luminoso convergente, che produce un punto luminoso concentrato a una distanza doppia della distanza focale.
Il ricevitore è focalizzato sullo stesso punto; ciò significa che l'unità è cieca agli altri punti, ad eccezione del punto focale comune. La configurazione permette di rilevare oggetti molto piccoli e presenta strette tolleranze nella distanza di rilevamento.
Uscite
Molte fotocellule hanno un'uscita a contatto. Può essere quindi utile conoscere le seguenti raccomandazioni. La durata del contatto è notevolmente influenzata dalla corrente, dalla tensione e dal fattore di potenza del carico. Generalmente, quando si controlla un carico avente un'elevata capacità, si utilizza un relé ausiliario per prolungare la vita del contatto interno della fotocellula.
Soprattutto quando si controlla un carico induttivo come un motore, ai contatti interni viene applicata un'elevata corrente d'ingresso per un tempo relativamente lungo.
Tale corrente d'ingresso può provocare una deposizione metallica tra i contatti accoppiati; a causa della deposizione metallica, parte del contatto mobile può rimanere sul contatto fisso.
E' pertanto raccomandabile utilizzare un circuito di protezione dei contatti per aumentare la durata del relé interno, eliminare il rumore ed impedire la generazione di carburo e acido nitrico sui contatti interni in fase di commutazione.
Alcune fotocellule presentano un segnale d'uscita analogico che varia proporzionalmente all'intensità luminosa che colpisce il ricevitore.
L'uscita può essere in mV (uscita in tensione) o in mA (uscita in corrente).
Modi di funzionamento
Le fotocellule possono funzionare in due modi fondamentali: quando il ricevitore non è colpito dalla luce (modo a impulso-buio) o quando il ricevitore è colpito dalla luce (modo a impulso-luce).
Impulso-buio significa che quando il ricevitore non è colpito dalla luce, esso genera o pilota l'uscita. Le fotocellule a sbarramento e a riflessione attivano l'uscita quando il fascio luminoso è interrotto dall'oggetto rilevabile.
Le fotocellule reflex e a riflessione definita generano un'uscita quando, nel modo impulso-buio, non vi sono oggetti presenti. Non essendovi luce riflessa, ciò significa che il ricevitore è buio; pertanto, il ricevitore pilota l'uscita.
Impulso-luce significa che quando il ricevitore è colpito dalla luce, esso genera o pilota l'uscita.
Le fotocellule a sbarramento e a riflessione attivano l'uscita quando il fascio luminoso non è interrotto o quando non vi sono oggetti rilevabili.
Le fotocellule reflex e a riflessione definita generano un'uscita quando è presente un oggetto rilevabile. La luce è riflessa dall'oggetto verso il ricevitore; pertanto, il ricevitore attiva l'uscita.
Normalmente, nelle applicazioni standard o nei normali sistemi di controllo, si fa in modo che il segnale di controllo sia attivo (on) quando l'oggetto viene rilevato. Tuttavia, per motivi di sicurezza, esistono dei casi in cui è utile un'uscita inversa. Un esempio tipico è dato dalle applicazioni che richiedono una sicurezza contro le interruzioni dell'alimentazione.
La selezione dei modi di funzionamento a impulso-buio e impulso-luce viene generalmente effettuata mediante un commutatore sulla fotocellula o sul controllore. Su alcuni modelli alimentati in c.c., ciò può essere effettuato invertendo la polarità dell'alimentazione.
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