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Circuito di Precarica: Cos’è, a Cosa Serve e Come Funziona

Circuito di Precarica: Cos’è, a Cosa Serve e Come Funziona

Nella teoria ideale, ogni circuito di alimentazione dovrebbe operare senza intoppi, fornendo energia in modo costante e affidabile. Tuttavia, nel mondo reale dell’elettronica, le cose sono spesso più complesse di quanto sembrino. Ogni dispositivo elettronico è soggetto a variazioni, interferenze e anomalie che possono influenzare il suo funzionamento.

Una delle sfide più comuni che gli ingegneri e i tecnici devono affrontare è la gestione della corrente di spunto, un picco di corrente che si verifica durante la fase di accensione di un dispositivo. Questo picco, se non controllato, può causare danni o malfunzionamenti.
Ecco perché il Pre-Charging, o circuito di precarica, diventa essenziale. Ma cosa rappresenta esattamente questo concetto e perché è così cruciale nel design dei circuiti moderni?

Cos’è il Circuito di Precarica?

Un circuito di precarica è un sistema elettronico che permette di caricare gradualmente un accumulatore o un condensatore, limitando la corrente iniziale che fluisce attraverso di esso. Questo è particolarmente utile quando si tratta di componenti come inverter o batterie, dove un picco di corrente iniziale potrebbe causare danni o malfunzionamenti. La precarica avviene attraverso una resistenza, che limita la corrente, permettendo alla tensione di salire lentamente fino al valore desiderato.

Il Problema della Corrente di Spunto e della Carica Capacitiva

Quando si collega una batteria a un dispositivo, inizialmente si verifica un picco di corrente molto elevato, simile a un cortocircuito. Questo fenomeno può danneggiare i componenti elettronici e abbreviare la loro vita operativa. La tensione inizia a caricare il condensatore con una corrente iniziale alta, che poi diminuisce progressivamente. Se non viene controllata, questa corrente può superare la capacità tollerabile dei componenti, portando alla loro rottura.

In particolare, quando si collega una batteria a un carico con proprietà capacitive, si manifesta un picco di corrente di spunto nei primi momenti. La corrente di ingresso dipende dal valore della capacità. Un sistema funzionante ad alta tensione e con un grande carico capacitivo può essere soggetto a una corrente elettrica elevata durante l’accensione e l’avviamento.

Se non gestite correttamente, queste correnti possono causare danni gravi. Mentre in alcune applicazioni, come la distribuzione di energia a livello industriale, l’accensione avviene raramente, in altri contesti, come nei veicoli, il Pre-Charging si verifica frequentemente.

La Necessità del Pre-Charging

Nel momento iniziale di un transitorio, le correnti di spunto nei condensatori costituiscono un grande problema. Esse sono estremamente alte poiché tali componenti, nell’istante T=0 risultano, a tutti gli effetti, come un cortocircuito.

Se il picco di corrente allo spunto supera il “maximum absolute rating” dei componenti del circuito, si verificano degli stress e si può arrivare, facilmente, alla loro distruzione. Il valore capacitivo del carico influisce, in maniera determinante, sull’ammontare di tale pericolosa soglia.

Di conseguenza, è essenziale ridurre lo stress sui componenti limitando tale corrente allo spunto. Questo è dove entra in gioco il circuito di prericarica, un sistema che permette una carica graduale, riducendo il rischio. Questa operazione, sebbene fondamentale, non è immediata e potrebbe richiedere alcuni secondi per completarsi.

Come avviene il Pre-Charging

Lo scopo del sistema di Pre-Charging deve quindi essere quello di ridurre al minimo la corrente di picco in uscita. Ovviamente i carichi induttivi sul sistema devono essere disattivati durante tale modalità di funzionamento e la tensione aumenterà lentamente in modo che la corrente di accensione non superi mai quella massima consentita.

Per tali motivi, questo stadio si trova nella parte iniziale del sistema, come si può osservare nello schema generico a blocchi della Figura 1. Quando la tensione di alimentazione è prossima quella dello stato stazionario, la funzione di protezione può considerarsi conclusa. Il sistema, dunque, viene posto in funzionamento normale.

Figura 1: uno schema generico a blocchi del “Pre-Charging”

L’accensione del sistema avviene in modo graduale e morbida e ciò consente di conferire una vita operativa più lunga ai componenti elettronici. In questo modo, vengono scongiurati anche gli eventuali archi elettrici che potrebbero instaurarsi tra le parti metalliche vicine e sono eliminate anche eventuali interruzioni dei differenziali per troppo assorbimento alla linea elettrica.

Il circuito di precarica nelle automobili elettriche

Con l’avvento delle automobili elettriche, il circuito di precarica ha trovato una delle sue applicazioni più cruciali. La presenza di grandi condensatori aumenta l’eventualità di importanti assorbimenti di corrente all’avvio. Tali metodi, vedono l’impiego di relè ad alta corrente dei relè ad alta corrente per disabilitare il sistema durante i periodi di inattività. Pertanto un circuito di questa tipologia è composto al minimo da:

  • Una resistenza di potenza per limitare la corrente di spunto;
  • Un contattore (in pratica un relè ad alta potenza) che bypassa il resistore durante il normale funzionamento;
  • Opzionalmente un relè di precarica per evitare che il carico venga alimentato tramite la resistenza e un contattore per isolare il carico quando il sistema è spento.

I relè per il Pre-Charging sono dispositivi elettromeccanici espressamente progettati per commutare carichi ad alta tensione e alta corrente. Questi relè posseggono la stessa funzionalità di quelli tradizionali ma possono essere utilizzati in applicazioni ad alta tensione e supportano la connessione e la disconnessione della batteria.

Per queste operazioni critiche tutti i componenti devono essere conformi ai severi requisiti richiesti nel settore. Il loro utilizzo è, dunque, estremamente prezioso nei veicoli ibridi ed elettrici con batteria. Anche in condizioni di guasti o di incidenti tali componenti scollegano il circuito dalla batteria, in modo affidabile e sicuro.

Alcune soluzioni e schemi generali

La Figura 2 mostra il concetto di base di un circuito di Pre-Charging, il cui requisito principale è quello di ridurre al minimo la corrente di picco dell’alimentazione, rallentando il fattore dV/dT della tensione e precaricando, in maniera “morbida” il condensatore attraverso il resistore di potenza.

circuito di prericarica tipico
Figura 2: filosofia di base del “Pre-Charging”

Durante la precarica, che può anche durare diversi secondi, la tensione del sistema aumenterà lentamente e in modo controllato fino a quando essa sarà pari al 90% o al 95% di quella di esercizio. Al termine della precarica, la resistenza di limitazione viene scollegata dal circuito di alimentazione e la batteria ritorna a essere una fonte di alimentazione a bassa impedenza per la modalità normale. I carichi ad alta tensione, poi, vengono alimentati in sequenza.

Uno dei sistemi per limitare la corrente di spunto è quello di utilizzare un resistore NTC. A freddo, la sua elevata resistenza consente il passaggio di una piccola corrente ma dopo il suo riscaldamento, la sua bassa resistenza aumenta la corrente di lavoro.

Cosa succede senza un circuito di Pre-Charging adeguato?

Per rispondere a questa domanda, vediamo un esempio. Si osservi il semplice schema applicativo di principio di cui alla Figura 3. Si tratta di un generatore di energia V1 (una batteria) e di un carico capacitivo (C1) collegato ad esso in parallelo.

Questi sono i dati statici di funzionamento del circuito:

  • Tensione di V1: 96 VCC;
  • Resistenza interna della batteria V1: 0.2 Ohm;
  • Carico capacitivo C1: 100 uF;
  • ESR del condensatore: 0.05 Ohm.
corrente di spunto distruttiva senza circuito di prericarica
Figura 3: senza un adeguato sistema di “Pre-Charging” l’elevata corrente di spunto potrebbe essere distruttiva

Il sistema è caratterizzato, dunque, da una resistenza di linea equivalente di:

R = 0.2+0.05 = 0.25 Ohm

Con una corrente iniziale di spunto pari a:

I = V/R = 96/0.25 = 384 Ampere

Come si può anche evincere dallo stesso grafico. Il transitorio è brevissimo e si esaurisce in circa 100 microsecondi. Ma in tale frangente di tempo la grande mole di corrente (ben 384 Ampere di picco e una potenza di picco di 11520 Watt) potrebbe provocare seri danni al circuito.

Conclusione

Nell’era dell’elettronica avanzata e delle automobili elettriche, il ruolo del Pre-Charging o circuito di precarica non può essere sottovalutato. Questa tecnologia, apparentemente semplice, svolge un ruolo cruciale nel garantire che i nostri dispositivi funzionino in modo efficiente e sicuro. Protegge i componenti elettronici da picchi di corrente potenzialmente dannosi, assicurando una maggiore durata e affidabilità.

In un mondo in cui ci affidiamo sempre di più alla tecnologia, è fondamentale comprendere e apprezzare le sfide e le soluzioni che stanno dietro ai dispositivi che usiamo quotidianamente. Il Pre-Charging è un esempio perfetto di come l’ingegneria e l’innovazione si uniscano per affrontare problemi complessi, offrendo soluzioni che migliorano la nostra vita quotidiana.

Ivan Scordato
progettista elettrico e appassionato di nuove tecnologie. Scrive articoli di approfondimento tecnico e conosce anche tecniche SEO per la scrittura su web.