Modulo C Cap. 7

CAP 7
COMPONENTI ELETTROMECCANICHE E PARTI MECCANICHE
1 DOCUMENTAZIONE TECNICA DEI COMPONENTI
ELETTROMECCANICI
2 DISPOSITIVI DI COMMUTAZIONE
3 TRASFORMATORI
4 FUSIBILI
5 RELÈ
6 CONNETTORI
1 DOCUMENTAZIONE TECNICA DEI COMPONENTI
ELETTROMECCANICI
La documentazione dei componenti elettromeccanici è essenzialmente
costituita da fogli tecnici che contengono le informazioni seguenti.
Descrizione delle caratteristiche peculiari del componente (microdeviatore a subminiatura unipolare, tastiere a tenuta stagna, deviatore a cursore, connettore a inserzione diretta, prese da pannello).
•
Caratteristiche elettriche. Vengono descritte attraverso:
— le tabelle, dove vengono definiti i simboli mnemonici, la descrizione della grandezza elettrica misurata, i valori minimi, tipici e massimi, le unità di misura, il metodo di misura utilizzato per determinare il valore del parametro;
— le curve caratteristiche, che mostrano, su un piano cartesiano, le
relazioni (in genere di tipo non lineare) esistenti fra le varie grandezze elettriche o meccaniche del dispositivo; per esempio, nei dissipatori di calore, la resistenza termica del dispositivo viene definita per mezzo di una curva che ne mostra la variazione in funzione
della lunghezza del profilato di alluminio.
•
Caratteristiche meccaniche e tecnologiche. Per i dispositivi elettromeccanici riguardano più frequentemente la forma, le quote dimensionali (lunghezza, larghezza, altezza), il peso, il numero massimo di
operazioni consentite (per esempio, il massimo numero di commutazioni di un interruttore). La descrizione del dispositivo è completata da
informazioni circa i materiali utilizzati per costruire le varie parti che
lo compongono e le eventuali lavorazioni speciali effettuate su di esse
(per esempio, doratura dei contatti di un connettore).
Il dispositivo elettromeccanico viene disegnato in proiezione ortogoM 16 ¥ 0,75
•
17
36,8
3,2
ø3
7
ø 13,6
Figg. 1a, b
Quotatura di un connettore volante
con attacco a vite:
a. vista di fronte;
b. vista da sinistra.
1,5
42,1
1a
2
Vol. 1 - MODULO C
66,2
1b
Figg. 2a-d
Quotatura di un relè con una
griglia tarata in decimi di pollice
(2,54 mm):
a. forma costruttiva del relè;
b. vista di fronte e da sinistra;
1 con piedinatura
di 3,2 ¥ 30,35
2 piedini bobina 0,6 x 0,9
3 piedini contatti 0,6 x 1,0
28,45
1
16,50
10,16
sfiatatoio
2
3
3,50
3,30
2b
2a
18,90
3,20
A1
c. tracciato del circuito stampato
(griglia di 2,54 mm);
d. schema delle connessioni
(raffigurazione piedini).
Ø 1,3
12 14
11
A2
11
A1 12 14
A2
Ø 1,3
3,50
3,5 mm
2c
3,50
3,5 mm
3,20
3,2 mm
3,2 mm
2d
nale con una o più viste, con le quote espresse in millimetri e/o in pollici 4
( Figg. 1a, b ).
In alcuni fogli tecnici le quote di ingombro del dispositivo, la posizione
dei terminali di collegamento, le quote dei fori di fissaggio sono disegnate direttamente su una griglia tarata con passo in decimi di pollice
0,1¢¢ 4
( Figg. 2a-d ); le quote devono essere ricavate direttamente dalla
griglia. Questo metodo di quotatura consente al disegnatore di risparmiare molto tempo nella realizzazione dei disegni di fabbricazione dei
circuiti stampati. In fase di preparazione del master è sufficiente riportare tutte le quote significative dei componenti elettronici ed elettromeccanici impiegati sulla griglia normalizzata o, se si utilizza un CAD,
nel modello da inserire nella libreria.
•
nero
220 Vac
nero
T1
bianco
12 Vac
bianco
Fig. 3
Identificazione delle connessioni
mediante il colore della guaina
del cavo di collegamento.
•
Schema di collegamento. Viene disegnato utilizzando gli stessi simboli grafici normalizzati impiegati nella stesura degli schemi elettrici ed
elettronici. Quando l’individuazione dei terminali di collegamento non è
univoca, tutti i reofori dello schema sono opportunamente numerati o
identificati da sigle. Per i trasformatori con uscite a filo si identificano in
genere i fili di ingresso e di uscita scrivendo accanto al simbolo grafico il
colore della guaina di rivestimento del filo dell’avvolgimento 4
( Fig. 3).
Campi di applicazione. In questa sezione del foglio tecnico sono suggerite alcune delle principali applicazioni del componente elettromeccanico.
2 DISPOSITIVI DI COMMUTAZIONE
Nelle apparecchiature elettroniche è necessario interrompere o ripristinare la continuità elettrica fra due elementi o parti circuitali. La
commutazione fra i due stati circuitali possibili, circuito aperto (connesso), circuito chiuso (sconnesso), viene realizzata utilizzando un meccanismo che avvicina o allontana una lamina conduttrice da due o più
morsetti collegati con i conduttori esterni. Il collegamento fatto può
essere stabile o instabile.
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
3
Figg. 4a, b
Deviatori a levetta:
a. sezione di un deviatore;
b. tipi di deviatore.
4a
4b
Si ha un collegamento stabile quando la commutazione fra i due
stati (da aperto a chiuso e viceversa) si può ottenere solo esercitando
una nuova azione sul meccanismo di comando; si ha un collegamento
instabile quando la commutazione fra i due stati (da aperto a chiuso o
viceversa) permane solo per il tempo durante cui viene esercitata l’azione sul meccanismo di comando.
I commutatori che realizzano collegamenti di tipo stabile sono:
— interruttori (switch);
— deviatori;
— selettori, commutatori a più posizioni;
— selettori codificati (thumbwheel, leverwheel, pushwheel);
— interruttori per circuito stampato (dip switch);
— ponti cablati o cavallotti di corto circuito;
— selettori di tensione di rete (voltage selector).
I commutatori che realizzano collegamenti di tipo instabile sono:
— pulsanti (pushbutton);
— finecorsa;
— tasti (key) e tastiere (keyboard).
NA
– Normalmente aperto
NC
– Normalmente chiuso
(normally closed)
4
Vol. 1 - MODULO C
L’interruttore è un dispositivo a due morsetti; la continuità elettrica
è assicurata per mezzo di una lamina metallica che viene avvicinata o
allontanata da un meccanismo mosso da un’azione meccanica esterna.
Il deviatore è un dispositivo a tre morsetti (4Figg. 4a, b). Un morsetto (detto comune) è sempre collegato con la lamina conduttrice interna; il meccanismo di comando, spostando la lamina, la collega alternativamente con uno degli altri due morsetti. Il deviatore presenta quindi
un collegamento normalmente aperto (NA) e uno normalmente chiuso
(NC). In particolari applicazioni bisogna eseguire, contemporaneamente, la commutazione di più segnali elettricamente indipendenti; questa
azione, per poter essere realizzata, richiede l’utilizzo di un comando
meccanico unico (doppio deviatore).
Il selettore 4
( Fig. 5 ) funziona come il deviatore, ma possiede un
numero di morsetti maggiore e può assumere più di due posizioni. I
morsetti possono essere collegati con il morsetto comune ruotando un
Fig. 5
Selettori.
BCD
– Binary coded decimal
albero o muovendo una slitta di comando. Nel tipo rotatorio la rotazione può essere bloccata (da fermi meccanici) a un solo giro, o può essere
di tipo libero.
I selettori codificati 4
( Figg. 6a, b) sono formati da una serie di
interruttori che hanno un morsetto in comune. Il comando meccanico di
ogni interruttore è indipendente e viene fornito da una rotella opportunamente sagomata che chiude o apre gli interruttori. La sagoma
della rotella di comando viene realizzata in modo tale che in ogni posizione essa chiuda o apra gli interruttori seguendo un opportuno codice
(decimale, binario, BCD, Gray). Questo dispositivo viene largamente usato per permettere l’impostazione dei dati in apparecchiature industriali di tipo digitale. Il selettore della figura 6 è adatto al montaggio sul
pannello di comando di un’apparecchiatura, mentre quelli della figura
7 vengono realizzati per essere montati su circuito stampato. Nella
figura 8 è riprodotta una sezione del selettore codificato che ne evidenzia le varie parti.
Nelle apparecchiature elettroniche, soprattutto in quelle di tipo digitale, nasce talvolta l’esigenza di progettare il circuito elettronico in
modo tale che alcune configurazioni o comportamenti circuitali, che
dipendono dal tipo di applicazione, possano essere facilmente modifica-
Figg. 6a, b
Selettori codificati per pannello:
a. gruppo di selettori codificati;
b. forma costruttiva interna
di un selettore codificato.
rotella a denti
per la commutazione
finestra che mostra
il numero scelto
terminale
di ingresso/uscita
6a
6b
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
5
Fig. 7
Selezione di selettori codificati per
circuito stampato.
Fig. 8
Sezione di un selettore codificato.
rotore
custodia
anello “O”
contatto
disco codificato
terminale
sostegno
DIP
– Dual in-line package
DIL
– Dual in-line
Fig. 9
DIP switch.
6
Vol. 1 - MODULO C
ti
in
sede
di installazione o di utilizzo. Per esempio, quasi tutte le interfacce per
elaboratori richiedono che certe parti, come gli indirizzi o le velocità di
trasmissione dei dati, siano adattate alla macchina che si intende collegare al calcolatore. Queste operazioni sono rese possibili da un componente miniaturizzato, detto DIP switch, che raccoglie in un contenitore
adatto, per esempio DIL, un gruppo di interruttori (4Fig. 9).
Fig. 10
Pulsanti e finecorsa.
semplice
a lamina
levetta
a lamina
con rotelle
Il ponte cablato è un’interruzione del collegamento elettrico fra due
punti di un circuito che viene praticamente realizzata (per esempio su
un circuito stampato) mediante due piazzole. Se si devono realizzare
più ponti è necessario utilizzare un passo costante, in genere in millimetri o in decimi di pollice, al fine di facilitare le operazioni di montaggio. Il collegamento dei due punti può essere:
— di tipo fisso, se viene realizzato con un conduttore saldato alle
piazzole;
— di tipo mobile, se si ricorre ad ancoraggi che permettono di usare
fili già cablati su speciali morsetti.
6
4
1
2
3
5
Fig. 11
Sezione di un finecorsa
(dimensioni 49,2 x 21,4 x 17,4 mm).
1
2
3
4
5
6
molla
piastrina
contatto mobile
contatto fisso NC
contatto fisso NA
pulsante
Il selettore di tensione di rete serve per commutare, nelle apparecchiature elettroniche, il valore della tensione di rete; è prodotto per il
montaggio sia a pannello sia a circuito stampato.
Il pulsante, dal punto di vista del funzionamento elettrico, è uguale all’interruttore 4
( Fig. 10 ). Il meccanismo di comando che agisce sulla
lamina conduttrice è provvisto di un elemento elastico, in genere una
molla. Quando cessa l’effetto dell’azione esterna che modifica lo stato
dell’interruttore, la reazione elastica della molla riporta il dispositivo
allo stato iniziale. Per indicare i commutatori elettromeccanici, che si
comportano come il pulsante differenziandosi, in pratica, solo per il
modo in cui viene applicata l’azione esterna, si ricorre a moltissime
denominazioni che caratterizzano il singolo dispositivo.
I finecorsa sono pulsanti che hanno il dispositivo di comando sagomato in modo tale che l’azione esterna possa essere fornita da parti
meccaniche in movimento 4
( Fig. 10). Alcune realizzazioni, per esempio,
sono provviste di rotelle che favoriscono il movimento relativo di due
oggetti, oppure dispongono di dispositivi atti a misurare il livello di un
liquido (galleggiante) ecc. La figura 11 mostra il disegno della forma
costruttiva interna di un tipico finecorsa. Nelle figure 12a, b, c sono
mostrati alcuni esempi di applicazione dei finecorsa.
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
7
corretto
Figg. 12a, b, c
Metodi per l’impiego
dei microinterruttori e dei finecorsa:
a. azionamento per pressione;
b. azionamento con eccentrico
rotante;
c. azionamento con dente in moto
lineare.
fermo
fermo
sbagliato
corretto
sbagliato
sbagliato
corretto
12a
sbagliato
corretto
sbagliato
corretto
sbagliato
corretto
corretto
sbagliato
corretto
sbagliato
corretto
12b
sbagliato
12c
I tasti (keyswitch) sono pulsanti che, assemblati secondo opportune
configurazioni, consentono al tecnico di progettare interfacce uomomacchina di facile utilizzo, quali le tastiere (keyboard) utilizzate per
l’immissione dei dati nel calcolatore elettronico 4
( Fig. 13).
Fig. 13
Tastiera di un personal computer.
Tastiere a membrana
Le figure 14a, b mostrano la sezione di una tastiera a membrana.
Questi tipi di tastiera offrono molti vantaggi rispetto a quelli elettromeccanici tradizionali:
— libertà grafica del design, che può essere eseguito su specifica richiesta del cliente;
— intrinseca ermeticità della tastiera e del pannello di cui essa fa
parte;
— risparmio di spazio grazie allo spessore assai ridotto;
— semplicità di manutenzione;
— resistenza ad abrasioni, escoriazioni, infiltrazioni di prodotti chimici e liquidi vari che ne rendono possibile l’utilizzo in ambienti sporchi e inquinati.
8
Vol. 1 - MODULO C
Figg. 14a, b:
sezione di una tastiera a membrana.
ricopertura in rilievo
14a
1
2
4
5
6
7
8
9
distanziatore
circuito
stampato
connessioni
circuitali
cupola
14b
In una tipica tastiera a membrana il pannello frontale viene serigrafato sul retro con speciali vernici indelebili. Lo strato sottostante con il
circuito di commutazione, lo strato di riempimento, gli spaziatori e lo
strato di base con il circuito stampato flessibile, vengono pressati insieme al pannello frontale usando un adesivo acrilico. In questo modo si
forma un’unità ermeticamente sigillata, sul cui retro viene posto uno
strato adesivo supplementare. Dopo la rimozione del foglio di protezione, la tastiera può essere incollata su qualsiasi superficie piatta con
facilità e sicurezza 4
( Fig. 15). Nelle figure 16a, b sono illustrate due
tipiche configurazioni delle tastiere: in linea e a matrice di tasti.
La tabella 1 riassume le caratteristiche tecniche delle tastiere a
membrana. I principali impieghi di queste tastiere sono: strumentazione di misura, automazione d’ufficio (stampanti, fotocopiatrici), elettrodomestici, impianti di pesatura (bilance digitali), impianti di sicurezza
e di allarme.
1
1
Fig. 15
Rappresentazione in esploso
di una tastiera a membrana.
3
CL
6
8
R
3
EA
AD
LO
9
0
–
+
rivestimento superficiale
lato dei contatti mobili
spaziatore
lato delle piste e degli interruttori
lato inferiore
area del contatto
grafica del simbolo
5
7
1
2
3
4
5
6
7
2
4
2
4
7
6
5
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
9
Figg. 16a, b
Configurazione delle tastiere:
a. in linea;
b. a matrice di tasti.
101,6
18,4 21,6
18,4
1
2
3
4
5
6
7
8
28
21,6
101,6
9
10
11
12
13
14
15
16
28
1
2
3
4
5
6
8
7
ground
11
12
10
9
16
15
14
13
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5
13 14 15 16 9
8
7
6 8 9
10 12 11
ground
11
12
10
9
16
15
15,2 ¥ 15,2
14
13
16a
101,6
18,4 21,6
col. 1 col. 2 col. 3 col. 4
18,4
row
1
1
2
3
4
101,6
row
2
5
row
3
9
row
4
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
row 1
61
21,6
8
row 2
10
11
12
13
14
15
16
col. 1
col. 2
col. 3
col. 4
17,8
row 1
col. 2
col. 3
col. 4
row 2
row 3
row 4
col. 1
row 3
row 4
15,2 ¥ 15,2
16b
Tabella 1
Principali caratteristiche elettriche e meccaniche
delle tastiere a membrana
DESCRIZIONE
VALORE
UNITÀ
DI MISURA
Pressione del tasto
0,2
N
Corsa del tasto
0,2
mm
Durata
500
h (ore)
Durata a shock termico (–40 ∏ 75 °C)
100
cicli
Carico (massimo)
21
30
100
gg (giorni)
VDC
mA
Resistenza di contatto
10
W
Capacità
10
pF
5
MW
Rigidità dielettrica
250
VRMS
Tempo di rimbalzo
5
Resistenza di isolamento
Vol. 1 - MODULO C
cicli
Durata a temperatura elevata (a 80 °C)
Durata a umidità (95% RH a 40 °C)
10
5 000 000
ms
Caratteristiche elettriche e meccaniche del commutatore
I principali parametri elettrici utilizzati nella scelta di un commutatore sono:
— corrente e tensione massima applicabili fra i contatti (portata fra i
contatti);
— valore di corrente che può scorrere con continuità fra i contatti
senza che si verifichi surriscaldamento;
— resistenza ohmica di contatto;
— resistenza di isolamento;
— rigidità dielettrica.
Le principali caratteristiche meccaniche da considerare nella valutazione dei commutatori elettromeccanici sono:
— campo di variazione della temperatura di funzionamento;
— tempo di vita meccanico ed elettrico espresso in numero di operazioni;
— forza minima che deve essere applicata al meccanismo di comando
per ottenere la commutazione;
— grado di protezione dell’involucro;
— grado di schermatura delle inefficienze causate dalle interferenze
elettromagnetiche.
IP
– International protection
A basse tensioni (£ 24 V), il valore nominale di commutazione della corrente può essere aumentato senza ridurre in modo significativo la durata in servizio dei commutatori. Se il commutatore, attivandosi, apre un
circuito che pilota un carico induttivo (bobina di eccitazione di un relè o
di un motore), interrompe il flusso magnetico e l’induttanza genera una
fem che fa circolare elevati transitori di tensione e corrente, che si manifestano con scintille e possono danneggiare l’isolamento del commutatore stesso. Se il commutatore, attivandosi, chiude un circuito che pilota un
carico capacitivo, il circuito viene percorso da una forte corrente iniziale
che usura rapidamente i contatti; il fenomeno di usura si manifesta, per
esempio, nel circuito di accensione delle lampadine a filamento perché
queste ultime presentano un valore resistivo a freddo molto basso.
Con impedenze di carico complesse è necessario stabilire, anche
mediante esperimenti nelle effettive condizioni di funzionamento, un
fattore di riduzione dei valori nominali di corrente commutabile dichiarati dal costruttore sui fogli tecnici; con carichi induttivi, per esempio,
tale riduzione dovrebbe essere almeno del 30%.
I valori nominali di commutazione di corrente-potenza (con interruttori ad azione lenta) in corrente continua sono in genere inferiori a
quelli in corrente alternata. Un arco di corrente alternata tende infatti a estinguersi da solo poiché la fem cade a zero a ogni semiciclo, mentre un arco di corrente continua tende a permanere fino a quando la
distanza tra i contatti è troppo grande in rapporto alla fem.
La durata di un commutatore viene misurata su un minimo di
10 000 commutazioni ai valori massimi per un carico puramente resistivo, e si riferisce sia all’usura meccanica sia a quella elettrica.
Il grado di protezione (IP) del contenitore del commutatore è un parametro importante per le applicazioni in campo industriale. In questo
ambiente si lavora con materiali pericolosi come acidi o sostanze chimiche potenzialmente pericolose (oli, grassi, solventi) o, più semplice-
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
11
mente, acqua e liquidi refrigeranti. Un eventuale contatto di queste
sostanze con il contenitore di un commutatore può provocarne il malfunzionamento o la rottura definitiva.
Un metodo adottato per proteggere i commutatori in ambiente
industriale è quello di segregarli in cassetti a scomparsa nella struttura della macchina che li impiega.
Rappresentazione grafica
Simbolo grafico e lettera
di identificazione
dei commutatori
I simboli grafici degli elementi di commutazione riproducono il fenomeno fisico dell’interruzione del conduttore. Possono essere disegnati
nelle due posizioni normalmente aperto e normalmente chiuso. Nelle
tabelle 2 e 3 sono raccolti i simboli grafici dei commutatori a collegamento stabile e instabile. I commutatori vengono identificati con la lettera S oppure con le due lettere SW 4
( Fig. 17 ).
Sigla commerciale e forme
costruttive dei commutatori
Le forme costruttive e le dimensioni del contenitore, i materiali utilizzati per la fabbricazione, il tipo e la forma del meccanismo di comando
dei commutatori dipendono:
— dal tipo di applicazione;
— dalle condizioni ambientali di impiego;
— dalle grandezze elettriche, corrente e tensione, controllate.
Le norme codificano gli standard tecnici di fabbricazione ma non la
forma e le dimensioni, per cui la scelta del dispositivo può essere fatta
solo consultando i cataloghi tecnici delle case costruttrici.
I terminali possono essere del tipo con cavi a saldare o per circuito stampato, realizzati in rame argentato o in argento, oppure placcati in oro.
Tabella 2
Simboli grafici dei commutatori a collegamento
stabile
NUOVO
Interruttore
monopolare
NA
NA
VECCHIO
NA
NA
NC
NC
NC
NC
Deviatore
monopolare
SW2
RESET
Doppio
deviatore
bipolare
Ponticelli
Fig. 17
Identificazione di un interruttore.
12
Vol. 1 - MODULO C
NA
NC
NC
Tabella 3
Simboli grafici dei commutatori a collegamento
instabile
NUOVO
NA
VECCHIO
NC
NA
NC
Pulsante
generico
Finecorsa
3 TRASFORMATORI
Il trasformatore è una macchina elettrica statica capace di trasmettere
(per induzione elettromagnetica) energia elettrica da un circuito a corrente alternata a un altro. È formato da un avvolgimento primario
e un avvolgimento secondario, indipendenti e avvolti su un nucleo
caratterizzato da ottime proprietà magnetiche.
Un trasformatore può essere usato in un circuito per effettuare una
delle seguenti funzioni:
— modificare la tensione e la corrente in uscita;
— modificare il numero delle fasi o l’angolo di sfasamento;
— modificare l’impedenza del circuito;
— realizzare un isolamento fra due circuiti o fra circuito e connessione di terra.
Affinché la macchina elettrica possa trasmettere potenza da un avvolgimento all’altro occorre creare un flusso magnetico variabile nel
tempo: è quindi necessario che il segnale in ingresso vari nel tempo.
Ciò, com’è noto, induce nell’altro circuito (che è accoppiato magneticamente) una forza elettromotrice che, se il circuito è stato chiuso su un
carico, può fare circolare una corrente.
Il segnale di ingresso (tensione o corrente) viene applicato all’avvolgimento primario, mentre il segnale di uscita viene rilevato sul
secondario; se il modulo di quest’ultimo segnale è inferiore a quello del
segnale di ingresso, il trasformatore viene detto riduttore, nel caso
contrario viene detto elevatore.
Nelle applicazioni elettroniche il trasformatore viene inserito quasi sempre nell’apparecchiatura elettronica per ottenere l’abbassamento del livello di tensione dal valore di rete a un valore tale da
poter essere impiegato nella realizzazione di alimentatori in corrente
continua.
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
13
T1
T1
I parametri che caratterizzano un trasformatore sono:
— il tipo (monofase o trifase);
— la tensione efficace di ingresso sul primario V1n;
— la tensione, o le tensioni, di uscita sul secondario a vuoto V20;
— la corrente massima del secondario;
— la frequenza nominale o il campo di frequenze di lavoro;
— la potenza apparente nominale espressa in voltampere (VA);
— il rendimento, ossia il rapporto fra potenza resa e potenza assorbita;
— il rapporto di trasformazione a vuoto k0;
— la temperatura di funzionamento;
— le dimensioni di ingombro;
— il peso.
18a
T2
18b
T3
18c
240
1
220
2
125
3
N
220
4
5
125
6
N
7
T4
8
Delle tensioni e delle correnti vengono forniti i valori efficaci. Il campo
24 Vac di frequenza dei trasformatori utilizzati per ridurre la tensione di rete
va da 50 a 60 Hz. La frequenza di 50 Hz viene utilizzata nei paesi euro9
pei, mentre la frequenza di 60 Hz viene utilizzata negli Stati Uniti; per
10
ragioni commerciali è opportuno che l’apparecchiatura che include un
trasformatore possa funzionare indifferentemente alle due frequenze.
12 Vac
Il campo di frequenza di lavoro è importante in tutte le applicazioni
in
cui il trasformatore deve trasferire segnali di frequenza elevata.
11
18d
1
T5
8
2
3
9
10
4
5
6
18e
7
11
Figg. 18a-e
Simboli grafici del trasformatore:
a. con nucleo magnetico;
b. in aria;
c. con due avvolgimenti secondari
simmetrici;
d. con più tensioni al primario
e al secondario;
e. con avvolgimento secondario
con fili avvolti in modo opposto.
IEC
– International electrotechnical
commission
VDE
– Verein Deutscher Elektrotechniker
14
Caratteristiche elettriche e meccaniche del trasformatore
Vol. 1 - MODULO C
Simbolo grafico e lettera di identificazione
del trasformatore
Il trasformatore viene rappresentato dal disegno di due avvolgimenti
(primario e secondario) separati da due linee (4Figg. 18a, b). Se il circuito prevede più valori, e quindi più fili di collegamento, per la tensione di ingresso al primario oppure di uscita del secondario, occorre indicare in modo chiaro tutti gli ingressi e tutte le uscite (4Figg. 18c, d ).
Se gli avvolgimenti sono stati fatti arrotolando i fili in modo opposto, per cui diventa importante il verso della forza elettromotrice indotta del circuito secondario, è necessario identificare con un punto la
polarità della connessione 4
( Fig. 18e).
Il trasformatore viene identificato con la lettera T 4
( Fig. 19 ).
Sigla commerciale e forme costruttive del trasformatore
Non esiste un metodo univoco per identificare i trasformatori: ogni
ditta ne utilizza uno proprio, per cui il metodo migliore per definire un
trasformatore è quello di rilevare la tensione primaria e secondaria, la
corrente del secondario e la potenza apparente. Questi dati, come lo
schema dei collegamenti, sono in genere rilevabili da una targhetta che
il costruttore applica sul corpo del contenitore; in qualche caso viene
invece fornita solo una sigla alfanumerica, che deve essere decodificata con l’aiuto dei manuali tecnici della ditta costruttrice.
I trasformatori vengono costruiti in conformità alle norme IEC 76 (normativa internazionale), CEI 14 (normativa italiana), VDE 550 (normativa
tedesca).
La forma e le dimensioni di un trasformatore 4
( Fig. 20 ) dipendono:
— dai parametri elettrici che lo caratterizzano e dal numero di spire
che ne costituiscono l’avvolgimento;
T1
220 Vac
12 Vac
10 VA
Fig. 19
Identificazione di un trasformatore.
Fig. 20
Forma costruttiva del trasformatore
(fonte: ERC).
— dal metodo scelto per il fissaggio al contenitore o alla scheda;
— dal modo con cui i terminali sono collegati al resto dell’apparecchiatura;
— dal tipo di processo produttivo adottato;
— dalle esigenze di carattere termico ed elettrico dell’apparecchiatura
che lo impiega.
Le caratteristiche termiche ed elettriche del trasformatore vengono
migliorate impregnandolo completamente (avvolgimento, nucleo e supporto di fissaggio), sottovuoto, con resina poliestere termoindurente di
classe F. L’impregnazione protegge anche il trasformatore dagli agenti
atmosferici, consentendone l’installazione in climi tropicali senza ulteriori trattamenti.
Tutti i trasformatori devono essere provvisti di una presa per la
messa a terra del nucleo (classe I, normativa CEI). Di norma sono in esecuzione aperta con grado di protezione IP00; ma possono essere anche
provvisti di un contenitore in lamiera di acciaio con grado di protezione
IP54; in questo caso, però, affinché la sovratemperatura degli avvolgimenti resti entro i limiti prescritti dalle norme, la potenza utilizzata non
deve superare l’80% della potenza nominale riportata in targa.
Le connessioni degli avvolgimenti del trasformatore possono essere:
a filo; con terminali a saldare in ottone stagnato; con terminali stagnati a caldo per il montaggio su schede a circuito stampato.
Il metodo più usato per il fissaggio dei trasformatori alle scatole o ai
contenitori è quello consistente nell’avvolgere il pacco dei lamierini del
nucleo con una banda di lamiera stagnata. Il fissaggio può avvenire per
mezzo di due viti o bulloncini alloggiati in fori predisposti nella banda stagnata, oppure torcendo due o più linguette ricavate nella banda stessa e
infilate in fessure o fori praticati nel circuito stampato o nel contenitore.
Il trasformatore viene realizzato anche su nuclei a forma toroidale.
I trasformatori producono, nell’ambiente circostante, campi magnetici che possono concatenarsi con i componenti vicini, e sono, a loro
volta, influenzati dai campi magnetici esterni. Quando questa emissione rappresenta un problema, si ricorre alla schermatura elettrostatica
e magnetica del trasformatore.
La schermatura elettrostatica, che riduce le correnti parassite, viene
ottenuta coprendo gli avvolgimenti con nastri o conduttori, isolati, di
alluminio o rame. La schermatura magnetica riduce gli effetti dei campi
magnetici grazie alle correnti di Foucault, e consiste nel racchiudere il
trasformatore in una custodia di materiale magnetico (permalloy).
Applicazioni dei trasformatori
I trasformatori sono impiegati in molte applicazioni. Esistono:
— trasformatori di rete negli alimentatori;
— trasformatori audio negli stadi di potenza degli amplificatori;
— trasformatori di media frequenza nei ricevitori;
— trasformatori adattatori di impedenza;
— trasformatori di potenza nei convertitori a corrente continua;
— trasformatori di impulsi (trasformatori caratterizzati da un rapporto spire unitario, utilizzati per trasferire un impulso al circuito di
comando di un tiristore ottenendo, però, un valore elevato di isolamento fra circuito di controllo e circuito di attuazione).
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
15
4 FUSIBILI
Il fusibile è costituito da un filo elettrico (elemento fusibile) che ha
dimensioni geometriche (sezione e lunghezza) calcolate in modo tale da
fondere quando la corrente che lo attraversa supera, per un certo tempo,
un valore predeterminato. La fusione dell’elemento fusibile interrompe
la conduzione nel ramo del circuito in cui lo stesso è stato inserito, per
cui la sua efficacia dipende dalla sua posizione nel circuito.
I metalli utilizzati per realizzare gli elementi fusibili sono, di solito,
il piombo o leghe di piombo e stagno per correnti e tensioni basse, l’argento o leghe di argento e platino per correnti e tensioni elevate.
In funzione della rapidità di intervento i fusibili vengono suddivisi in: ultrarapidi (FF), rapidi (F), semirapidi (M), ritardati (T),
extraritardati (TT). I diversi tempi di intervento sono necessari in
quanto, in alcune apparecchiature, per evitare che anche brevi sovraccarichi provochino guasti o malfunzionamenti l’interruzione deve essere pronta ed efficace (per cui è richiesto l’uso di fusibili ultrarapidi o
rapidi); in altre apparecchiature un breve istante di sovraccarico, dovuto a commutazioni di dispositivi di potenza, fa parte del normale e corretto funzionamento, per cui sono necessari fusibili semiritardati o
ritardati.
Caratteristiche elettriche del fusibile
I parametri da considerare nella scelta del fusibile sono:
— la massima corrente che può sopportare con continuità senza fondersi;
— il potenziale di interruzione, cioè il valore di corrente che a una
certa tensione interrompe sicuramente il collegamento; il potere di
interruzione dei fusibili viene indicato da una lettera di classificazione 4
( Tab. 4);
— la tensione nominale, cioè il valore limite superiore della tensione
applicabile, che deve essere uguale o maggiore a quella di esercizio
dell’apparecchio di cui il fusibile deve garantire la protezione;
— la caduta di tensione dovuta al fusibile, che all’intensità di corrente
nominale non deve superare i massimi consentiti dalla normativa;
— la resistenza elettrica del fusibile (circa 0,3 W);
— il tempo di intervento alla corrente di guasto e, nel caso di componenti semiconduttori (diodi, tiristori), l’i2t del fusibile, che dovrà
essere minore di quello del componente da proteggere.
Tabella 4
POTERE DI INTERRUZIONE
POTERE DI INTERRUZIONE
LETTERA
a 250 VDC
a 250 VAC
DI CLASSIFICAZIONE
12,5
20
75
250
750
16
Vol. 1 - MODULO C
Potere di interruzione di alcuni fusibili
A
A
A
A
A
50
80
300
1000
1500
A
A
A
A
A
B
C
D
E
G
Il tempo di intervento di un fusibile può essere suddiviso in due periodi: un primo periodo necessario per la fusione dell’elemento fusibile e
un secondo periodo per la durata dell’arco che si innesca al momento
della fusione. L’energia dissipata da un circuito, durante il periodo di
tempo in cui il fusibile sta fondendo, è data da
dove:
R
è la resistenza totale del circuito (il fusibile e l’elemento controllato)
Tutti gli elementi connessi in serie al circuito hanno in comune l’integrale i2t; affinché il fusibile possa espletare la sua funzione protettiva è
quindi necessario che l’energia dissipata per interrompere il fusibile sia
inferiore a quella che danneggia il componente da proteggere.
La curva caratteristica tempo di fusione-corrente, rappresentata
nella figura 21, permette di dimensionare correttamente un fusibile.
Noti il valore della corrente che deve provocare l’interruzione dell’ele-
10 000
1,5 A
2A
3A
4A
5A
7A
8A
10 A
1A
1000
500 mA
30
200 mA
300 mA
100 mA
min
60
10
5
2
1
min
100
10
tempo (s)
Fig. 21
Curva caratteristica tempo
di fusione-corrente di un fusibile.
1
0,1
0,01
0,001
0,01
1
1
10
corrente (A)
100
1000
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
17
mento fusibile e il tempo di intervento desiderato, si può ricavare il tipo
di fusibile da utilizzare.
Simbolo grafico e lettera di identificazione del fusibile
Il simbolo grafico del fusibile riproduce la sua forma geometrica e il suo
principio di funzionamento 4
( Fig. 22 ).
Il fusibile viene identificato per mezzo della lettera F 4
( Fig. 23).
Sigla commerciale e forme costruttive del fusibile
Fig. 22
Simboli grafici del fusibile.
F1
1A
250 V
Fig. 23
Identificazione di un fusibile.
I fusibili vengono siglati con una scritta sul corpo del rivestimento o
stampabile sul morsetto di connessione. La sigla riporta i valori della
corrente e della tensione nominale, per esempio: 2 A-250 VT fusibile
ritardato con potenziale di interruzione di 2 A misurato a 250 Vac. Un
metodo alternativo di codificazione utilizza il codice a colori (norme
IEC 127) riportato nella tabella 5.
Il contenitore più comune per i fusibili per apparecchiature elettroniche ha la forma di un cilindro di vetro o di ceramica con i due morsetti
applicati alle due estremità. Il filo conduttore che costituisce l’elemento fusibile è collocato all’interno del cilindro in un materiale inerte o nel
Tabella 5
Codice a colori per i fusibili (norme IEC 127)
POTERE
BANDA
BANDA
BANDA
DI INTERRUZIONE
A
B
C
arancio
giallo
verde
azzurro
grigio
marrone
marrone
marrone
rosso
rosso
arancio
giallo
verde
azzurro
grigio
marrone
marrone
marrone
rosso
rosso
arancio
giallo
verde
azzurro
rosso
nero
nero
arancio
nero
nero
rosso
azzurro
nero
verde
marrone
nero
nero
arancio
nero
nero
rosso
azzurro
nero
verde
marrone
nero
nero
arancio
nero
nero
nero
nero
nero
nero
nero
marrone
marrone
marrone
marrone
marrone
marrone
marrone
marrone
marrone
marrone
rosso
rosso
rosso
rosso
rosso
rosso
rosso
rosso
rosso
rosso
arancio
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1
1,25
1,6
2
2,5
3,15
4
5
6,3
8
10
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
mA
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
쑺쑺
18
Vol. 1 - MODULO C
쑺쑺 Tabella 5
Codice a colori per i fusibili (norme IEC 127)
BANDA
TIPO
DESCRIZIONE FUSIBILE
FF
F
M
T
TT
extrarapidi
rapidi
semiritardati
ritardati
extraritardati
D
Nero
Rosso
Giallo
Azzurro
Grigio
vuoto fra i due morsetti. I fusibili sono inseriti in appositi accessori detti
portafusibili, realizzati sia per i montaggi su pannello sia per quelli su
circuito stampato (4Fig. 24). La normativa italiana sui fusibili fa riferimento alla norma CEI 32.6, che concorda sostanzialmente con quelle
internazionali IEC 127 (Cartucce fusibili miniatura) e IEC 257
(Portafusibili per cartucce fusibili miniatura).
Fig. 24
Fusibile e portafusibile da pannello
e per circuiti stampati.
Applicazioni dei fusibili
Il fusibile è il componente elettromeccanico più utilizzato per proteggere le apparecchiature da malfunzionamenti o da manovre errate compiute dagli utenti.
PER FISSARE I CONCETTI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
8.
9.
10.
Quali sono i principali tipi di commutatore? Descrivi le loro caratteristiche
elettriche e meccaniche più importanti.
Che cosa vuol dire che un collegamento è instabile?
Cita quattro commutatori che realizzano collegamenti di tipo stabile.
A che cosa serve il trasformatore?
Quando un trasformatore viene detto riduttore?
A che cosa serve l’impregnazione di un commutatore?
Cita le applicazioni dei trasformatori.
Qual è la funzione di un fusibile in un ramo circuitale?
Come vengono classificati i fusibili in funzione del loro tempo
di intervento?
Quali valori riporta la sigla del fusibile?
5 RELÈ
Il relè (relay) è un dispositivo elettromeccanico che completa o interrompe un circuito attraverso lo spostamento fisico di un contatto elettrico. È costituito da una bobina di eccitazione e da uno o più commutatori (contatti). La bobina, quando viene percorsa da una corrente elettrica di valore adeguato, genera un campo elettromagnetico che provoca il movimento (attrazione) di un meccanismo (àncora) che chiude o
apre dei commutatori. Il meccanismo di comando può controllare sia
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
19
SPDT
– Single pole double throw
NO
– Normally open
SCR
– Silicon-controlled rectifier
TRIAC
– Triode ac semiconductor
GTO
– Gate turn-off
deviatori (scambi, SPDT) sia interruttori; questi ultimi possono essere di
chiusura (NA o NO) oppure di apertura (NC).
Il relè può quindi sfruttare la variazione di corrente in un circuito
per modificare le connessioni e il funzionamento di un altro circuito.
La potenza necessaria per aprire o chiudere i contatti è molto minore
della potenza che questi ultimi possono far transitare.
In base al tipo di commutazione, i relè possono essere classificati in:
— neutri, commutano i contatti qualsiasi sia il verso della corrente di
eccitazione della bobina;
— polarizzati, commutano i contatti solo se nella bobina la corrente
circola nella direzione prevista;
— monostabili, la commutazione dei contatti si mantiene finché la
bobina rimane eccitata;
— bistabili, i contatti commutano dopo una prima eccitazione e rimangono in quella posizione; per farli tornare nella posizione di
partenza è necessaria una nuova eccitazione.
Rispetto ai tiristori a semiconduttore (SCR, TRIAC, GTO), i relè elettromeccanici presentano il vantaggio di operare su più vie; presentano però
anche inconvenienti quali una scarsa velocità di commutazione, produzione di archi voltaici e di rimbalzi fra i contatti, rapidità di usura
(richiedono quindi manutenzione), sensibilità alle sollecitazioni meccaniche (vibrazioni, urti, trasporto).
Caratteristiche elettriche e meccaniche del relè
I principali parametri che caratterizzano un relè sono:
— tensione che agisce sul circuito di eccitazione (continua o alternata);
— tensione nominale, tensione massima di intervento e minima di
rilascio della bobina per la quale i contatti tornano nella posizione
di riposo;
— tensione (corrente) di non operatività, e cioè valore di tensione (corrente) a cui il relè non è in grado di eccitarsi;
— resistenza della bobina;
— potenza massima di eccitazione della bobina;
— corrente e tensione massima applicabili fra i contatti;
— valore di corrente che può scorrere con continuità senza surriscaldare il relè stesso (Ith);
— resistenza ohmica di contatto;
— resistenza di isolamento fra contatto e contatto e fra contatto e bobina;
— campo di variazione della temperatura di funzionamento;
— tempo di attrazione, di rilascio e di rimbalzo;
— rigidità dielettrica fra bobina e contatti e fra gli stessi contatti;
— temperatura di funzionamento;
— tempo di vita meccanico ed elettrico espresso in numero di operazioni;
— resistenza agli urti.
La corrente e la tensione massima applicabile fra i contatti vengono
talvolta definite tramite una curva limite della potenza dissipabile dei
contatti come quella della figura 25.
20
Vol. 1 - MODULO C
U (V) 250
Fig. 25
Curva limite della potenza
commutabile dei contatti
di un relè serie E (fonte: Siemens).
2
200
1
150
200 W
100
1 contatti in argento e oro
2 contatti in argento e/o ossidi
di cadmio
100 W
50
40
1
30
40 W
2
20
10
0,1
2
0,2
0,3
0,4 0,5 0,6
1
2
3
4
5 6
10
15
I (A)
Simbolo grafico e lettera di identificazione del relè
26b
Il simbolo grafico formato da un rettangolo attraversato da una linea
trasversale o dal segno grafico di un’induttanza che rappresenta la
bobina di eccitazione 4
( Fig. 26a), e dalla rappresentazione schematica
dei contatti. Una linea tratteggiata collega la bobina con i contatti per
indicare l’azione meccanica esercitata dal campo elettromagnetico
4
( Fig. 26b).
La lettera di identificazione dei relè è la K.
I relè vengono realizzati con uno o più scambi: il meccanismo di
attrazione può agire contemporaneamente su uno o più contatti elettricamente indipendenti. Questi contatti possono funzionare o da interruttori o da deviatori 4
( Figg. 27a, b).
Figg. 26a, b:
simboli grafici del relè.
Sigla commerciale e forme costruttive del relè
K1
26a
K1
K1
27a
K2
27b
Figg. 27a, b:
collegamenti dei contatti dei relè.
00
Le sigle commerciali, essendo diverse da costruttore a costruttore,
richiedono, per essere interpretate, la consultazione dei fogli tecnici del
componente; in genere la sigla viene stampigliata sul corpo del contenitore. La sigla contiene le seguenti informazioni: identificatore alfanumerico della serie, numero dei commutatori e valore della tensione
di eccitazione della bobina.
Per i relè è previsto il montaggio verticale e orizzontale 4
( Figg. 28a,
b, c ).
In alcuni modelli viene incluso il diodo di ricircolazione, che protegge il circuito di comando dalla corrente di induzione scaricata dalla
bobina quando la conduzione viene interrotta. In questo caso occorre
prestare attenzione al modo con cui si collega la bobina nel circuito in
quanto, per ottenere il normale funzionamento del relè, è necessario
polarizzare il diodo inversamente.
I terminali della bobina sono comunque contrassegnati 4
( Figg. 29a,
b, c ) con il segno grafico del più (+) e del meno (–).
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
21
Figg. 28a, b, c
Relè:
a. a montaggio verticale;
b. a montaggio orizzontale;
c. forma costruttiva interna.
28a
28b
intelaiatura
molla di contatto
terminale della bobina
28c
rocchetto della bobina
supporto interno
coperchio
rocchetto
terminale di riposo
bobina
14 13 12 11 10
Figg. 29a, b, c
Relè polarizzati:
a. monopolare normalmente
aperto (contatto A);
b. deviatore monopolare
(contatto C);
c. contenitore DIL a 14 terminali
(quote in mm).
perno dell’ancorina
terminale di lavoro
+ 1
2
3
4
5
ancorina
molla di ritorno
14 13 12 11 10
9
8
6
7 –
+ 1
29a
2
3
4
5
9
8
6
7 –
29b
6,99
19,5
9
10
11
12
13
14
7,24
max
8
0,38
max
3,12
tip.
0,51 tip.
2,54
tip.
29c
Altri tipi di relè
22
Vol. 1 - MODULO C
15,24
0,25 tip.
7,62
8,13
Un particolare tipo di relè è quello a lamina o relè reed; incapsulato in
un contenitore DIL in resina epossidica 4
( Figg. 30a, b) e molto utilizzato nelle costruzioni elettroniche per le sue dimensioni contenute.
Un altro tipo di relè differente da quelli elettromeccanici già descritti è il relè statico o relè allo stato solido, che utilizza come elemento di
commutazione un particolare dispositivo a semiconduttore: il Triac
Figg. 30a, b
Relè reed:
a. forma del contenitore;
a. forma costruttiva interna.
30a
lamina magnetica
atmosfera inerte
bobina
di azionamento
30b
LED
– Light emitting diode
Figg. 31a, b
Relè statico:
a. circuito elettrico;
b. forma del contenitore.
contatti
involucro
di vetro
tubetto
4
( Fig. 31a). È in grado di commutare correnti molto elevate ed è racchiuso in un contenitore come quello mostrato nella figura 31b.
Lo stato di conduzione (chiusura, on) o di interdizione (apertura, off)
viene controllato attivando l’emissione luminosa del diodo LED all’infrarosso.
1
2
3
4
31a
31b
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
23
Il contattore
6
1
7
2
8
3
4
9
5
10
11
12
I contattori (o teleruttori) sono dispositivi elettromeccanici di manovra
con i contatti normalmente aperti in grado di stabilire, sostenere e
interrompere forti correnti sia in normale funzionamento sia in condizioni di sovraccarico. Possono essere elettromeccanici, pneumatici o
elettropneumatici:
— nei contattori elettromeccanici la commutazione dei contatti
avviene alimentando un’apposita bobina di eccitazione (come nei relè);
— nei contattori pneumatici i contatti si chiudono grazie al movimento di un dispositivo meccanico azionato ad aria compressa o a olio;
— nei contattori elettropneumatici è un dispositivo elettromeccanico, un’elettrovalvola, che permette il passaggio dell’aria compressa o dell’olio e la conseguente commutazione dei contatti.
13
14
Fig. 32
Contattore elettromeccanico.
1 base di fissaggio
2 contatto fisso di entrata
della linea
3 contatto mobile
4 contatti ausiliari
5 contatto fisso di uscita
della linea
6 bobina del complesso
magnetico di attrazione
7 morsetti di entrata della linea
8 supporto mobile
9 diaframma separatore
10 pulsante di ricarica del relè
termico
11 spirale del relè termico
(va posto in serie con una fase
della linea di alimentazione
principale)
12 leva per la taratura del relè
termico
13 lamina bimetallica del relè
termico
14 morsetti di uscita della linea
bobina di contatti di
eccitazione potenza
contatti
ausiliari
K1
Fig. 33
Simbolo grafico del contattore.
24
Vol. 1 - MODULO C
La figura 32 mostra un contattore del tipo elettromeccanico. Esso è
costituito da un elettromagnete di comando, da contatti fissi (connessi
alla struttura dell’apparecchiatura) e da contatti mobili che si muovono trascinati dalla parte mobile del nucleo della bobina quando viene
eccitata. Fra i contatti vengono interposti appositi separatori, costituiti da materiale isolante, che provvedono a delimitare l’arco voltaico che
si crea fra i contatti quando commutano.
Oltre ai contatti principali (di potenza), destinati a interrompere
forti correnti, i contattori possiedono contatti ausiliari che possono
essere usati per realizzare l’autoritenuta (autoalimentazione) o comandare lampade di segnalazione.
Il simbolo grafico del contattore è illustrato nella figura 33.
I contattori possono essere alimentati sia in corrente continua sia
in corrente alternata, e i parametri che li caratterizzano sono sostanzialmente gli stessi dei relè. La tensione di alimentazione può essere
pari a quella di rete, ma è buona norma alimentare la bobina con tensioni più basse (di solito 24 V), ottenute mediante trasformatore, conseguendo così due risultati:
1. il circuito di comando viene isolato dalla rete elettrica;
2. si opera con tensioni non pericolose per le persone.
Per dimensionare correttamente il trasformatore occorre ricercare il
consumo delle bobine di eccitazione sui cataloghi tecnici. I contattori
funzionanti in corrente continua assorbono una forte corrente allo
spunto, dovuta al fatto che la stessa è limitata solo dalla resistenza
della bobina; a eccitazione avvenuta, mediante contatti ausiliari viene
inserita una resistenza detta di risparmio, che permette la circolazione
di una corrente pari a quella di mantenimento. Il valore della resistenza di risparmio viene indicato dal costruttore nei fogli tecnici.
Le figure 34a, b mostrano una tipica applicazione dei contattori: lo
schema di connessione di un circuito di comando che effettua l’inversione del senso di rotazione di un motore asincrono trifase scambiando
due fasi di alimentazione sul motore.
L’attivazione del pulsante di marcia PM1 provoca l’eccitazione
della bobina K1 e la chiusura del contatto ausiliario di autoritenuta
(che ha la funzione di mantenere la bobina eccitata anche quando il
pulsante viene rilasciato), la chiusura dei contatti di potenza e l’aper-
Figg. 34a, b
Circuito di comando di una
serranda realizzato con contattori:
a. schema elettrico di comando;
b. schema elettrico di potenza.
L1
L2
L3
N
24 V
K1 PM2
PM1
K2
K2
K1
PS1
PS1
K1
K1
K2
U V W
0V
34a
K2
34b
M
3~
tura del contatto ausiliario normalmente chiuso K2 sulla linea di alimentazione della bobina. Quest’ultimo è detto contatto di interblocco; la sua apertura rende inattivo il pulsante di marcia PM2, per
cui diventa impossibile eccitare contemporaneamente i due contattori
K1 e K2. Analoga funzione ha il contatto ausiliario K2 sulla linea di
alimentazione della bobina K1.
Il contattore si diseccita attivando il pulsante, normalmente chiuso,
di stop PS.
Per essere utilizzato praticamente, il circuito proposto dovrebbe
prevedere anche l’utilizzo di due relè di protezione termica e magnetica che, tramite due contatti NC in serie a entrambi i circuiti di comando delle bobine, provvedano ad aprirsi in presenza di surriscaldamenti, di cortocircuiti o di sovraccarichi repentini.
Talvolta le protezioni termiche e magnetiche sono montate contemporaneamente sullo stesso contattore allo scopo di ottenere una maggiore velocità di intervento nei confronti dei sovraccarichi.
6 CONNETTORI
Fig. 35
Presa e spina per apparecchiature
audio.
I connettori sono formati da conduttori sagomati, fissati in opportune
forme di materiale plastico. Devono possedere un contatto caratterizzato da bassa impedenza, non devono attenuare né distorcere i segnali
ad alta frequenza né introdurre disturbi. La presentazione di una sintesi esaustiva di tutte le tecniche utilizzate per connettere le varie parti
(schede elettroniche, componenti elettromeccanici) che compongono
un’apparecchiatura elettronica è molto complessa.
Le connessioni che si realizzano fra apparecchiatura e ambiente
esterno vengono in genere realizzate con un collegamento del tipo presa
e spina. Tale connessione può essere di tipo unipolare o multipolare,
schermata e non schermata. La presa può essere del tipo a pannello
o volante, mentre la spina è quasi sempre del tipo volante 4
( Figg. 35
e 36a, b, c).
L’accoppiamento fra una spina e una presa, entrambi volanti, è
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
25
Figg. 36a, b, c
Presa e spina:
a. spina coassiale;
b. spina per prese jack
da 6,3/3,5/2,5 mm;
c. spina per presa jack stereo
da 6,3 mm.
terminale
punto caldo
36a
massa
terminale
punto caldo
massa
36b
destro
massa
36c
BNC
– Bayonet network connector
sinistro
detto cavo di connessione 4
( Fig. 37 ); in genere lo si utilizza per trasferire i segnali elettrici fra apparecchiature o fra apparecchiature e
dispositivi utilizzatori. Un accoppiamento particolare presa-spina è
quello utilizzato per alimentare l’apparecchiatura con la tensione di
rete; in questo caso, per ragioni di sicurezza, la spina deve essere montata sul pannello di comando dell’apparecchiatura 4
( Figg. 38 a, b).
I connettori coassiali BNC con attacco a baionetta vengono utilizzati
soprattutto nella strumentazione elettronica. Il collegamento è assicurato per mezzo di una ghiera che può bloccare il filo di collegamento in
modo tale da assicurare una connessione di ottima qualità 4
( Fig. 39 ).
Le connessioni fra più schede appartenenti alla stessa apparecchiatura vengono realizzate in genere impiegando due connettori: uno maschio (spina) e uno femmina (presa). Questi connettori sono di tipo mul-
Fig. 37
Cavo di connessione.
Figg. 38a, b:
a. presa di rete;
b. spina.
38a
Fig. 39
BNC.
26
Vol. 1 - MODULO C
38b
2,03
C
Fig. 40
Quote di un connettore a inserzione
diretta.
3,18
3,60
D
B
A
7,93
7,14
10,72
terminale
1,32
6,60
E
dettaglio
DIMENSIONI (mm)
CONTATTI
16
24
32
A
B
C
D
E
43,18
63,50
83,82
46,74
67,06
87,38
53,34
73,66
93,98
8,71
8,71
9,25
60,95
81,28
101,60
Fig. 41
Selezione di connettori utilizzati
per realizzare interconnessioni
fra schede.
tipolare. La distanza fra ogni polo e tra ogni riga di poli è fissata dal
supporto isolante in materiale plastico che separa i terminali. Le quote
di queste distanze sono in genere espresse in millimetri o in decimi di
pollice 4
( Fig. 40 ). È un tipo di connessione usato nelle realizzazioni di
tipo modulare e a bus 4
( Fig. 41).
Nei connettori femmina a inserzione diretta, il connettore maschio
viene ricavato direttamente sulla scheda quando si realizza il circuito
stampato 4
( Fig. 42 ).
Un altro tipo di connessione molto utilizzato nelle apparecchiature
digitali è quello che utilizza i cavi piatti, formati da una striscia di
cavi assemblati uno accanto all’altro con passo 1,27 mm 4
( Fig. 43 ); il
materiale plastico è tale da autospellarsi quando viene inserito in con-
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
27
Fig. 42
Connettore a inserzione diretta
ricavato sul circuito stampato.
nettori a perforatore di isolante 4
( Fig. 44 ). Per facilitarne il cablaggio, il cavo piatto è contrassegnato, su un lato, con una o più bande colorate.
I connettori per cavo piatto sono di tre tipi 4
( Figg. 45a, b, 46 e 47 ):
— multipolare a inserzione diretta;
— DIL;
— a vaschetta.
Fig. 43
Cavo piatto.
Il montaggio dei cavi piatti e dei relativi connettori a inserzione diretta viene eseguito con l’ausilio di speciali attrezzature (presse, taglierine, separatori per i fili).
Quando la tensione e la corrente che interessano il connettore sono
elevate occorre ricorrere a connettori di forma lamellare 4
( Fig. 48).
Molto diffusi sono anche i connettori a vaschetta serie subminiatura
(sub-D), nelle versioni per montaggio su pannello e volante 4
( Figg. 49a,
b). Per il cablaggio delle prese e delle spine volanti dei connettori a
vaschetta vengono realizzati appositi gusci che ne facilitano l’impiego.
Fig. 44
Inserzione del cavo piatto
nel connettore.
conduttore
cavo piatto
primo spigolo di taglio
contatto a U
secondo spigolo di taglio
fessura
di precisione
isolante
conduttore
isolamento
residuo
28
Vol. 1 - MODULO C
connessione
stabile
Figg. 45a, b:
a. connettori per cavo piatto;
b. attrezzatura per il cablaggio.
45a
45b
Fig. 46
Connettore per cavo piatto
(tipo a 64 poli).
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
29
Fig. 47
Connettore a vaschetta per cavo
piatto.
Fig. 48
Connettori a forma lamellare.
Figg. 49a, b:
a. connettori sub-D a vaschetta;
b. accessori.
49a
49b
Nella figura 50 è mostrato un tipo di connettore molto utilizzato nei circuiti stampati di tipo digitale: il connettore maschio diritto o con terminali piegati a 90° viene saldato sulla scheda del circuito stampato, mentre il connettore femmina viene preparato fissando a un morsetto il filo di
collegamento con un apposito attrezzo e inserendo poi il morsetto nell’apposita sede. Questi connettori sono commercializzati in strisce che possono essere separate per formare connettori di qualsiasi lunghezza. Utilizzando un connettore femmina per circuito stampato è possibile collegare
più schede fra loro senza usare alcun filo di connessione 4
( Fig. 51).
30
Vol. 1 - MODULO C
Fig. 50
Connettori in striscia.
Sono infine abbastanza diffusi i connettori a morsetto a vite, costituiti da un morsetto incluso in un supporto plastico fissato alla scheda
mediante un terminale che realizza i collegamenti meccanico ed elettrico. Il collegamento esterno viene realizzato inserendo un conduttore
nel morsetto e serrando la vite 4
( Figg. 52 e 53).
I connettori vengono scelti anche in funzione del tipo di cablaggio
che richiedono. Le tecniche di cablaggio più utilizzate sono: a saldare,
per circuito stampato (diritti e a 90°); per tecnica di montaggio wirewrap; a perforatore di isolante o per cavo piatto; con attacchi Faston.
Il numero di connessioni realizzabili, e quindi il numero di poli di
un connettore, dipende dal tipo di morsetto o connettore prescelto. I
modelli con morsetto a vite vengono realizzati in moduli da 2, 3 e 4 poli,
che sono componibili e consentono di ottenere connettori con un numero di poli qualsiasi. I connettori a vaschetta di tipo D sono disponibili a
9, 15, 25 e 37 poli.
Negli ultimi anni, nell’ambiente industriale si stanno diffondendo i
connettori con chiusura a molla. Mediante un attrezzo si forza l’apertura del morsetto, s’infila il cavo di rame spellato e poi si toglie l’attrezzo; il contatto elettrico e la resistenza meccanica allo sfilamento del
filo vengono assicurati da molle che esercitano una fortissima pressio-
Fig. 51
Uso dei connettori in striscia
per interconnessioni fra due schede
a circuito stampato (quote in pollici).
circuito
stampato
2,000
0,100
0,095
2,000
circuito
stampato
0,100
TYP
0,095
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
31
Fig. 52
Connettori con morsetto
di serraggio a vite.
Fig. 53
Connettori con morsetto
di serraggio a vite di potenza.
ne. Alcuni modelli sono dotati di un’apposita levetta che provvede ad
aprire e chiudere il morsetto. Il connettore a molla offre il vantaggio di
velocizzare le operazioni di cablaggio, di rendere più sicuro il contatto
in presenza di vibrazioni e più stabile la connessione nel tempo.
Il morsetto a vite trattiene il cavo sfruttando la reazione elastica che
quest’ultimo esercita sulla vite di serraggio: il passaggio della corrente
elettrica nel morsetto genera, a causa della resistenza di contatto, una
certa dissipazione di calore che lo riscalda, mentre al cessare del passaggio della corrente il morsetto si raffredda; si ha quindi, nel morsetto,
un ciclo termico che provoca la dilatazione delle parti metalliche. Con il
passare del tempo, i continui cicli di dilatazione e contrazione del metallo del morsetto e della vite (che sono, in genere, fatti di materiali differenti, e quindi con coefficienti di dilatazione diversi) possono provocare
l’allentamento del morsetto, l’aumento della resistenza di contatto, l’aumento del calore dissipato e una maggiore dilatazione termica dei metalli, fino a interrompere la connessione. Nei morsetti a molla la chiusura del contatto dipende da quest’ultima che, riscaldandosi, aumenta la
pressione, e quindi non peggiora la qualità della connessione, e quando
si raffredda si contrae mantenendo la forte pressione iniziale.
Caratteristiche tecniche del connettore
Le
—
—
—
—
—
principali caratteristiche elettriche dei connettori sono:
massima corrente ammessa;
massima tensione di esercizio;
resistenza di isolamento;
resistenza di contatto;
temperatura di lavoro.
La massima corrente di funzionamento è determinata dai limiti di temperatura dei materiali costitutivi. In genere i costruttori forniscono una
curva caratteristica corrente-temperatura che permette di valutare il valore ottimale di corrente in funzione delle condizioni di lavoro 4
( Fig. 54).
32
Vol. 1 - MODULO C
sezione del contatto (0,5 mm2)
Fig. 54
Curva caratteristica
corrente-temperatura per
un connettore sub-D a vaschetta
a 25 contatti torniti.
8
7
corrente (A)
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120 130
temperatura ambiente (°C)
Le caratteristiche tecnologiche dei materiali riguardano il corpo, i
contatti e la superficie di questi ultimi; il polimero termoplastico che
separa i terminali del connettore deve possedere proprietà autoestinguenti.
Le caratteristiche meccaniche più importanti sono:
— dimensioni di ingombro;
— diametro di foratura per i terminali;
— passo e numero dei poli;
— forza di inserzione e di estrazione;
— pressione di contatto;
— estensione dell’area di contatto;
— tempo di vita espresso in numero di inserzioni.
Materiali per connettori
I materiali plastici utilizzati per realizzare i vari tipi di connettore possono essere sia del tipo termoplastico sia del tipo termoindurente; devono possedere un’elevata resistività di volume e non devono essere igroscopici né sensibili alle sostanze corrosive ambientali.
I morsetti dei connettori, di solito stampati o torniti, sono generalmente realizzati in leghe di rame, ottone, bronzo, bronzo fosforoso, nichel, lega di alluminio.
I contatti dei morsetti sono rifiniti per mezzo di trattamenti superficiali quali la placcatura in oro su substrato di nichel nei punti di contatto e la stagnatura (sempre su substrato di nichel) nei punti di ancoraggio o nella zona di saldatura. Viene utilizzato l’oro in quanto è un
buon conduttore di calore e di elettricità, ed è chimicamente inerte.
Per la placcatura, poiché l’argento tende a rivestirsi di una pellicola di solfuro, anziché utilizzarlo allo stato puro si impiegano le sue
leghe con oro o palladio.
CAP 7 - Componenti elettromeccaniche e parti meccaniche
33
Rappresentazione grafica dei connettori
Il simbolo grafico usato per indicare i connettori è quello mostrato nella
figura 55a; questo simbolo viene usato di solito per connessioni tipo
presa-spina. In qualche disegno, soprattutto di tipo digitale, questo
simbolo non risulta sufficientemente chiaro, per cui in alcuni casi si utilizzano anche rettangoli, quadrati e romboidi 4
( Fig. 55b ).
La lettera di identificazione utilizzata per i connettori è la J 4
( Figg.
56a, b).
55a
55b
Connettori per fibre ottiche
Le fibre ottiche consentono un collegamento affidabile, veloce e con isolamento elettrico fra calcolatori e periferiche (strumentazione industriale, altri elaboratori collegati in rete); grazie alla loro ampia larghezza di banda possono trasmettere simultaneamente più canali utilizzando portanti diverse. La trasmissione è esente da interferenze
elettromagnetiche e da rischi di intercettazione.
I connettori per fibre ottiche sono più complessi di quelli tradizionali
utilizzati per i cavi elettrici; in molti casi contengono all’interno elementi attivi a semiconduttore che rigenerano i segnali ottici trasmessi, nonché forme sagomate che operano l’autoallineamento delle fibre.
La connessione tra fibre ottiche è un’operazione molto delicata, per
la fragilità del materiale (se di vetro) e perché bisogna preoccuparsi di
ridurre al minimo l’attenuazione del segnale trasmesso. Viene realizzata effettuando le seguenti operazioni in sequenza:
— taglio della fibra;
— levigatura della superficie del taglio;
— allineamento delle due estremità;
— saldatura, normalmente per fusione.
Figg. 55a, b
Simboli grafici dei connettori:
a. prese e spine;
b. forme generiche.
L’allineamento delle fibre si ottiene operando spostamenti micrometrici delle superfici delle due parti da unire, in modo da trovare la posizione in cui l’attenuazione è minima.
Figg. 56a, b
Identificazione di un connettore:
a. J1;
b. J4 (RS-422).
ACK
1
RES
2
PL
3
GND
4
+12V
5
56a
SIG GND
+ RTS
– RTS
+ TX DATA
– TX DATA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
CTS
CTS
RXDATA +
RXDATA –
56b
PER FISSARE I CONCETTI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
34
Vol. 1 - MODULO C
Come funziona un relè?
Quali sono le principali caratteristiche elettriche e meccaniche di un relè?
Che cos’è un contattore?
In quali applicazioni elettromeccaniche si usa un contattore?
A che cosa serve un connettore?
Quali sono le principali caratteristiche elettriche e meccaniche
di un connettore