Lo scopo dei fusibili e dei disgiuntori è sia quello di proteggere l'impianto elettrico dal surriscaldamento e probabile incendio a causa di cortocircuiti o eccessivi sovraccarichi, sia quello di impedire danni agli apparecchi a causa di un eccessivo assorbimento di corrente causato da un componente che si è guastato o da un uso improprio (per esempio volume eccessivo sugli altoparlanti).
I fusibili utilizzano un filo o una fascetta sottile (denominati elementi) realizzata con un metallo dotato di resistenza normalmente maggiore rispetto a quella del rame, sufficiente a riscaldarsi con il flusso di corrente, e che si fonde ad una temperatura relativamente bassa e ben definita. Quando viene raggiunta la massima corrente prevista, questo elemento si riscalda a sufficienza per fondersi o vaporizzarsi. La velocità con cui ciò si verifica dipende dall'ammontare del sovraccarico e dal tipo di fusibile.
I fusibili utilizzati negli apparecchi elettronici di consumo sono di solito del tipo a cartuccia da 1-1/4" x 1/4" o 20 mm x 5 mm, fusibili pico che sembrano dei resistori verdi da 1/4 Watt, o altri tipi in miniatura. Sul circuito i fusibili sono di solito marchiati come F o PR.
I circuiti integrati di protezione sono nient'altro che dei fusibili in miniatura progettati appositamente per fornire una risposta molto rapida ed impedire danni ai sensibili componenti a stato solido inclusi circuiti integrati e transistor. Questo tipo di fusibili è di solito contenuto in contenitori di plastica TO92 provvisti di soli due piedini, o in piccoli contenitori rettangolari di dimensioni approssimative di 0,1" (larghezza) x 0,3" (lunghezza) x 0,2" (altezza). Controllateli come fareste con un normale fusibile. Sul circuito potrebbero essere contrassegnati come ICP, PR, o F.
I disgiuntori possono essere termici, magnetici, o una combinazione dei due casi. I piccoli disgiuntori a pulsante utilizzati negli apparecchi elettronici sono di solito del tipo termico, il metallo si riscalda a causa del flusso di corrente ed interrompe il circuito quando la sua temperatura eccede un determinato valore. Il meccanismo è spesso basato sull'azione di una striscia o dischetto bimetallico, simile al funzionamento di un termostato. I disgiuntori bistabili sono generalmente magnetici: un elettromagnete mantiene tirata una leva a cui viene impedito di scattare grazie ad una molla calibrata. Questo tipo di disgiuntore non è comunemente montato negli apparecchi elettronici di consumo, ma è spesso utilizzato nei pannelli di servizio elettrici.
Ad un valore di corrente appena superiore a quello per cui il fusibile è costruito, occorreranno minuti prima che il circuito si interrompa; ad un valore di corrente dieci volte maggiore, il fusibile si brucia in pochi millisecondi, e lo stesso dicasi per il disgiuntore.
Il tempo di risposta di un fusibile o disgiuntore 'normale' o 'rapido' dipende dal valore istantaneo della sovracorrente.
Un fusibile o disgiuntore a 'fusione lenta' o 'ritardato' permette un sovraccarico temporaneo (come quello causato dall'avvio di un motore), ma interrompe velocemente il circuito in caso di sovraccarichi di maggior durata o cortocircuiti. Una grande massa termica ritarda l'aumento di temperatura in modo che i sovraccarichi momentanei vengano ignorati. I disgiuntori di tipo magnetico utilizzano un fluido viscoso di smorzamento per rallentare il movimento del meccanismo di scatto.
E' possibile ottenere un bel po' di informazioni dall'apparenza di un fusibile bruciato, perlomeno nel caso in cui l'interno sia visibile, come nei fusibili a cartuccia con finestrella in vetro. Un vantaggio nell'utilizzo dei fusibili è che questo tipo di informazioni diagnostiche sono spesso disponibili!
Un fusibile il cui elemento sembra intatto ma ad un controllo risulta interrotto, potrebbe semplicemente essersi stancato con l'età. Anche se il fusibile non si brucia, le ripetute accensioni che provocano dei picchi di corrente vicini alla portata del fusibile, o dei momentanei sovraccarichi provocano dei ripetuti riscaldamenti e raffreddamenti dell'elemento del fusibile. E' abbastanza comune che un fusibile si interrompa senza che sia presente alcun guasto reale.
Un fusibile il cui elemento è spezzato in una o più parti si è bruciato a causa di un sovraccarico. La corrente era probabilmente superiore al doppio della portata del fusibile, ma non si trattava di un cortocircuito.
Un fusibile il cui vetro presenta una colorazione argentea o annerita, in cui l'intero elemento è molto probabilmente vaporizzato, si è bruciato a causa di un cortocircuito.
Queste informazioni possono essere utilizzate direttamente senza proseguire nella ricerca del guasto.
Come abbiamo già avuto modo di notare, alcune volte un fusibile può interrompersi per nessuna ragione valida; in questo caso basta sostituire il fusibile, ed il problema è risolto. In questa situazione, o dopo aver individuato il problema, quali sono le regole per una sicura sostituzione del fusibile? E' scomodo, a dir poco, attendere una settimana per l'arrivo del fusibile idoneo, o far aprire Radio Shack nel cuore della notte.
Anche nel caso dei disgiuntori, un cortocircuito potrebbe danneggiare i contatti o fondere totalmente il dispositivo, e rendere necessaria la sostituzione.
I fusibili e i disgiuntori sono caratterizzati da quattro parametri:
Molto probabilmente, potrete determinare le connessioni del trasformatore semplicemente identificando le connessioni di ingresso della rete.
Ci saranno due avvolgimenti primari, ciascuno dei quali potrebbe anche avere delle prese intermedie onde consentire delle varie leggere variazioni nella tensione di ingresso.
Negli Stati Uniti (tensione di rete 110 Volt AC), i due avvolgimenti primari sono collegati in parallelo. In Europa (tensione di rete 220 Volt AC), i due avvolgimenti saranno collegati in serie. Quando si modifica il cablaggio da una tensione all'altra occorre assicurarsi di mettere in fase i due avvolgimenti, altrimenti provocherete un cortocircuito! E' meglio effettuare una prova preliminare con un Variac in modo tale da alzare la tensione gradualmente ed accorgersi di eventuali errori prima di mandare tutto in fumo.
Un tester sulla portata in Ohm più bassa dovrebbe consentirvi di determinare la disposizione di eventuali prese interne.
Con un po' di fortuna, è anche probabile che le connessioni del trasformatore siano contrassegnate sul contenitore!
Il desiderio di alimentazione portatile sembra crescere esponenzialmente con la proliferazione dei computer notebook e palmtop, agendine elettroniche, PDA, telefoni cellulari e fax, cercapersone, macchine fotografiche tascabili, videocamere, registratori audio a cassette, radioregistratori, ecc. la lista non ha termine.
Due delle aree più calde nella ricerca di nuove tecnologie nel settore elettronico riguardano lo sviluppo di tecnologie per ottenere batterie (sistemi elettrochimici) di maggior capacità per gli apparecchi ricaricabili, e l'implementazione di gestione intelligente dell'energia (ricarica ottimale e conversione di energia ad alta efficienza) per gli apparecchi portatili. Litio e Nickel Metal Hydride sono tra le più recenti aggiunte all'inventario delle tecnologie di batterie più popolari. Sono ora disponibili una varietà di circuiti integrati per implementare delle tecniche di ricarica rapide preservando nel contempo la durata delle batterie. Dei progetti di convertitori DC-DC di basso costo sono in grado di generare qualunque tensione richiesta dall'apparecchio con efficienze maggiori del 90%.
Ad ogni modo, la maggioranza degli apparecchi che incontrete utilizza ancora batterie di tecnologia abbastanza basilare; le batterie più comuni solo le usa e getta alcaline e al litio, seguite dalla batterie ricaricabili al Nickel Cadmio o Piombo-Acido. I circuiti di ricarica sono spesso molto semplici e non sempre svolgono al meglio il loro compito, anche se tutto sommato sono idonei per la maggioranza delle applicazioni.
Per maggiori e più dettagliate informazioni su tutti gli aspetti della tecnologia delle batterie, consultate i documenti http://www.paranoia.com/~filipg/HTML/FAQ/BODY/F_Battery.html.
Sulle batterie esiste più letteratura tecnica di quanta abbiate mai sognato di aver bisogno. I paragrafi seguenti rappresentano soltanto una breve introduzione.
Una batteria in parole povere è costituita da un certo numero di pile, molto spesso collegate in serie per ottenere delle tensioni multiple della tensione base della pila che, dipendentemente dalla tecnologia utilizzata, può essere di 1,2, 1,5, 2,0, o 3,0 Volt tanto per citare i valori più comuni. Ad ogni modo, il termine 'batteria' è diventato di uso comune anche per indicare una singola pila.
Quattro sono i tipi di batterie tipicamente utilizzati negli apparecchi elettronici di consumo:
Ciascun tipo di batteria richiede un differente tipo di circuito di ricarica.
Le batterie NiCd sono caricate con una corrente controllata (di solito costante). Per i tipi di batterie montati negli utensili portatili e computer portatili è possibile effettuare una carica veloce ad una corrente compresa tra 0,5C e 1C, dove C indica la capacità in Ampere-Ora della batteria; per esempio, nel caso di una batteria da 2 Ampere-Ora, per corrente di ricarica uguale a 0,5C si intende caricare la batteria con una corrente di 1 Ampere, per corrente di carica di compensazione si intende 1/20-1/10C. I caricatori più sofisticati utilizzano una varietà di tecniche per rivelare la fine-carica. I caricatori economici (e quei tipi montati in molti economici apparecchi elettronici di consumo) effettuano semplicemente la carica di compensazione ad una corrente costante. I caricatori rapidi utilizzati per gli utensili portatili, computer laptop e videocamere, come minimo sono in grado di rivelare l'aumento di temperatura che è una delle indicazioni del raggiungimento della piena carica, anche se questo sistema è ben lontano dall'essere totalmente affidabile, ed alcuni danni sono inevitabili visto che alcune celle raggiungono la piena carica prima di altre a causa delle inevitabili lievi differenze nella capacità. Migliori tecniche di ricarica sono basate sulla rivelazione della leggera caduta di tensione che ha luogo quando viene raggiunta la piena carica, ma anche questo sistema può essere ingannevole. Le migliori tecniche di gestione dell'alimentazione utilizzano una combinazione di rivelazione e preciso controllo della carica per ciascuna cella, conoscenze sulle caratteristiche della batteria, e stato di carica.
I problemi che affliggono i semplici caricatori per batterie al NiCd sono di solito abbastanza semplici da individuare: un cattivo trasformatore, diodi raddrizzatori, condensatori, e forse un regolatore. Nei casi in cui viene utilizzata la rivelazione della temperatura, il sensore montato nel pacco batterie potrebbe essere difettoso, e potrebbero anche esserci dei problemi nei circuiti di controllo. Ad ogni modo, i più sofisticati sistemi per la gestione dell'alimentazione sono controllati tramite microprocessori o circuiti integrati custom e potrebbe essere impossibile individuare dei guasti che vadano oltre dei componenti evidentemente guasti o delle cattive connessioni.
Un semplice caricatore per una batteria al Piombo-acido è costituito semplicemente da un trasformatore riduttore di tensione, un raddrizzatore per trasformare la corrente alternata in corrente continua, e una qualche resistenza per limitare la corrente in uscita. La corrente naturalmente tenderà a scendere man mano che la tensione della batteria si avvicina ai picchi della forma d'onda di ricarica. I caricabatterie per batterie d'automobile più economici sono costruiti proprio in questo modo. Per le piccole batterie al piombo-acido sigillate, potrebbe essere utilizzato in circuito integrato regolatore per fornire una tensione di carica costante limitata in corrente. Un caricatore da 1 Ampere (massimo) per batterie a 12 Volt potrebbe utilizzare un LM317, 3 resistori e due condensatori, e funzionare da una sorgente di tensione a 15 Volt o più.
I problemi nei caricatori per batterie al Piombo-acido sono di solito abbastanza semplici da diagnosticare vista la semplicità della maggior parte dei progetti.
Per prima cosa osservate che le batterie ricaricabili NON sono idonee per l'utilizzo in applicazioni critiche per la sicurezza, come ad esempio nei rivelatori di fumo, a meno che non vengano utilizzate solo come backup di emergenza in caso di mancanza di tensione di rete (se il rivelatore di fumo è anche collegato alla rete elettrica) e siano costantemente sotto carica di compensazione. Le batterie NiCd tendono a scaricarsi (anche senza carico) ad una velocità tale da scendere a tensione zero in un mese o due.
Per molti giocattoli, telefoni portatili, lettori CD e riproduttori a cassette, radioregistratori portatili, televisori, computer palmtop, ed altri gadgets mangiabatterie, potrebbe essere possibile sostituire le comuni batterie usa e getta cone delle batterie ricaricabili. Ad ogni modo, le batterie NiCd presentano una minor tensione ai terminali, 1,2 Volt contro 1,5 Volt, e per tale motivo alcuni apparecchi potrebbero non funzionare correttamente. In particolare, i riproduttori a cassette potrebbero non riuscire a pilotare il motore per raggiungere una velocità di trascinamento costante e corretta. I produttori potrebbero specificamente mettere in guardia gli utenti contro l'utilizzo di questo tipo di batterie. I flash non saranno così luminosi a meno che il tubo flash non venga sostituito con un altro tipo a tensione più bassa. Altri apparecchi potrebbero funzionare meno che bene o non funzionare affatto se alimentati con pile al NiCd. Nel dubbio, controllate il vostro manuale di istruzioni.
La risposta in breve è: probabilmente no. Il caricatore con molta probabilità suppone che le NiCd limiteranno la tensione; i circuiti montati in molti caricatori infatti applicano una tensione significativamente maggiore rispetto a quella dei terminali del pacco batterie, attraverso un resistore di limitazione della corrente. Se sostituite le pile al NiCd con un condensatore la tensione potrebbe finire per essere molto maggiore rispetto a quella prevista, con conseguenze ignote. Nei caricatori più sofisticati, le conseguenze potrebbero essere ancora più imprevedibili.
Inoltre, anche la capacità di un supercondensatore non può essere paragonata a quella di una piccola batteria NiCd. Un condensatore da 5,5V 1F (un Farad) mantiene circa 15 W-s di energia, che è pressochè equivalente ad una batteria da 5V di capacità 3 A-s - meno di 1 mA-h. Un piccolo pacco batterie da 100 mA-h possiede una capacità maggiore di due ordini di grandezza.
Quando le prestazioni di un pacco batterie sono inferiori a quelle indicate o sul pacco batterie non è riportata alcuna informazione a riguardo della capacità, ecco alcuni commenti su come determinare sperimentalmente la corrente erogabile in Ampere-ora.
Dovrete stimare la capacità in modo tale da poter approssimare i tassi di carica e scarica. Ad ogni modo, di solito è semplice calcolare la capacità in base alla caratteristiche fisiche della batteria; in tal modo, riuscirete ad avvicinarvi alla reale capacità con un fattore compreso tra 0,5 e 2 come tolleranza:
Dimensione delle celle Intervallo di capacità, in A-h
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AAA 0,2 - 0,4
AA 0,4 - 1
C 1 - 2
D 1 - 5
Telefono senza fili 0,1 - 0,3
Videocamera 1 - 3+
Computer portatile 1 - 5+
Per prima cosa, dovreste caricare completamente la batteria; se la batteria sembra non raggiungere la piena capacità, questo potrebbe essere il vostro unico problema. Il vostro caricatore potrebbe interrompere prematuramente la carica a causa di un guasto nel caricatore stesso e non nella batteria. Potrebbe trattarsi di contatti sporchi o corrosi sul caricatore o sulla batteria, di cattive connessioni, di un sensore di temperatura o altro circuito di controllo di fine carica guasto. Sarebbe consigliabile tenere sotto controllo la corrente durante la carica, per stabilire se la batteria riceve una corrente in A-h sufficiente per la sua completa ricarica. Di solito occorrono da 1,2 a 1,5 volte gli A-h della capacità della batteria, per ricaricarla completamente.
Quindi scaricate la batteria ad una corrente approssimativa di C/20 - C/10, fino a che la tensione della cella scende a circa 1 Volt (non scaricate completamente la batteria per evitare di danneggiarla). La capacità è calcolata come corrente media moltiplicata per il tempo impiegato per la scarica, visto che la corrente di scarica di una pila NiCd è abbastanza costante quasi fino alla scarica completa.