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Sistema di alimentazione con filtraggio
Premessa
Dovendo
realizzare una multipresa per l’alimentazione del sistema hi-fi ho
pensato di creare qualcosa di personalizzato che conciliasse
diverse esigenze:
-
Interruzione generale dell’alimentazione del
sistema;
-
Filtraggio della tensione di alimentazione;
-
Prese di alimentazione di buona qualità;
-
Estetica;
-
Costo contenuto.
Descrizione
del sistema
Il sistema è
composto fondamentalmente da quattro parti, come indicato nella
figura e facilmente identificabili nello schema elettrico
allegato.
-
Ingresso rete.
-
Interruttore principale.
-
Filtri modulari.
-
Prese uscita.
Ingresso rete
L’ingresso rete
è realizzato con una classica spina da pannello a norme IEC. In
questo modo è possibile utilizzare il cavo preferito, terminato
con l’apposita presa volante e la spina più adeguata.
Nel mio caso ho
utilizzato un cavo realizzato artigianalmente intrecciando due
cordine unipolari di rame OFC di ottima qualità e un normale filo
di rame isolato in colore giallo-verde (terra) di generosa sezione
(2.5mmq).
La treccia così
ottenuta è ricoperta con uno strato di schermatura recuperato da
un cavo per cablaggio di sistemi di automazione.
Il tutto è poi
ricoperto dalla classica calza isolante di copertura.
NOTA:
Lo schermo va collegato al filo di terra (giallo-verde) solo dalla
parte della spina che va alla presa a muro lasciando isolata
l’altra estremità verso la presa volante IEC, ovviamente
collegando invece la terra!
Non ho allegato
foto del cavo in quanto sul sito sono presenti parecchie
realizzazioni di questo tipo.
Nello schema
elettrico ho riportato anche un semplice circuito che protegge la
rete dai corto-circuiti e il nostro prezioso sistema Hi-fi dalle
sovratensioni che si possono verificare sulla rete di
alimentazione.
Il principio di
funzionamento è molto semplice, il fusibile protegge contro le
sovracorrenti, mentre il varistore (o se preferiamo MOV) si
comporta come una resistenza variabile in funzione della tensione.
Finchè la
tensione di alimentazione si mantiene al valore nominale di 230V
il MOV è praticamente un circuito “aperto”, non appena la tensione
supera il valore di 275V la resistenza propria del MOV si abbassa
fino a provocare un corto-circuito che fa quindi saltare il
fusibile di protezione.
Nella mia
realizzazione pratica non ho montato questo sistema di protezione,
in quanto già integrato nella presa a muro che alimenta il
sistema.
Interruttore
principale
Per
l’interruttore principale ho fatto ricorso ad una soluzione
piuttosto inconsueta, invece del classico interruttore a pannello
ho utilizzato un relè ad impulsi, praticamenti quelli degli
impianti domestici per accendere le luci da più punti.
Il relè
utilizzato è il modello 26.01 della Finder, compatto, dotato di
bobina a 220V e in grado di sopportare sui contatti una corrente
di 10A. Questo componente è facilmente reperibile presso qualsiasi
negozio di materiale elettrico. Per il collegamento basta fare
riferimento al foglietto di istruzioni allegato nella confezione.
In questo modo
sul pannello frontale si ha un pulsante di dimensioni ridotte e
una maggiore comodità d’uso. Una semplice pressione sul pulsante e
il circuito si chiude, un’altra pressione e il circuito si riapre.
L’azionamento di
relè di questo tipo comporta comunque qualche piccolo problema
legato ai rimbalzi meccanici del pulsante che possono provocare
chiusure e successive riaperture indesiderate dei contatti, oltre
a generare fastidiosi disturbi di natura elettrica.
La soluzione è
basata sul grosso condensatore C1 che si carica attraverso il
diodo D1 e la resistenza R1. Il condensatore deve avere una
capacità piuttosto grossa, intorno a 1.5uF, nel mio caso ho
ottenuto questo valore mettendo in parallelo due condensatori da
820nF – 400V.
Il relè si
aziona chiudendo il pulsante e quindi scaricando sulla bobina la
tensione accumulata ai capi del condensatore C1 che deve quindi
ricaricarsi impedendo l’azionamento immediato della bobina. Anche
mantenendo il pulsante chiuso la caduta di tensione provocata
dalla resistenza R1 è tale da impedire ulteriori azionamenti della
bobina del relè.
Per poter agire
nuovamente sul pulsante occorre attendere almeno mezzo secondo
affinchè il condensatore C1 possa ricaricarsi.
Da notare la
resistenza da 10Mohm posta in parallelo al condensatore che
provvede a scaricarlo quando il dispositivo è staccato dalla rete
di alimentazione.
L’inconveniente
tipico di questi relè è che generano dei rumori che si potrebbero
udire sugli apparati di riproduzione audio, ma a valle di esso ci
sono i filtri! Ecco che il problema è risolto.
Come visibile
nella foto, il circuito è montato su una basetta millefori ad
esclusione del solo relè (ma solo perché non avevo una basetta
millefori più grossa).
La presenza
della tensione di alimentazione è indicata da un led blu pilotato
da un semplice riduttore di tensione a reattanza capacitiva. Il
condensatore C2 da 150nF in classe X2 provoca la caduta di
tensione assieme alla resistenza R3.
Il diodo D2
protegge il led dai picchi inversi di tensione.
Sezione filtri
Prima di
descrivere i filtri vediamo un po’ di teoria.
In una rete di
alimentazione in corrente alternata si distinguono diversi tipi di
disturbo. In generale si verifica sempre una combinazione di
correnti di disturbo che si differenziano per le diverse direzioni
di propagazione.
La figura
illustrata di seguito è la rappresentazione schematica della
tipica situazione in cui si opera in un ambiente domestico.
Cp sono le
capacità parassite che inevitabilmente si verificano tra i fili e
la terra.
I disturbi di
modo comune sono caratterizzati da una corrente asimmetrica che si
sviluppa in una sola direzione, per esempio tra fase e terra
oppure tra neutro e terra.
I disturbi di
modo differenziale sono invece caratterizzati da una corrente
simmetrica e quindi bidirezionale che si richiude tra fase e
neutro.
Occorrono quindi
degli elementi di filtraggio per attenuare in modo efficace tutte
le correnti di disturbo.
Tipicamente, per
ragioni di costo, si ricorre ad una soluzione di filtraggio
combinata in cui un unico filtro serve tutti gli utilizzatori.
Questa soluzione
è più semplice ed economica ma il filtro non è efficace per i
disturbi trasmessi direttamente da un utilizzatore all’altro,
anche se è possibile ridurli posizionando ferriti sui cavi di
interconnessione.
La soluzione
sicuramente più efficace è quella del filtraggio distribuito, in
cui si ha un filtro per ogni utilizzatore o gruppo di
utilizzatori. Questa soluzione è più complessa e costosa ma
apporta notevoli benefici.
In questo caso
ho optato per tre gruppi di alimentazione distinti, ognuno con
portata di 3-4A e dotato del suo filtro come segue:
-
Un gruppo per i finali di potenza;
-
Un gruppo per i preamplificatori;
-
Un gruppo per le sorgenti digitali;
Vi è inoltre un
quarto gruppo di prese non filtrate.
In questo modo
le interferenze reciproche tra i gruppi di alimentazione sono
praticamente annullate. Ogni gruppo comprende due prese di
alimentazione.
A questo punto
subentra il problema economico, quattro filtri già assemblati non
costano poco, se poi si vuole avere un’attenuazione veramente
efficace occorrono filtri multistadio con costi sono ancora più
elevati.
Una rapida
ricerca sui cataloghi e un’attenta analisi dei datasheet di alcui
tra i migliori filtri in commercio (Epcos e Schaffner) mi ha
permesso di verificare che, con un po’ di buona volontà, è
possibile replicarli con una spesa, tutto sommato, contenuta.
Ho preso come
riferimento i filtri Schaffner della serie FN-2060. Questa serie
ha una configurazione multistadio composta da due filtri in serie
come illustrato di seguito e permette di avere elevati valori di
attenuazione dei disturbi differenziali e di modo comune.
Ma alla fine
cosa c’è dentro a questi scatolotti?
Fondamentalmente
ci sono varie combinazioni di condensatori soppressori di disturbi
in classe X (Cx) e soppressori di scariche in classe Y (Cy),
induttanze compensate in corrente e una resistenza di scarica (R).
I valori dei
componenti utilizzati, e soprattutto le induttanze, variano in
funzione della corrente massima sopportata dal filtro.
I condensatori
soppressori di disturbi devono soddisfare i requisiti richiesti
dalla Norma EN 132400.
A questo scopo
provvedono i condensatori in classe X. Si tratta di componenti con
un ampio campo di valori di capacità e sono di tipo “autorigenerante”,
ovvero il loro guasto per cortocircuito non porta ad una scarica
elettrica pericolosa.
I condensatori
di classe X sono suddivisi in due sottoclassi in base alle
tensioni di picco a cui sono sottoposti oltre alla tensione di
rete, per applicazioni domestiche si si usano condensatori in
classe X2, corrispondenti ad una tensione di 275V.
I condensatori
in classe Y provvedono invece alla protezione contro le scariche e
sono caratterizzati da capacità più piccole ma con maggiore
sicurezza elettrica e meccanica. La tensione di isolamento
risponde alle norme VDE 0550 Parte 1 ed è pari a Ueff = 250 V per
la classe Y2.
Io ho utilizzato
condensatori Evox Rifa ma vanno bene anche di altre marche come
Epcos, Wima, Arcotronics.
Attenzione:
Non è possibile utilizzare condensatori normali per questa
applicazione.
I condensatori
per questi filtri possono essere di tipo MKP o MKT ma devono avere
stampigliato sul corpo la dicitura X2 o Y2; ho trovato qualche
rivenditore di componenti che spacciava per condensatori X2
normali condensatori MKT da 400V.
Le induttanze
compensate in corrente sono costituite da due bobine avvolte in
modo contrapposto su nucleo toroidale. Quelle disponibili
commercialmente si presentano in forme analoghe a quella
illustrata in figura.
Negli schemi
elettrici possono essere rappresentate in due modi come illustrato
di seguito:
Quando si
scelgono le induttanze è importante verificare la portata di
corrente che possono sopportare. Per esempio ho trovato
un’induttanza da 2.7mH in grado di sopportare 4A, si tratta del
modello EPCOS B82723A2402N1.
Comunque queste
bobine si possono costruire abbastanza facilmente.
Calcolare una
bobina toroidale è abbastanza semplice.
-
Noto il valore di induttanza L che si vuole
ottenere si ricorre alla formula
Il parametro N2
rappresenta il quadrato del numero delle spire da avvolgere
sul nucleo.
Il parametro AL
è tipicamente fornito dai costruttori di nuclei toroidali
ed indica l’induttanza specifica espressa in nH (nanoHenry).
-
A questo punto si sceglie il nucleo toroidale.
Per esempio ho
scelto un nucleo toroidale Epcos avente diametro esterno di circa
27mm e altezza 11mm (modello B64290-L618X35) e realizzato in
materiale magnetico T35; per questo modello il costruttore
dichiara un valore di AL uguale a 4200nH con
una tolleranza del 20%.
Quindi con un
semplice calcolo si ricava il numero di spire necessario ad
ottenere il valore desiderato
Per avere
un’induttanza di 2.5mH, corrispondente a 2500000nH, con i valori
indicati si ha
N = √
(2500000/4200) con buona approssimazione possiamo dire N = 25
Quindi la nostra
bobina andrà realizzata con due avvolgimenti da 25 spire di rame
smaltato cadauno.
Il diametro del
filo di rame deve essere opportunamente scelto in funzione della
corrente che lo deve attraversare, comunque un filo da 0.6 – 0.8mm
è sufficiente per il nostro scopo.
Il nucleo deve
essere diviso in due parti, nella figura riportata come esempio,
il primo avvolgimento è stato fatto partendo dall’interno. Il
secondo avvolgimento è realizzato con lo stesso metodo ma
iniziando dall’altro lato.
In questo modo
le due bobine risultano uguali ma contrapposte in fase.
A questo punto è
importante parlare della corrente di dispersione.
Durante il
funzionamento delle apparecchiature elettriche si ha sempre, per
quanto minima, una piccola corrente di dispersione che deve
rientrare nei parametri definiti dalle norme di sicurezza
nazionali.
La corrente di
dispersione è causata dalle capacità parassite e dai condensatori
inseriti nell’apparecchio, collegati tra i conduttori percorsi da
corrente ed il potenziale di terra.
Vista la
presenza di condensatori collegati a terra, e di fili di cablaggio
i filtri presentano quindi una corrente di dispersione che
dipende:
-
dalla somma dalle capacità parassite e dalle
capacità tra i conduttori percorsi da corrente e lo chassis;
-
dalla tensione d’esercizio;
-
dalla frequenza;
-
dalle resistenze di scarica.
La corrente di
dispersione di un filtro di rete, come quelli qui realizzati, si
riferisce alla corrente che può scorrere tra ciascun conduttore
percorso da corrente ed il potenziale di terra.
La corrente di
dispersione per questi tipi di filtri è di circa 0.4mA ciascuno,
pienamente nei limiti imposti dalle normative, per un totale di
1.2mA, quindi del tutto insufficiente a far intervenire
l’interruttore differenziale salvavita che, secondo la legge, deve
essere posto a protezione degli impianti elettrici domestici
(tarato a 30mA).
Assemblaggio dei
filtri
Ho optato per un
montaggio su una basetta millefori da 100x160mm, i collegamenti
tra i componenti sono realizzati utilizzando i loro reofori. Nella
documentazione allegata sono presenti le tracce per realizzare due
diversi tipi di PCB per un singolo filtro: il tipo 1 fa
riferimento all’uso di bobine autocostruite, il tipo 2 fa
riferimento alle bobine commerciali qui indicate.
Come visibile
nella foto ho utilizzato sia bobine commerciali che bobine
autocostruite. Le bobine commerciali hanno dei terminali che
permettono la saldatura diretta su circuito stampato, le bobine
autocostruite sono invece fissate alla basetta mediante fascette
in modo da non stressare troppo i fili degli avvolgimenti che sono
prolungati fino ai punti di saldatura sottostanti.
Le bobine sono
montate contrapposte per evitare accoppiamenti, dalla foto
sottostante risulta abbastanza evidente per le bobine commerciali
ma non per quelle autocostruite, ho quindi inserito la foto di una
realizzazione commerciale per rendere meglio l’idea
Una volta
completato l’assemblaggio i filtri sono stati schermati mediante
“scatoline” di rame separate. Sul corpo di ogni scatola è
collegato il polo comune dei condensatori Y2 e la terra in un
unico punto.
I collegamenti
di ingresso ed uscita sono realizzati con filo in rame OFC
argentato di generosa sezione.
Come
evidenziato nello schema elettrico e nella figura che segue il
collegamento generale della terra è di tipo “a stella”.
La terra
dell’impianto elettrico è collegata in un unico punto del telaio
(PE) e da qui poi si dipartono i collegamenti verso i vari filtri
e quindi alle prese di uscita.
E` una piccola
complicazione che comporta però i suoi vantaggi: le correnti di
perdita di ogni singolo gruppo di alimentazione si richiudono in
un unico punto senza interessare gli altri circuiti di
alimentazione.
Ovviamente la
basetta è montata ben distanziata dal pannello di fondo, per avere
un’elevata sicurezza ed evitare qualsiasi rischio sono stati
utilizzati distanziatori da 20mm.
Prese di uscita
Le prese di
uscita utilizzate sono del tipo Vimar serie 8000, semplici,
affidabili e a buon mercato. Per il montaggio sul pannello dello
chassis ho utilizzato i normali supporti per scatole da incasso,
opportunamente lavorati in modo da ridurre l’ingombro e adattarli
al pannello posteriore dello chassis. I supporti sono fissati
all’interno mediante viti e dadi.
Il
supporto VIMAR 8000 originale
Come ben
visibile dalla foto, all’esterno i supporti non sono visibili in
quanto ogni presa ha una sua feritoia dedicata (un gran lavoro di
trapano e di lima!!).
Ad ogni presa è
collegato un cordone di alimentazione realizzato con cavo PAE
CY3150. Si tratta di un cavo abbastanza economico, ma di buona
qualità, realizzato con conduttori in rame OFC di sezione 1.5mmq
per fase e neutro, due conduttori da 0.75mmq per la terra e doppio
schermo costituito da foglio di alluminio e da calza di rame
purissimo.
Lo schermo deve
essere collegato a terra solo sul lato della spina verso il
filtro.
Realizzazione
dello chassis
Lo chassis è
interamente di metallo rifinito con una cornice esterna in legno.
Una struttura di
solo legno non è adeguata in quanto occorre un’efficace
schermatura.
La struttura
principale che ho realizzato è costituita da pezzi recuperati da
un contenitore Hi-Fi 2000 della serie “Galaxy” maggiorato (altezza
80mm) e riadattato a cui ho aggiunto fianchi e frontale in mogano
per migliorare l’estetica ed allinearla a quella delle altre
elettroniche che fanno parte del mio sistema.
I pannelli di
legno sono stati trattati con diverse mani di vernice turapori
alla nitro, quindi due mani di colorante acrilico applicato a
tampone per ravvivare le venature del legno. Infine lucidatura a
cera neutra.
Elenco
componenti
SK1: Spina IEC
da pannello, eventualmente con portafusibile integrato
F1: Fusibile
5x20 da 10A
MOV: Varistore
275V (tipo EPCOS B72205S251K101, catalogo Distrelec 730052)
S1: Pulsante
normalmente aperto
RL1: Relè ad
impulsi tipo Finder 26.01
D1,
D2: diodo 1N4007
R1: resistenza 100kohm – 1/2W
R2:
ressitenza 10Mohm – 1/2W
R3:
resistenza 470ohm – 1W
R4 – R6:
resistenza 1Mohm – 1W
C1: Condensatore 1.5uF – 400V
(oppure due condensatori 680nF – 400V in parallelo)
C2: Condensatore 150nF classe X2
(es. Evox Rifa PHE 820, catalogo Distrelec 821888)
C3, C4, C7, C8,
C11, C12: Condensatore 220nF classe X2
(es. Evox Rifa
PHE 840, catalogo Distrelec 821281)
C5, C6, C9, C10,
C13, C14: Condensatore 4.7nF classe Y2 (es. Evox Rifa
PME271Y, catalogo Distrelec 820234)
L1 –
L6: 2x2.5mH, 25 spire x 2, da avvolgere su nucleo
toroidale R25/10 (tipo EPCOS B64290-L618X35, catalogo Distrelec
332373).
Oppure Bobina
doppia compensata in corrente, 2x2.7mH – 4A, tipo
EPCOS B82723A2402N1, catalogo Distrelec 351176
Varie: basette millefori, contenitore
metallico, fili di cablaggio vari, prese di alimentazione rete
Lo schema:
Cosa dire Grazie Maurizio
da parte di tutti !!
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