Alimentare in DC dispositivi magnetici AC

Luglio 2015

Sicuramente almeno una volta vi sarà capitato nell’assemblaggio di qualche progetto, di voler impiegare un relè, ed è sorto il problema per cui questo è progettato per funzionare a tensione alternata AC, ma si dispone solo di alimentazione a tensione continua DC. Le soluzioni comuni sono quella di comprare un dispositivo adatto, oppure di aggiungere un trasformatore per l’alimentazione in AC, cosa che non sempre è possibile, specialmente se la bobina deve essere pilotata da un transistor.
Può essere sorta la domanda:

“Posso alimentare in DC un relè progettato per funzionare in AC?”

La risposta è , ma bisogna tener conto di alcuni accorgimenti, infatti se alimento a 12Vdc la bobina di un relè progettata per funzionare a 12Vac questa si surriscalda. A breve ne sarà trattato il motivo.
Il procedimento che mostro in questa guida è valido per qualunque dispositivo il cui principio di funzionamento è l’attrazione magnetica di qualcuna delle sue parti, i casi comuni sono i relè e le elettrovalvole.
Questi dispositivi, nonostante abbiano impieghi diversi, consistono sempre in un elettromagnete che, se attraversato da una corrente I, genera una forza attrattiva di intensità proporzionale alla corrente stessa.

L’elettromagnete è costituito da una bobina di filo di rame, (solenoide) avvolto attorno ad un nucleo ferromagnetico. Il filo è caratterizzato da un certo valore resistivo che si oppone al passaggio della corrente, all’applicazione di una tensione. Inoltre la bobina sarà caratterizzata da una certa induttanza, dovuta alla sua “capacità” di immagazzinare energia sotto forma di campo magnetico (magnetizzazione del nucleo).

Funzionamento in AC

Nel funzionamento in alternata, oltre alla resistenza R del filo si ha una reattanza induttiva Xl dovuta alla frequenza non nulla della tensione di alimentazione, che contribuisce a costituirne l’impedenza. Il circuito equivalente della bobina è quindi:

La corrente I che circolerà nella bobina è data da rapporto tra la tensione ac applicata e l’impedenza.

\displaystyle I = \frac{Vac}{\sqrt{R^2+Xl^2}}

La potenza assorbita si suddivide in: perdite per effetto joule dovute alla resistenza del filo, perdite nel nucleo ferromagnetico dovute a correnti parassite e fenomeni di isteresi, perdite meccaniche dovute al ronzio dei componenti. Quest’ultimo è dovuto al flusso magnetico che, come la corrente, presenta un andamento sinusoidale.

\displaystyle P = R*Iac^2 + Pfe + Pronz

Funzionamento in DC

Nel funzionamento in continua non si ha la reattanza induttiva, quindi l’unico parametro che oppone al passaggio della corrente è la sola resistenza R del filo. L’impedenza risulta quindi minore rispetto al caso alternato e implica, a parità di tensione, una corrente I maggiore.
Ecco perché se alimento a 12Vdc un relè progettato per funzionare a 12Vac questo si surriscalda!

La corrente che circolerà nella bobina è data dal rapporto tra la tensione applicata e la sua resistenza:

\displaystyle I = \frac{Vdc}{R}

La potenza P assorbita dalla bobina a regime è dovuta solamente alle perdite per effetto joule nel filo.

\displaystyle P = R*I^2

L’impiego di un’alimentazione dc per questo tipo di dispositivi presenta quindi i seguenti vantaggi:

  • Assenza di ronzio dovuto alla frequenza di alimentazione;
  • Maggiore rendimento del dispositivo, in quanto l‘unica potenza assorbita dalla bobina è pari alle perdite per effetto joule nella resistenza del filo, non si hanno quindi le perdite nel nucleo ferromagnetico dovute a correnti parassite e isteresi.

Calcolo tensione DC equivalente

Si è visto che il funzionamento di questo tipo di dispositivi si basa sulla corrente I che attraversa la bobina, che dovrà quindi rimanere invariata nel cambio del tipo di alimentazione.
Ecco quindi come procedere per calcolare la tensione continua Vdc adeguata all’alimentazione del dispositivo:

  1. Alimentare il dispositivo con la tensione alternata nominale Vac, quindi misurare mediante un amperometro, l’intensità della corrente I che attraversa la bobina.
  2. Misurare mediante un ohmetro la resistenza R della bobina (ad alimentazione scollegata).
  3. La tensione continua con cui alimentare il dispositivo è pari a Vdc = R*I

Esempio 1: elettrovalvola

In questo caso dispongo di un elettrovalvola per impianti di irrigazione progettata per funzionare a Vac = 24V, che devo impiegare con un’alimentazione di tipo continuo.

Alimentandola alla tensione alternata nominale, la corrente misurata è I = 0,32A;
La resistenza misurata dall’ohmetro è R = 40\Omega;
La tensione continua adeguata è quindi Vdc = 40\Omega * 0,32A = 12,8V.

In questo caso l’elettrovalvola può essere alimentata direttamente a 12V senza problemi.

Esempio 2: relay

In questo caso invece dispongo di un relay progettato per funzionare a Vac = 12V.

Alimentandone la bobina alla tensione nominale, la corrente misurata è I = 0,13A;
La resistenza misurata dall’ohmetro è R = 52\Omega;
La tensione continua adeguata è quindi Vdc = 52\Omega * 0,13A = 6,8V.

Questa tensione non essendo standard, richiede l’inserimento di una resistenza Ra in serie alla bobina, in modo da poter essere alimentata con un alimentatore da Vin = 12V.

\displaystyle Ra = \frac{Vin - Vdc}{I} = \frac{12V - 6,8V}{0,13A} = 40\Omega

Notare bene che la resistenza deve essere in grado di dissipare una potenza pari a
\displaystyle Pa = Ra * I^2 = 40\Omega * 0,13A^2 = 0,67W

Quindi è stata scelta una resistenza standard da 47Ω con portata 1W.

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