ITTO950255A1

ITTO950255A1 - Dispositivo di protezione per circuiti elettronici dalla disconnessio- ne della batteria di alimentazione (load dump) e/o dalle sovratensio-

Info

Publication number: ITTO950255A1
Application number: IT95TO000255A
Authority: IT
Inventors: Enrico Campanino
Original assignee: Bitron Spa
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1995-04-04
Publication date: 1996-10-04
Also published as: IT1281308B1; ITTO950255A0; EP0736950A1

Abstract

Viene descritto un dispositivo di protezione dalla disconnessione della batteria di alimentazione (load dump) e/o dai transienti presenti nel circuito di alimentazione elettrica degli autoveicoli, a valle dell'alternatore e della batteria; la caratteristica principale del dispositivo descritto consiste nel fatto che il dispositivo comprende un termistore (PTC) in serie ed un varistore (VDR) in parallelo.

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO DI PROTEZIONE PER CIRCUITI ELETTRONICI DALLA DISCONNESSIONE DELLA BATTERIA DI ALIMENTAZIONE (LOAD DUMP) E/0 DALLE SOVRATENSIONI, NEL CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE ELETTRICA DEGLI AUTOVEICOLI “

RIASSUNTO

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di protezione ai transienti presenti nel circuito di alimentazione elettrica a 12 Volt degli autoveicoli, a valle dell'alternatore e della batteria.

E' risaputo che sulla linea di alimentazione elettrica di un autoveicolo, tutti i carichi induttivi, relay, motori, elettrovalvole, bobina alta tensione inducono direttamente o indirettamente delle sovratensioni di ± 300 Volt con durata di qualche microsecondo, ± 100 Volt con durata di qualche millisecondo e la più distruttiva di tutte, il cosiddetto "load dump", di 80 V e 400 millisecondi di durata, generato da cattivo contatto o vero e proprio distacco della batteria, ad alternatore in rotazione.

Detti transienti hanno il potere di distruggere i vari circuiti elettronici di bordo, se non protetti singolarmente ed efficacemente.

Da tempo esistono sul mercato componenti elettronici atti a questa funzione, ma a causa delle elevate correnti in gioco e quindi della elevata dissipazione, sono molto ingombranti fisicamente, se dimensionati correttamente, ed inoltre risultano essere molto costosi.

Scopo della presente invenzione è quello di indicare come sia possibile realizzare un dispositivo di protezione ai transienti presenti nel circuito di alimentazione elettrica a 12 Volt degli autoveicoli che rappresenti un miglioramento dei dispositivi noti.

Per raggiungere tale scopo forma oggetto della presente invenzione un dispositivo di protezione dalla disconnessione della batteria di alimentazione (load dump) e/o dai transienti presenti nel circuito di alimentazione elettrica degli autoveicoli, a valle dell'alternatore e della batteria, caratterizzato dal fatto che il dispositivo comprende un termistore collegato in serie ed un varistore collegato in parallelo al circuito elettrico da proteggere Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- le figure 1 e 1A rappresentano schematicamente dispositivi noti;

- la figura 2 rappresenta lo schema elettrico di un dispositivo di protezione secondo l'invenzione;

- la figura 3 rappresenta l'andamento tensione - tempo del circuito di protezione della figura 2;

- la figura 4 rappresenta schematicamente un dispositivo di protezione noto;

- la figura 5 rappresenta lo schema elettrico di un circuito di protezione secondo l'invenzione;

- la figura 6 rappresenta lo schema elettrico di una variante del circuito di protezione della figura 2.

La protezione, oggetto della presente invenzione, è stata studiata per l'impiego in circuiti di dimensioni ridotte e dove per l'applicazione particolare utilizzata non è possibile limitare la corrente al circuito a valle con resistenze in serie all'alimentazione (vedi fig. 1A), a causa delle elevate cadute di tensione che verrebbero a crearsi con la corrente nominale assorbita dal circuito. Il dispositivo oggetto della presente invenzione, come da schema di fig. 2, è composto da un termistore PTC di valore ohmico molto basso (0,5 1Ω), scelto in funzione della corrente nominale, ed un varistore (VDR) con tensione di "clamp" (ossia di taglio, o limitazione) inferiore a 40 volt (tensione massima accettabile dai normali circuiti elettronici utilizzati nel campo automobilistico e alimentati a 12 Volt) e con portata di corrente per tempi brevi, molto più bassa del necessario, quindi di dimensioni fisiche molto piccole. Tali caratteristiche del varistore VDR vengono scelte come se fosse montato con resistenze in serie di valore elevato (vedi fig. 1A).

In presenza ad es. di un "load dump" di 80 Volt e 0,400 sec di durata, la corrente di picco che percorre il PTC è assai elevata, di molto al di sopra della sua corrente nominale. Il varistore VDR, che si comporta come uno zener di potenza, cortocircuita al (polo negativo) della batteria la differenza della tensione applicata tramite il PTC. Quest'ultimo percorso da corrente elevata raggiunge istantaneamente il suo punto di "trip", ossia il punto di intervento.

Per il suo coefficiente termico positivo, il PTC aumenta di 20+ 30 volte la sua resistenza, riducendo a valori minimi la corrente ai capi del varistore VDR. In ogni caso il varistore VDR deve essere dimensionato a sopportare correnti di picco elevate, per pochi millesecondi, invece che per qualche centinaia di millisecondi.

Per ottenere la stessa protezione con il solo varistore VDR, come da prior art (fig. 1), le dimensioni fisiche di quest'ultimo non sarebbero inferiori ad un disco di 018 19 mm, contro un varistore VDR nel circuito della presente invenzione con diametro 0 di soli 5 7 mm. Le dimensioni fisiche del PTC sono anch'esse di diametro circa 5+ 7 mm. I migliori risultati si ottengono con PTC molto veloci, studiati per impiego come termofusibili ripristinabili in materiale polimero conduttivo. Il PTC deve essere scelto in modo da avere la sua corrente di "trip" almeno doppia della corrente nominale richiesta, tenendo anche conto del campo di temperatura di utilizzo.

In fig. 3 si dimostra oscillograficamente l'intervento del circuito di protezione secondo l'invenzione quando viene ad esso applicato un impulso di "load dump" di 80 V.

Dall’oscillogramma di fig. 3 si nota quanto segue: in CHI è indicata la tensione nel punto B di fig. 2, e in CH2 la tensione al punto A (impulso di "load dump" applicato). Come si nota dopo un guizzo di pochi millisecondi a circa 40 volt la tensione si stabilizza a circa 35 Volt (effetto "clamp" del varistore VDR) per poi scendere alla normale tensione di alimentazione di 12 Volt. Applicando il circuito della fig. 2 si ottiene inoltre ha un'ulteriore protezione, avendo il PTC in serie. Nei casi di eventuale corto circuito dell'elettronica che è a valle, il PTC aumenta la sua resistenza a valori elevati evitando il cortocircuito sulla linea di alimentazione verso la batteria .

Nella fig. 4 è mostrato lo schema noto di protezione all'inversione della tensione di alimentazione richiesta normalmente dai circuiti elettrici impiegati a bordo di autoveicoli .

Come si vede, per raggiungere tale scopo, è sufficiente l'aggiunta di un diodo (Di) di valore adeguato, in serie alla resistenza Ri all'alimentazione al dispositivo di fig.

1A. L'aggiunta di un diodo in serie provoca però una ulteriore caduta di tensione di almeno 0,8,+ 0,9 Volts, che non sempre è accettabile dalla circuiteria elettronica che è a valle.

Il circuito di fig. 5 dimostra che l'impiego del dispositivo di fig. 2, permette di aggiungere anche la protezione all'inversione della tensione di alimentazione, inserendo il diodo Di non in serie, ma in parallelo al varistore VDR, dopo il PTC. Nel caso di inversione, il diodo DI conduce direttamente e il PTC istantaneamente eleverà la sua resistenza per effetto della corrente (corrente di cortocircuito) che lo percorre.

All'eliminazione della errata polarità il valore di resistenza del PTC tornerà al valore nominale, ripristinando il normale funzionamento del dispositivo. Negli schemi delle varie figure allegate, il varistore (VDR) è stato simboleggiato come uno Zener cerchiato. Fisicamente il componente è generalmente un disco di ossidi metallici sinterizzati, collegato a due reofori. Il suo diametro è funzione della massima corrente (di picco e nominale) a cui deve sottostare una volta raggiunta la sua tensione di "clamp". Per superare con sicurezza i transienti ed il "load dump" è richiesto al componente, se usato senza resistenze in serie, di sottostare a dissipazioni di potenza ottenute solo utilizzando grandi dimensioni meccaniche (diametro e spessore) inaccettabili nella grande maggioranza dei casi di utilizzo. Il circuito secondo l'invenzione risolve sicuramente il problema, sotto l'aspetto meccanico, elettrico e di costo.

Il dispositivo oggetto della presente invenzione è inoltre stato studiato come protezione di un circuito elettronico di pilotaggio di un piccolo motore in corrente continua, montato in un riduttore di impiego automobilistico, come azionamento dei portelli di entrata aria / ricircolo / miscelazione / distribuzione dei gruppi di climatizzazione. La corrente nominale e di spunto richiesta dal motore, non permette l'impiego di resistenze in serie all'alimentazione, per l'elevata caduta di tensione che si verrebbe ad avere. Il dispositivo delle figg. 2 e 5 risolve il problema impiegando PTC in polimero conduttivo con resistenza di soli 0,5 1Ω costanti e con valori di corrente di lavoro nominali di 0,5 0,6 Ampere. Solo nel caso di protezione, come spiegato precedentemente, il valore della resistenza aumenta istantaneamente proteggendo il varistore VDR e tutto il circuito elettronico che è posto a valle (fig. 6).

Il medesimo dispositivo di figg. 2, 5 e 6 può essere abbinato anziché ad un varistore (VDR), con un qualsiasi altro componente atto alla soppressione di transienti {quale ad esempio un diodo Zener, un soppressore monodirezionale al silicio, ecc.), purché scelti con caratteristiche idonee all'accoppiamento con il PTC ed in grado di dissipare la potenza istantanea richiesta.

Il dispositivo secondo l'invenzione presenta i seguenti vantaggi :

- l'impiego del PTC termofusibile di basso valore ohmico, in serie, permette l'uso del dispositivo di protezione in quei circuiti ad elevato assorbimento, dove un'analoga protezione con il varistore VDR, ma con la resistenza fissa in serie, (vedi fig. 4) richiede a parità di dimensioni e di potenza del VDR, valori di resistenza maggiori di 10 Ω e di potenza di almeno 1 Watt, inaccettabili per l'alta caduta di tensione creata sul circuito di utilizzo. Si fa notare che con correnti ad esempio di 0,1 A in un circuito come quello di fig.

4, la caduta è di 1 V; nel circuito secondo l'invenzione, mostrato in fig. 5, a parità di corrente, un PTC da 1Ω fa cadere la tensione di solo 0,1 V;

- le ridotte dimensioni di 5 7 mm. di diametro di entrambi i componenti (PTC VDR) permettono una efficace protezione in circuiti di ridotte dimensioni meccaniche e con alto numero di componenti;

- 1'impiego del PTC permette anche una protezione al cortocircuito verso l'alimentazione, evitando serie possibilità di incendi e di fusione dei cablaggi di collegamento;

- il PTC si comporta come un fusibile autoripristinabile, che si disinserisce in modo automatico all'eliminazione della causa del guasto;

- le minori dimensioni dei due componenti eliminano i problemi di sollecitazioni meccaniche sotto vibrazione; - l'eliminazione del diodo in serie, per la protezione dell'inversione della tensione di alimentazione. ottenendo quindi una bassa caduta di tensione.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo di comando oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi .

Grazie alle ridotte dimensioni, il dispositivo descritto può essere agevolmente impiegato in casi in cui dispositivi noti non possono essere inseriti per motivi di esigenze di spazio.

Il dispositivo è stato presentato con riferimento all'impiego in dispositivi di controllo di un motore di azionamento di sportelli in un autoveicolo, ma esso può essere ugualmente utilizzato, eventualmente con piccole varianti, in altri casi di impiego nei quali occorre proteggere il movimento di piccoli motori in c.c. in modo semplice e senza problemi.

E' chiaro che altre varianti possono essere apportate al dispositivo di protezione oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea innovativa, così come è chiaro che nella pratica attuazione dell 'invenzione i materiali e le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di protezione dalla disconnessione della batteria di alimentazione (load dump) e/o dai transienti presenti nel circuito di alimentazione elettrica degli autoveicoli, a valle dell'alternatore e della batteria, caratterizzato dal fatto che il dispositivo comprende un termistore (PTC) collegato in serie ed un varistore (VDR) collegato in parallelo al circuito elettrico da proteggere.
2. Dispositivo di protezione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in parallelo al varistore (VDR) è collegato un diodo (Di).
3. Dispositivo di protezione, secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che è inserito a protezione di un circuito di controllo di un motore di azionamento di sportelli in un autoveicolo.
4. Dispositivo di protezione, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il varistore (VDR) è dimensionato in modo da poter sopportare correnti elevate per pochi millisecondi.
5. Dispositivo di protezione, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il termistore (PTC) presenta una resistenza di soli 0,5-1 ohm con corrente di lavoro di 0,5-0,6 A.
6. Dispositivo di protezione, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il varistore (VDR) è costituito da un diodo zener di potenza.
7. Dispositivo elettronico di protezione, in particolare per impiego in autoveicoli, quale risulta dalla presente descrizione e dai disegni annessi.