ITMI982828A1 - Circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabileattivato da piezoelettrici,particolarmente per dispositivi - Google Patents

Circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabileattivato da piezoelettrici,particolarmente per dispositivi Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
Il presente trovato riguarda un circuito elettronico di pilotaggio per attuatore Instabile attivato da piezoelettrici, particolarmente adatto per impiego in dispositivi differenziali, quali ad esempio interruttori differenziali.
Come è noto, un interruttore differenziale è un interruttore automatico per circuiti a corrente alternata che si apre quando la somma vettoriale delle correnti nei conduttori del circuito, nulla in condizioni normali, supera un valore prestabilito.
Gli interruttori differenziali sono destinati ad impedire che le parti metalliche, come le carcasse degli apparecchi e le masse metalliche dell'area protetta, collegate ad un impianto di terra di resistenza appropriata, siano messe sotto tensione (protezione indiretta) e, se di sufficiente sensibilità e di sufficiente rapidità di intervento, possono, sotto certe condizioni, provvedere anche alla protezione contro il contatto con parti normalmente sotto tensione (protezione diretta).
La principale caratteristica degli interruttori differenziali è quella di ottenere tempi di apertura e chiusura del circuito estremamente brevi.
Un interruttore differenziale è illustrato genericamente nella figura 1. Tale interruttore comprende un sensore di corrente 1 per rilevare la corrente di guasto differenziale, costituito generalmente da un nucleo toroidale di' materiale magnetico entro cui passano, in modo da costituire gli avvolgimenti primari di un trasformatore elevatore, il neutro 2 e la fase 3 della linea elettrica, che sono quindi collegati ad un impianto con i suoi carichi, indicati dal numero di riferimento 10, e da un avvolgimento secondario 4, ai cui capi si genera una tensione quando è presente la corrente di guasto.
Un circuito elettronico di accoppiamento 5 è presente tra il sensore di corrente 1 e un attuatore 6, viene alimentato dalla tensione generata ai capi dell'avvolgimento secondario 4 e provvede a pilotare un meccanismo di rilascio e sgancio 7 per l'apertura di contatti 8 e 9 del circuito nel caso in cui vi sia una corrente di guasto verso massa.
Gli attuatori di tipo convenzionale impiegati negli interruttori differenziali sono di tipo elettromagnetico (relè elettromagnetico a smagnetizzazione) e presentano i seguenti inconvenienti:
- sono sensibili ai campi magnetici e questo porta ad una alterazione del loro funzionamento. Ad esempio, può verificarsi il caso in cui la presenza di un campo magnetico esterno provochi una attuazione indesiderata e non giustificata dell'attuatore. Oppure può verificarsi il caso in cui un campo magnetico esterno alteri la magnetizzazione del relè elettromagnetico, alterando di conseguenza la sensibilità dell'interruttore differenziale;
- sono sensibili ad urti e vibrazioni;
- hanno una realizzazione meccanica complessa;
- hanno un costo elevato.
Per ovviare a tutti questi inconvenienti sono stati studiati attuato ri bistabili attivati da piezoelettrici che tuttavia hanno la necessità di essere eccitati con impulso di tensione avente precise caratteristiche in termini di ampiezza e tempo di salita sostanzialmente diverse da quelle dell'impulso fornito dalle elettroniche di accoppiamento tra sensore e attuatore attualmente disponibili e normalmente impiegate con i relè elettromagnetici.
Inoltre, i circuiti di pilotaggio di tipo noto, accoppiati ad attuatori convenzionali, trasformano energia disponibile, accoppiata dall'avvolgimento secondario del sensore di corrente l, soprattutto in corrente e non in tensione come richiesto dagli attuatori attivati da piezoelettrici.
Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un circuito elettronico di pilotaggio di attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, particolarmente per dispositivi differenziali, che consenta di fornire un impulso di tensione avente caratteristiche in termini di ampiezza e di tempo di salita adatte per impiego con attuatori di tipo piezoelettrico.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, che consenta di sfruttare l'energia minima fornita dal sensore di corrente di un interruttore differenziale, per una conversione in un impulso di tensione.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, che sia sostanzialmente insensibile ai campi magnetici.
L'ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un circulto elettronico di pilotaggio per attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, che sia particolarmente adatto per interruttori differenziali, soddisfacendo quindi a tempi di risposta ridotti.
Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabile attivatori piezoelettrici, che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi.
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, particolarmente per dispositivi differenziali, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di elevazione di tensione atti ad elevare ed immagazzinare una tensione generata ai capi di un avvolgimento secondario di un sensore di corrente, collegati a mezzi di impostazione di soglia di tensione di attuazione atti a determinare una soglia di intervento di un attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, la cui attivazione è determinata da una tensione di eccitazione applicata ai suoi capi di valore superiore alla soglia di tensione impostata da detti mezzi di impostazione di tensione.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del circuito elettronico secondo il trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:
la figura 1 è uno schema a blocchi di un interruttore differenziale di tipo noto;
la figura 2 è uno schema a blocchi maggiormente dettagliato di un interruttore differenziale a cui è applicato il circuito secondo il presente trovato;
la figura 3 è una prima forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il presente trovato, applicato ad un interruttore differenziale;
la figura 4 è una seconda forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato, applicato ad un interruttore differenziale; la figura 5 è una terza forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato, applicato ad un interruttore differenziale;
la figura 6 è uno schema elettrico di una quarta forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato, applicato ad un interruttore differenziale;
la figura 7 è uno schema elettrico di una quinta forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato, applicato ad un interruttore differenziale; e
la figura 8 è uno schema elettrico di una sesta forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato, applicato ad un interruttore differenziale.
Con riferimento quindi alle sopracitate figure, e in particolare alle figure da 2 a 6, il circuito elettronico secondo il presente trovato, illustrato in modo esemplificativo sotto forma di schema a blocchi nella figura 2, e indicato dal numero di riferimento 15, comprende mezzi elevatori di tensione 16 collegati al secondario del sensore di corrente 1 a monte, e collegati a valle a mezzi di impostazione della tensione di soglia di intervento, 17, atti ad impostare una soglia di intervento proporzionale al valore nominale della corrente differenziale a cui si vuole che il dispositivo differenziale (ad esempio l'interruttore differenziale) intervenga.
Un attuatore piezoelettrico 6 è collegato a valle dei mezzi di impostazione di soglia 17.
Un circuito interruttore 18 è previsto per chiudere il circuito elettrico ai capi dell'attuatore piezoelettrico 6 su comando dei mezzi di impostazione di soglia 17 precedentemente descritti.
Una prima forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato è illustrata nella figura 3, in cui i mezzi elevatori di tensione che sono atti ad aumentare ed immagazzinare la tensione resa disponibile dall'avvolgimento secondario del sensore 1 comprendono un condensatore 20, una coppia di diodi 21 e 22 e una coppia di ulteriori condensatori 23 e 24.
I mezzi di impostazione della soglia, 17, in questa forma di realizzazione comprendono uno scaricatore a gas (altrimenti detto "surge arrester") 25, il quale, una volta raggiunto il valore di soglia, fornisce un impulso di innesco opportunamente limitato da resistori 26 e 27, che viene trasferito da un diodo 28 al successivo interruttore 18 che è realizzato in questo caso con un transistore di potenza.
Quest'ultimo si porta quindi in conduzione, agendo come interruttore, chiudendo così il circuito dell'attuatore piezoelettrico 6, in modo che ai suoi capi sia presente l'impulso di tensione richiesto.
II valore di soglia è determinato dalla taglia dello scaricatore a gas 25.
Una seconda forma di realizzazione del circuito secondo il trovato è illustrata nella figura 4, in cui i mezzi elevatori di tensione 16 sono analoghi a quelli illustrati nella figura 3, mentre i mezzi di impostazione di soglia 17 prevedono un transistore unigiunzione (UJT) 30 la cui soglia di intervento è fissata da un condensatore 31 e da resistori 32, 33 e 34.
L’interruttore 38 è in questo caso realizzato da un MOSFET il quale si porta in conduzione quando il transistore unigiunzione 30, raggiunte le condizioni di soglia predeterminate, gli fornisce un impulso di innesco, agendo come un interruttore, ossia chiudendo il circuito dell‘attuatore piezoelettrico 6 in modo che ai suoi capi sia presente l impulso di tensione richiesto.
Una terza forma di realizzazione del circuito secondo il trovato è illustrata nella figura 5, in cui i mezzi di elevazione di tensione 16 sono analoghi a quelli precedentemente illustrati, mentre i mezzi di impostazione di tensione di soglia 17 comprendono un rivelatore di tensione (altrimenti detto "voltage detector" oppure "micropower undervoltage sensing Circuit") 40 la cui soglia di intervento è fissata da un condensatore 41 e da un resistore 42. Il blocco interruttore è realizzato come nella seconda forma di realizzazione da un transistore MOSFET 38 il quale si porta in conduzione quando il rivelatore di tensione 40, raggiunte le condizioni di soglia predeterminate, gli fornisce un impulso di innesco, agendo come interruttore, ossia chiudendo il circuito dell'attuatore piezoelettrico 6 in modo che ai suoi capi sia presente l'impulso di tensione richiesto.
Una quarta forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato è illustrata nella figura 6, in cui i mezzi di elevazione di tensione 16 sono analoghi a quelli precedentemente illustrati. I mezzi di impostazione di soglia 17 sono in questo caso realizzati mediante un partitore resistivo/capacitivo costituito da un resistore 50 in serie ad un condensatore 51.
L'interruttore delle precedenti forme di realizzazione è in questo caso realizzato da un relè elettrostatico (altrimenti detto SiR) 52 il cui contatto si chiude per effetto della forza elettrostatica che si genera quando la tensione è applicata sul terminale di comando dell'interruttore.
Quando il relè elettrostatico si chiude, l'energia accumulata dal precedente blocco 16 si trasferisce sull'attuatore piezoelettrico 6.
Il vantaggio offerto dal relè elettrostatico 55 è dato dal fatto che ha una bassissima energia di pilotaggio per passare allo stato di chiusura e questo implica una altissima impedenza del terminale di comando; inoltre ha tempi di commutazione tra chiusura e apertura molto veloci (molto minori di 1 ms), il che consente di non dissipare energia proveniente dal sensore di corrente 1. Dato che tale energia ha valori molto bassi, è importante poterne preservare a sufficienza in modo da far scattare l'attuatore 6.
La tensione di soglia fornita dai mezzi di impostazione di soglia può essere opportunamente regolata dimensionando il resistore 50 e il condensatore 51.
Una quinta forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il trovato è illustrata in figura 7, in cui i mezzi di elevazione di tensione 16 comprendono un condensatore 53, un ponte a diodi 54 e un condensatore 55 disposto in uscita al ponte a diodi 54. All'elevazione della tensione di pilotaggio ad uso dell'attuatore 6, concorre anche, come descritto nel seguito, una bobina 58.
I mezzi di impostazione di soglia 17 possono essere realizzati con uno qualunque dei dispositivi presentati nelle precedenti forme di realizzazione; in figura 7, a titolo di esempio, è raffigurata la soluzione che impiega il rivelatore di tensione (altrimenti detto "voltage detector" oppure "micropower undervoltage sensing Circuit") 56, la cui soglia di intervento è fissata dal condensatore 61 e dalla resistenza 57 su un valore di tensione vantaggiosamente più basso rispetto alle altre forme di realizzazione.
Questo è possibile in virtù della presenza dell'induttanza 58, la quale accumula a sua volta energia in presenza di una corrente differenziale e quindi, di una tensione sul secondario del sensore 1, nel momento in cui il blocco interruttore 59 (analogo ai mezzi interruttori 18 e 38 delle precedenti forme di realizzazione) ancora una volta costituito da un MOSFET, viene comandato a chiudersi, per poi trasferire detta energia al brusco riaprirsi del MOSFET 59 verso l'attuatore 6, attraverso il diodo 60.
I mezzi di impostazione di soglia devono in pratica essere predisposti per fornire al successivo blocco interruttore un impulso di comando opportunamente breve, dimensionato in base al valore di induttanza della bobina 58, che ne causi la chiusura e l'apertura in rapida successione.
In pratica, il circuito elettronico secondo il trovato, nelle sue differenti forme di realizzazione, provvede ad innalzare la tensione rilevata ai capi del sensore 1 e proporzionale alla corrente differenziale esistente fra le fasi della linea. I mezzi di impostazione di soglia 17 provvedono invece a determinare la soglia di intervento, proporzionale al valore nominale alla corrente differenziale a cui si vuole che il dispositivo intervenga, ossia si abbia l'attuazione dell'attuatore 6.
La figura 8 illustra una sesta forma di realizzazione del circuito elettronico secondo il presente trovato.
In tale forma di realizzazione i mezzi di impostazione di soglia 17 comprendono un primo transistore 209 ai cui terminali di collettore ed emettitore sono rispettivamente collegati un primo condensatore 208 e un primo resistore 210. Un diodo zener 212 è collegato in parallelo al transistore 209 il cui terminale di base è collegato al terminale di collettore di un secondo transistore 205 avente i terminali di collettore ed emettitore rispettivamente collegati ad un secondo ed un terzo resistore 206 e 204.
Un quarto resistore 211 è collegato al terminale di catodo del diodo zener 212.
Il nodo comune all'anodo del diodo zener 212, al primo resistore 210 e al secondo resistore 206 è collegato ad un quinto resistore 213 il quale è collegato ad un primo terminale del ponte di diodi a monte dei mezzi di impostazione di soglia.
Il nodo comune al primo condensatore 208, al quarto resistore 211 e al terzo resistore 204 è collegato ad un secondo terminale del ponte di diodi.
Un ulteriore transistore 202 è collegato tra un quinto resistore 201 e il primo terminale del ponte di diodi, un secondo condensatore 203 essendo collegato a detto transistore 202 e ad un sesto resistore 207, un interruttore essendo collegato ad un nodo comune tra detto quinto resistore e detto sesto resistore.
Si è in pratica constatato come il circuito elettronico secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di ottenere tempi di attuazione estremamente brevi dell'attuatore piezoelettrico, in modo da attuarlo quando una tensione di alimentazione raggiunge valori di soglia predeterminati. Il circuito secondo il trovato ha inoltre la peculiarità di essere autoalimentato dalla tensione proveniente dal sensore di corrente e non richiedere quindi una alimentazione addizionale.
Il circuito elettronico così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, particolarmente per dispositivi differenziali, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di elevazione di tensione atti ad elevare ed immagazzinare una tensione generata ai capi di un avvolgimento secondario di un sensore di corrente, collegati a mezzi di impostazione di soglia di tensione di attuazione atti a determinare una soglia di intervento di un attuatore bistabile attivato da piezoelettrici, la cui attivazione è determinata da una tensione di eccitazione applicata ai suoi capi di valore superiore alla soglia di tensione impostata da detti mezzi di impostazione di soglia di tensione.
  2. 2. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi interruttori disposti a valle di detti mezzi di impostazione di soglia e atti a chiudere il circuito su detto attuatore bistabile piezoelettrico, per consentirne l'attuazione.
  3. 3. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elevatori di tensione comprendono un condensatore, una coppia di diodi e un'ulteriore coppia di condensatori.
  4. 4. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elevatori di tensione comprendono un condensatore, un ponte di diodi e un ulteriore condensatore collegato in uscita a detto ponte di diodi.
  5. 5. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di impostazione di soglia di tensione comprendono uno scaricatore a gas, una coppia di resistori e un diodo.
  6. 6. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di impostazione di soglia di tensione comprendono un partitore resistivo costituito da un resistore e da un condensatore, detto partitore resistivo essendo atto a pilotare il terminale di porta di un transistore a giunzione ai cui altri terminali sono collegati una coppia di resistor!.
  7. 7. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di impostazione di soglia di tensione comprendono un partitore resistivo atto a pilotare un rivelatore di tensione.
  8. 8. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di impostazione di soglia comprendono un primo transistore ai cui terminali di collettore ed emettitore sono rispettivamente collegati un primo condensatore e un primo resistore, un diodo zener essendo collegato in parallelo al primo transistore il cui terminale di base è collegato al terminale di collettore di un secondo transistore avente i terminali di collettore ed emettitore rispettivamente collegati ad un secondo ed un terzo resistore, un quarto resistore essendo collegato al terminale di catodo del diodo zener, il nodo comune all'anodo del diodo zener, al primo resistore e al secondo resistore essendo collegato ad un quinto resistore il quale è collegato ad un primo terminale di un ponte di diodi a monte dei mezzi di impostazione di soglia, il nodo comune al primo condensatore, al quarto resistore e al terzo resistore essendo collegato ad un secondo terminale del ponte di diodi, un ulteriore transistore 202 essendo collegato tra un quinto resistore e il primo terminale del ponte di diodi, un secondo condensatore essendo collegato a detto transistore e ad un sesto resistore, mezzi interruttori essendo collegati ad un nodo comune tra detto quinto resistore e detto sesto resistore. 10. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere un'induttanza disposta in parallelo a detto attuatore bistabile, un diodo essendo collegato in serie a detto attuatore bistabile. 11. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi interruttori comprendono un transistore bipolare. 12. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi interruttori comprendono un transistore MOSFET. 13. Circuito elettronico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi interruttori comprendono un relè elettrostatico.
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