Protezione da corto circuito/guasto su alimentatore

[Alan18]

Buonasera a tutti, sto realizzando un progetto di un irrigatore automatico con sensore di umidità. Grazie ai consigli su questo forum, oltre a ricevere indicazioni su tutto il resto, mi è stato consigliato di utilizzare 2 alimentazioni separate. Allego lo schema per miglior chiarezza.

La prima, collegata al VIN, è fornita da un'alimentatore 9V 500mA, che alimenta 5 led (ciascuno gestito dal rispettivo transistor le cui basi sono collegate ai pin digitali). Poi dal pin 5V prelevo la tensione necessaria ad alimentare un ulteriore led, un display lcd 16X2 ed un sensore di umidità.

La seconda alimentazione è fornita da un alimentatore 5V 700mA che è collegato ad relè che a sua volta gestisce una pompa.

La mia domanda è questa: sarebbe il caso di prevedere l'utilizzo di uno o più fusibili che rendano il progetto sicuro in caso di corto circuito/guasto. Vorrei, in primis salvaguardare la sicurezza visto che funzionerà anche in assenza di persone ed in secondo luogo anche preservare l'integrità del mio arduino nano e dei componenti.
Nel caso, dove andrebbero posizionati e come andrebbero dimensionati i fusibili?

In base ai calcoli che ho fatto, il carico totale sull'alimentatore da 9V è di circa 120mA (richiesti quasi totalmente dai led nel caso in cui si accendessero tutti. Gli altri componenti cioè lcd, sensore ed altro led richiedono poca corrente).
Il carico sull'alimentatore da 5V (la pompa) richiede, dai dati che ho reperito, 180mA a 4,5V.
La corrente di spunto della pompa è da tenere in considerazione? Su che ordine di grandezza si attesta? Purtroppo al momento il mio tester credo sia completamente andato in quanto con il selettore a 200mA, mi segna 9,1 a vuoto...non credo sia normale.
Preciso che la pompa sarebbe in funzione una volta al giorno per qualche secondo, il tempo di innaffiare.

Grazie per l'aiuto.

[Claudio_FF]

Alan18:
Nel caso, dove andrebbero posizionati e come andrebbero dimensionati i fusibili?

Gli alimentatori sono normalmente già protetti. Se proprio vuoi basta aggiungere un fusibile rapido 250mA sul positivo di quello da 9V (che protegge da corti a valle che comunque non dovrebbero mai verificarsi).

Il carico sull'alimentatore da 5V (la pompa) richiede, dai dati che ho reperito, 180mA a 4,5V.
La corrente di spunto della pompa è da tenere in considerazione? Su che ordine di grandezza si attesta?

Lo spunto potrebbe essere anche più grande di quanto l'alimentatore può fornire (ma in questo caso non è un problema). Probabilmente va bene un fusibile ritardato da 500mA.

Piuttosto non ricordo se se ne era già parlato, hai verificato se il modulo relé si attiva collegando l'ingresso a massa o a 5V? Il KY-019 se non sbaglio si attiva quando sull'ingresso vengono dati 5V.

[Maurotec]

Se gli alimentatori sono switching AC to DC dovrebbero essere già protetti da fusibili e da circuiti che spengono l'oscillatore in caso di corto.

Io non vedo grandi rischi di guasto e conseguenze catastrofiche, comunque posso anche pensare che il motore della pompa possa rimanere bloccato e allora si che assorbirebbe più corrente, una stima del valore di questo la si può fare misurando la resistenza del motore quando non alimentato. Se ad esempio il tester misura una resistenza di 5 ohm e alimenti il motore con 4.5V I=V/R = 4.5/5=0.9A (900mA).

L'assorbimento aumenterà anche ostruendo il flusso di uscita della pompa.

Per il led non mi pare ci possa essere problema, c'è il transistor, c'è il resistore di collettore e quello di base a limitare la corrente.

Ciao.

[Alan18]

Grazie per le risposte.

Piuttosto non ricordo se se ne era già parlato, hai verificato se il modulo relé si attiva collegando l'ingresso a massa o a 5V? Il KY-019 se non sbaglio si attiva quando sull'ingresso vengono dati 5V.

Il mio modulo relè non è esattamente il KY-019 a causa dei limiti di fritzing. Se ne era già parlato in un'altra discussione, ricordi bene, e ti confermo che così come è collegato, su breadboard funziona come deve. Con il segnale alto sul pin 4, chiude il circuito e la pompa si attiva.
Per essere precisi il modulo è questo https://www.amazon.it/gp/product/B07KQ2ZGT8/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o00_s00?ie=UTF8&psc=1

Tornando al discorso degli alimentatori, spero di non essermi espresso male chiamandoli con il nome sbagliato. Comunque a scanso di equivoci vi linko quelli che sto usando:
questo è il 5V https://it.aliexpress.com/item/32677330307.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4d8qBAu4
questo è il 9V https://it.aliexpress.com/item/32841125341.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4dEIee0J
Dalle descrizioni effettivamente viene indicato che sono già protetti da corto circuito, ma da neofita, preferisco affidarmi a voi più che ad una descrizione cinese.

Io non vedo grandi rischi di guasto e conseguenze catastrofiche, comunque posso anche pensare che il motore della pompa possa rimanere bloccato e allora si che assorbirebbe più corrente, una stima del valore di questo la si può fare misurando la resistenza del motore quando non alimentato. Se ad esempio il tester misura una resistenza di 5 ohm e alimenti il motore con 4.5V I=V/R = 4.5/5=0.9A (900mA)

Grazie per il consiglio, ho misurato 12,7 ohm a vuoto. Quindi 354mA a 4,5V. Questo valore corrisponderebbe al massimo assorbimento giusto?
Solo una conferma, visto che non vorrei aver preso una cantonata.
La pompa che ho è questa JT-DC3L (orizzontale) https://it.aliexpress.com/item/32894401053.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4d4z3wTg
Visto che nei grafici sono indicati gli assorbimenti sia a 3V che a 4,5V, alimentarla a 5V è sbagliato? Nel titolo dell'articolo sono indicati 5V, quindi sono un pò confuso. Non per saltare avanti, ma nel dubbio, un diodo in serie al positivo per portarla a 4,3V, sarebbe corretto? O è una cosa trascurabile per mezzo Volt?
Grazie.

[Maurotec]

Sia per l'alimentatore che per la pompa non sapendo come è fatta dentro non si può dire molto.
0.5V penso che non possano creare grandi differenze, cioè non si guasta immediatamente per 0.5V in più, però si potrebbe comunque guastare anche a 4.5V, in sostanza mi preoccuperei di più per l'affidabilità che non può certo essere elevata, visto il costo testala in tua presenza facendola prelevare e versare nella stessa vaschetta (cioè in ricircolo).

Ora se c'è il rischio che l'acqua entri dentro il motore elettrico della pompa allora un fusibile lo metterei, il valore boo, tra 250 mA e 400mA.

Per l'alimentatore sai che c'è il regolamento, e c'è per più motivi uno è che io non ho progettato quell'alimentatore e non c'è un datasheet. Comunque un fusibile da tra 250mA e 500mA ritardato dovrebbe lavorare senza guastarsi.

Gli altri motivi li leggi qui.
Regolamento punto 15.2 Sicurezza

Ciao.

[Alan18]

Vi ringrazio per le risposte però (certamente per colpa mia) non ho ben chiaro alcuni punti e su altri avrei bisogno della conferma che ho capito bene. Chi avesse la pazienza di rispondere punto per punto ai miei dubbi, avrebbe tutta la mia gratitudine.

1. Sul positivo del 9V metto un fusibile rapido da 250mA? (Assorbimento massimo dei carichi circa 120mA).
   2)Sul positivo del 5V metto un fusibile ritardato da 500mA?(Assorbimento massimo della pompa 180mA. Calcolo resistenza a vuoto 12,7ohm che a 4,5V sono circa 350mA).
   3)Il fusibile del punto 2 va messo prima del relè sul positivo del 5V e non dopo, direttamente sul + della pompa, giusto?
2. Quel valore di 350mA, calcolato misuando la resistenza ai capi della pompa a vuoto, indica teoricamente l'assorbimento massimo della stessa? Se fosse così, il fusibile da 500mA non sarebbe sovradimensionato? Se la pompa si blocca per X motivi, continuerebbe a chiedere 350mA cercando di far girare a forza il suo motorino?

Farò uno stress test della pompa in ricircolo, ma in teoria dovrebbe essere progettata per funzionare immersa nell'acqua....quindi spero vivamente che non entri acqua nel suo motorino!!!!

Grazie a tutti per la disponibilità.

Dimenticavo, la mia idea di un diodo in serie al positivo dei 9 v per abbassare la tensione è percorribile o sto dicendo una cavolata?
Grazie ancora.

[Etemenanki]

Alan18:
...
Visto che nei grafici sono indicati gli assorbimenti sia a 3V che a 4,5V...

Sono indicati cosi perche' si tratta di due diversi modelli, come puoi vedere anche dalla tabella ... tu quale hai preso dei due ?

[Alan18]

C'è un grafico riferito alla pompa verticale mod. JT-DC3L, in cui sono indicati 3V e 4.5V ed un grafico riferito alla pompa orizzontale mod. JT-DC3W, in cui sono indicati 3V e 4.5V.
Quindi per ciascuno dei 2 modelli vengono indicate 2 tensioni.
La mia è quella orizzontale.

[Alan18]

Buongiorno, c'è qualcuno che può rispondere ai miei dubbi del post #5 per favore?
Grazie a tutti.

[Maurotec]

4. Quel valore di 350mA, calcolato misuando la resistenza ai capi della pompa a vuoto, indica teoricamente l'assorbimento massimo della stessa? Se fosse così, il fusibile da 500mA non sarebbe sovradimensionato? Se la pompa si blocca per X motivi, continuerebbe a chiedere 350mA cercando di far girare a forza il suo motorino?

Dipende da cosa vuoi che accada, cioè se vuoi disalimentare la pompa nel caso si blocchi e assorba la massima corrente. Ora i calcoli sono un cosa la pratica è un'altra. Nel calcoli non abbiamo considerato la resistenza del contatto del relè, la resistenza dei conduttori ecc. Quanto non considerato ha un influenza sostanzialmente ci aspettiamo che con il rotore bloccato la corrente sarà inferiore a 350mA, si ma quanto? La risposta è che non si sa nella teoria occorre fare nella pratica una simulazione basata su dati certi rilevati da strumenti. Il tester ci dice che la pompa nelle condizioni operative normali assorbe (ipotesi) 175mA. Ostruendo parzialmente il tubo di uscita la pompa assorbe (ipotesi) 195mA. Ostruendolo totalmente la pompa assorbe ??.

Facendo vari test e provando dei fusibili nel range minimo a massimo possiamo scegliere a raggion veduta. Il minimo valore del fusibile (ritardato) (ipotesi) è 200mA, passando per 225mA, 250mA 275mA, 300mA ecc.

Ora se la pompa è immersa in una vasca di dimensioni sufficienti a dissipare in calore 4.5x0.35= circa 1.5W non ci saranno problemi per il motore anche con rotore bloccato, solo che la pompa non pompa ma nessun rischio diretto. Se questa condizione di dissapazione non può essere garantita il motore si surriscalda, gli anelli di tenuta idraulica possono cedere, ora acqua e corrente elettrica mal si sposano spesso a meno di volere sfruttare l'elettrolisi. Se l'acqua ha grande contenuto salino è molto conduttiva e sicuramente interverrà il fusibile anche quello da 500mA sempre che l'alimentatore sia capace di erogarla questa corrente.

Per la pompa se proprio vuoi la prossima versione la fai con un generatore di corrente che alimenta il motore di modo che erogherà sempre la corrente per cui è tarato il circuito. Oppure rilevi la tensione che cade ai capi di una resistenza posta in serie al motore (lato gnd). Più corrente scorre maggiore sarà la caduta di tensione, un ingresso analogico di arduino misura questa tensione, la campiona per un paio di secondi e se supera la soglia spegne il relè e in memoria conserva l'errore e in seguito a ciò lo notificherà tramite un led lampeggiante e se si vuole si può interrogare arduino via seriale per mostrare i codici di errore.

Il periodo di isolamento ha delle conseguenze, mi astengo di giudicarle.

Aggiungo che per sostituire il relè c'è un circuito molto semplice composto da due resistenza un bjt npn, due diodi 1n4148 che formano un "generatore di corrente costante", questo è controllabile tramite PWM oppure in on/off.

http://www.itimonaco.it/fionda/soluz_circ_integr/sol_cir_indici/sol_circ_paragrafi/sol_cir_3_1.htm

Con riferimento a questo link, senza usare R2, e il pin nominato Vcc connesso ad un pin digitale (anche pwm) possiamo controllare questo generatore.

3)Il fusibile del punto 2 va messo prima del relè sul positivo del 5V e non dopo, direttamente sul + della pompa, giusto?

Per me prima o dopo poco cambia, diciamo mettilo dove nella pratica ti viene meglio.

Ciao.

[Alan18]

Beh, che dire, intanto grazie davvero per la risposta più che esaustiva.
So che non è stato un tuo diretto consiglio, ma mi resta ancora il dubbio circa l'opportunità di usare un fusibile anche sull'alimentazione dei 9V dove è collegato Arduino, display, sensore e led. Se non ho capito male andrebbe bene uno da 250mA.
E poi riguardo la tensione della pompa, usare un diodo per abbassare di 0,6-0,7V è corretto?

Tornando alla tua risposta, diciamo che il mio progetto prevede che la pompa sia in funzione per circa 15-20 secondi al giorno, solo per il momento dell'irrigazione. Quindi anche in caso di blocco, sarebbe limitato a quel periodo. Sarebbe immersa in un bidoncino da 5 litri e credo che la dissipazione del calore sia ampiamente soddisfatta. Non prevedo ostruzione dei tubi, visto che sono abbastanza corti e cmq visionabili. Forse un po' di resistenza al flusso di acqua potrebbe derivare da una o 2 diramazioni per irrigare più vasi contemporaneamente, ma comunque saranno di lunghezza limitata.

Sicuramente andrò a studiarmi bene ogni aspetto dei tuoi consigli, specialmente circa la possibilità di sostituire il relè. Al momento l'argomento non mi è del tutto agevole viste le mie conoscenze limitate.

E mi studierò bene anche la possibilità di utilizzare un generatore di corrente costante, la soluzione che mi hai proposto mi piace molto.

Non ho capito bene la storia dell'isolamento...

Per ora grazie davvero del tempo speso.

[Maurotec]

E poi riguardo la tensione della pompa, usare un diodo per abbassare di 0,6-0,7V è corretto?

Tornando alla tua risposta, diciamo che il mio progetto prevede che la pompa sia in funzione per circa 15-20 secondi al giorno, solo per il momento dell'irrigazione.

Puoi testare la pompa per 30 secondi anche a tensione superiore a 5V, es 6V così da misurare l'assorbimento. Il motorino è un motore a corrente continua con spazzole (carboncini), questa tipologia di motori può essere maltrattata o usata per brevi periodi a tensioni (e ovviamente a correnti) superiori ai dati di targa. Ora 20 secondi a 4.5V o 5V non cambia molto la situazione, se con 4.5V l'assorbimento è 180mA con 5.0V sarà 188mA, quindi il diodo non serve.

Non ho capito bene la storia dell'isolamento...

Si hai ragione, l'isolamento coronavirus.

Forse per questo motivo ho tirato in ballo i generatori di corrente costante nonostante come ho detto nella mia prima risposta non vedo rischio catastrofici. Inoltre il tempo limitato di funzionamento della pompa fa si che questa potrebbe anche essere alimentata in mancanza di acqua, certamente questa eventualità non è prevista dal produttore di questo tipo di pompe ma riservata a pompe molto costose.

So che non è stato un tuo diretto consiglio, ma mi resta ancora il dubbio circa l'opportunità di usare un fusibile anche sull'alimentazione dei 9V dove è collegato Arduino, display, sensore e led. Se non ho capito male andrebbe bene uno da 250mA.

O usi il tester per misurare la corrente e farti una idea, oppure fai una stima di massima teorica e usi un fusibile di poco superiore.

Piuttosto su gli alimentatori che hai linkato, non so nulla. Ieri ho deciso di riparare il lettore DVD che si era guastato, ora grazie al coronovirus sto trovando il tempo per fare queste cose. Il guasta riguarda l'alimentatore che ad occhio (e per esperienza) credo sia simile a quelli da te linkati. Si tratta dei circuiti risonanti conosciuti come "quasi resonant" e infatti se cerchi con google trovi molti risultati. Nel caso del DVD l'alimentatore è fatto bene e si è comportato in modo esemplare, il fusibile non si è guastato ma è intervenuto il circuito di protezione che spegne l'oscillazione e la riavvia per poi spegnerla nuovamente e così all'infinito se la corrente che scorre in un resistore supera la soglia prestabilita. Accadeva proprio questo a causa di un condensatore elettrolitico di filtro da 1000uF/16V.

Ora possiamo dire che i tuoi alimentatori sono altrettanto fatti bene??, boooo

Ciao.

[Alan18]

Grazie per i chiarimenti. Per quanto riguarda i miei alimentatori, spero siano di qualità adeguata. Male che vada, il fusibile che vado a mettere, dovrebbe mettermi al sicuro da ogni evenienza, giusto? Se non ho capito male, in caso di imprevisti, al massimo si guasta l'alimentatore, ma il resto rimane intatto. Quindi al momento del guasto, il fusibile interviene, apre il circuito, protegge tutto quello che è a valle dell'alimentatore ed interrompe il flusso di corrente richiesta dal carico.

[Arco_500]

Mettendo il fusibile hai una protezione in più.
Tieni presente che alcuni casi si guastano prima i componenti al silicio (integrati, transistor, ecc.) che il fusibile.
Ormai anche gli alimentatori più economici dovrebbero avere l'integrato che li blocca in caso di corti.

[Claudio_FF]

Alan18:
Quindi al momento del guasto, il fusibile interviene, apre il circuito, protegge tutto quello che è a valle dell'alimentatore ed interrompe il flusso di corrente richiesta dal carico.

Il fusibile protegge solo da un assorbimento anomalo. Se questo protegga qualcosa a valle o a monte è tutto da vedere. Infatti un fusibile non protegge da alcuna sovratensione, che sarebbe il compito delle protezioni interne dell'alimentatore. L'unica è usare un alimentatore di qualità (doppio isolamento, CE, e simbolo di alimentatore di sicurezza, tutte cose che gli alimentatori da due dollari non hanno).

[Alan18]

Arco_500:
Ormai anche gli alimentatori più economici dovrebbero avere l'integrato che li blocca in caso di corti.

Sui miei vedo un THX208, sarebbe quello l'integrato che dovrebbe svolgere quel compito?

Sicuramente per la costruzione definitiva userò alimentatori più performanti con le caratteristiche indicate da Claudio_FF.

[Maurotec]

Lo schema di quell'alimentatore potrebbe essere simile a questo:

A sinistra prima del ponte ci dovrebbe essere un fusibile che non c'è. Se il THX dovesse andare in corto i primi componenti a saltare sarebbero L2 R10, poi se salta anche D3 si porta a presso C18 (pure C19 non sarà contento).

La tipologia circuitale non è "quasi resonant" ma "current mode switching".

Oramai hai questi, è da irresponsabili non dire che se li stai usando e devi affrontare il cablaggio HT prenditi tempo e informati per bene come fare il tutto in sicurezza. Inseriscili in contenitori plastici, vanno più che bene le cassette ermetiche per esterno, sono robuste e comode. Si possono forare facilmente ad esempio per installare un porta fusibile passante.

Ciao.

[Alan18]

Grazie per lo schema, non voglio andare su argomenti non consentiti, quindi mi limito a dire che completerò lo schema che hai postato, con il fusibile mancante su ciascuno dei 2 moduli di alimentazione, di capacità (termine corretto?) corrispondente alla corrente che possono fornire.

Ovviamente mantenendo anche gli altri fusibili di cui si è parlato nei post precedenti.

Mi indicate eventualmente alimentatori di dimensioni contenute, simili a quelli che ho io, ma di qualità adeguata, che rispettino i requisiti di sicurezza?
Giusto un link, solo per farmi un'idea.
Grazie.

[Maurotec]

Tutti gli alimentatori "open frame" come quello tuo sono ad uso e consumo di aziende, quindi non per privati. Per i privati ci sono gli alimentatori in contenitore plastico (sigillato o meno) simili a quelli degli alimentatori per PC portatili. Quando la potenza di questi è bassa come nel tuo caso potresti trovare quelli "presa a muro" tipo quelli per ricaricare tablet e telefoni.

Se con google cerchi Alimentatore open frame ti fai una idea di cosa offre il mercato, però dovresti evitare aliexpress e altra provenienza almeno per il momento, questo perché puoi trovare ottimi prodotti e altri totalmente scadenti e non è facile capirlo.

Per gli altri form factor il mercato offre da spazzatura a prodotti decenti e purtroppo non si può giudicare e ci si affida alle certificazioni e al distributore.

Per quelli che hai se non lo sapessi è utile fissarli in qualche modo al fondo del contenitore lasciando dello spazio di circa 1/2cm tra fondo e punti di saldatura sul PCB. Curare il cablaggio assicurando i fili in modo che non possano entrare in contatto con un parte montata sul PCB, aiutarsi con fascette, colla a caldo ecc, come pure impedire che il cablaggio possa entrare in contatto con viti metalliche usate per fissare il tappo.

Guarda C22 e chiediti cosa accadrebbe se questo andasse in perdita o peggio in corto, questo tipo di condensatori sono specifici per applicazione, classificati e certificati.

Altra cosa che manca su i tuoi è il filtro EMI, ma se consideri che per un certo periodo sono stati messi in circolazioni alimentatori per PC (ovviamente ben più potenti e elettricamente più inquinanti) privi di filtro anche se nel PCB era previsto lo spazio e le piazzole per saldarlo.

Ciao.

[Alan18]

Sì, infatti per avere l'alimentazione distante dal vaso, avevo pensato di inserire i moduli dentro un contenitore idoneo.
Cercando in rete, mi sono anche imbattuto in moduli fatti come quello in allegato. Ha dimensioni molto contenute e non ha parti esposte, se non i 4 PIN dove saldare i cavi. Ne ho visti alcuni che hanno direttamente le morsettiere.

Maurotec:
Guarda C22 e chiediti cosa accadrebbe se questo andasse in perdita o peggio in corto, questo tipo di condensatori sono specifici per applicazione, classificati e certificati.

Su questo sinceramente non ho ancora abbastanza conoscenze per rispondere. Sono un completo autodidatta da pochi mesi per pura curiosità, quindi, sebbene abbia fatto ricerche e capito il funzionamento generale di un'alimentatore switching, non so ancora decifrare tutti i dettagli e la funzione di tutti i singoli componenti.
Diciamo che l'integrato, dopo aver confrontato la tensione che gli arriva su (credo) FB, modifica il duty cicle regolando finemente la tensione sul trasformatore.
Se dovesse saltare C22, immagino possa succedere qualcosa sui componenti più vicini, in particolare danni su optoisolare e integrato.....ma qui mi sto avventurando alla grande eh.....anzi, un chiarimento sarebbe prezioso. Apprezzerei eventualmente anche link dove posso studiarmi l'argomento.
Grazie

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