Category Elettronica

Il sistema monofase si riferisce a un sistema di alimentazione elettrica che utilizza solo una forma d’onda per tensione e corrente alternata. La maggior parte dei sistemi elettrici residenziali e commerciali di piccole dimensioni sono monofase, mentre i sistemi commerciali e industriali più grandi utilizzano spesso l’alimentazione trifase. Nella quotidianità, l’energia elettrica che utilizziamo nei nostri uffici e nelle nostre case è del tipo monofase. In questo articolo andiamo ad vedere cosa si intende per sistema monofase.

Cosa è e cosa si intende per monofase?

Il sistema monofase è un sistema di distribuzione dell’energia elettrica a corrente alternata caratterizzato da un unico conduttore attivo detto “fase” ed un altro conduttore detto “neutro”. L’insieme di questi due conduttori, fase e neutro, è sufficiente per costituire il sistema monofase. In un sistema monofase il cavo di fase è quello responsabile di erogare la potenza che viene dalla sorgente di energia al carico mentre, il cavo di neutro serve a creare un percorso per la corrente di ritorno.

Come si vede dallo schema semplificativo mostrato nella figura sopra, il cavo di fase è responsabile di trasmettere la potenza elettrica al carico e per questo è considerato un conduttore attivo, il cavo di neutro, invece, è a potenziale nullo necessario per chiudere il circuito.

Caratteristiche del sistema monofase

Nel sistema monofase tensione e corrente presentano lo stesso identico andamento a singola forma d’onda sinusoidale.

La forma d’onda della tensione alternata ha un andamento come quello mostrato in figura caratterizzato da un ampiezza ed un periodo ben definiti. La tensione (lo stesso vale per la corrente) oscilla raggiungendo sempre lo stesso massimo che è rappresentato dall’ampiezza del segnale sinusoidale. La tensione raggiunge il massimo sempre ad intervalli regolari ovvero ad ogni periodo. L’unità di misura del periodo è il tempo che, tipicamente, viene misurato in secondi. Per caratterizzare l’andamento della tensione alternata, si utilizza il parametro della frequenza che è l’inverso del periodo.

Nei sistemi di distribuzione elettrica europei, l’ampiezza della tensione è stabilita a 220 V (con possibili piccole oscillazioni dovute a disturbi di rete) e la frequenza è 50 Hz. Questo significa che per convenzione è stato stabilito che un sistema monofase, in Europa, fornisca una tensione alternata che ha un valore massimo di 220 V (circa) e frequenza di 50 Hz, ovvero il valore di massimo (220 V) si ripete ogni 0,02 secondi (1/50).

Il sistema monofase: vantaggi e svantaggi

Tipicamente nella distribuzione dell’energia elettrica, il sistema monofase è ottenuto a partire dal sistema trifase da cui se ne deriva una delle tre fasi. Il sistema monofase è particolarmente utile per le piccole utenze dove i carichi che occorre sostenere sono piuttosto ridotti. Lo svantaggio dei sistemi monofase risiede nel fatto che la potenza erogata, data la natura sinusoidale della forma d’onda, ha degli istanti in cui è zero. Questo significa che si verificano dei buchi di tensione che rendono questo tipo di distribuzione inefficiente e non adatta a sostenere grandi carichi. Gli svantaggi di un sistema monofase sono essenzialmente dovuti all’incapacità di poter sostenere grandi potenze e quindi le necessità dell’industria pesante. Nell’industria, le limitazioni di un sistema monofase sono superate utilizzando un sistema trifase ovvero dotato di tre conduttori attivi.

Il potenziometro è un componente presente in innumerevoli dispositivi, dalle semplici apparecchiature audio ai complessi macchinari industriali. Il potenziometro funziona come un resistore variabile che permette di regolare la tensione che fluisce a valle dello stesso. In questo articolo approfondiamo il mondo dei potenziometri, facendo luce su cosa sono, come funzionano, i vari tipi disponibili e le loro applicazioni.

Cos’è il potenziometro?

Il potenziometro è un resistore variabile dotato di un contatto mobile, che consente la regolazione di tale resistenza e quindi della tensione ai sui capi all’interno di un circuito. Questa caratteristica di regolazione rende il potenziometro particolarmente utile negli scenari in cui è richiesto un controllo del livello di tensione.

Il potenziometro è un componente che trasforma la grandezza al suo ingresso, ovvero la tensione, e fornisce in uscita una tensione ad un livello diverso. Il potenziometro è quindi un trasduttore che al variare del valore della resistenza al suo interno, modula il valore della tensione in ingresso. Per ogni singola posizione che può assumere il contatto mobile, il potenziometro si comporta come un partitore di tensione.

Che si tratti di ottimizzare il volume audio, regolare la velocità del motore o calibrare le letture dello strumento, i potenziometri offrono un’ampia flessibilità di utilizzo.

Come è fatto il potenziometro?

Il potenziometro è costituito da un elemento resistivo e da un contatto mobile. Il contatto mobile non è completamente libero bensì è vincolato ad un movimento che tipicamente può essere di traslazione lineare oppure di rotazione.

A seconda delle applicazioni, il contatto mobile può anche essere multigiro tramite un movimento elicoidale ovvero un movimento che combina contemporaneamente la traslazione lineare e la rotazione. Nei potenziometri con movimento traslatorio dell’elemento mobile, tipicamente la corsa del contatto mobile può essere di pochi millimetri sino a qualche decina di centimetri.

Nei potenziometri con movimento rotativo, il contatto mobile tipicamente attua una rotazione che può essere di pochi gradi oppure di diverse decine di giri. In tutti i casi il moto dell’elemento dipende dall’applicazione per cui è stato costruito il potenziometro.

Come funziona il potenziometro?

Il funzionamento di un potenziometro ruota attorno al principio della divisione della tensione. Quando il contatto mobile (solitamente una manopola o un cursore) cambia posizione lungo un elemento resistivo, altera il rapporto di resistenza su entrambi i lati. Ciò, a sua volta, si traduce in una tensione o resistenza di uscita variabile, a seconda della configurazione del circuito. Sia che la risposta sia lineare o logaritmica, i potenziometri soddisfano diversi requisiti applicativi con le loro caratteristiche regolabili.

Consideriamo a titolo di esempio un potenziometro lineare ovvero un potenziometro dove la variazione della posizione dell’elemento mobile porta ad una variazione lineare della tensione in uscita. Per capirne il funzionamento vediamo l’andamento tra il rapporto della tensione di uscita / ingresso ed il rapporto della resistenza di uscita / ingresso.

Consideriamo V_OUT: tensione in ingresso; V_IN: tensione in uscita, S_IN: spostamento del cursore ovvero dell’elemento mobile; S_TOT: spostamento totale che può effettuare il cursore quando arriva al massimo della traslazione cioè a fondoscala.

Dal grafico appena mostrato si può vedere la rappresentazione dell’andamento della tensione in uscita V_OUT che sarà massima (ovvero V_OUT = V_IN) quando lo spostamento del cursore è massimo (ovvero S_IN = S_TOT). Questo andamento può considerarsi lineare fintanto che a valle de potenziometro c’è un circuito aperto ovvero in assenza di carico.

In condizioni reali, la tensione in uscita dal potenziometro andrà a servire un circuito o più in generale un carico che a sua volta assorbirà della corrente. Per questo in condizioni reali il potenziometro non avrà un andamento perfettamente lineare a causa delle influenze dell’assorbimento di corrente da parte del carico. Vediamo di seguito l’andamento della tensione in uscita rispetto allo spostamento del cursore in condizioni reali.

Dal grafico è possibile osservare l’andamento della tensione in uscita per effetto del carico. In particolare si nota come la linearità tra V_OUT ed S_IN si va perdendo al crescere del rapporto R/R_L.

Per poter quindi preservare la linearità attesa del potenziometro, occorre quindi utilizzare un potenziometro con resistenza R adeguatamente piccola rispetto alla quella del carico R_L.

Un potenziometro funziona variando la resistenza lungo un elemento resistivo per controllare il flusso di corrente elettrica attraverso un circuito. Ecco come funziona:

1. Struttura di base: Un potenziometro è tipicamente costituito da un elemento resistivo, un contatto strisciante (o cursore) e due contatti fissi (terminali). L’elemento resistivo può essere costituito da vari materiali come carbonio, plastica conduttiva o materiali a filo avvolto.
2. Meccanismo di regolazione: Quando viene applicata una tensione ai due terminali fissi del potenziometro, la corrente elettrica scorre attraverso l’elemento resistivo. Il contatto strisciante, spesso comandato da una manopola o leva, è posizionato lungo l’elemento resistivo.
3. Resistenza variabile:Man mano che il contatto strisciante si muove lungo l’elemento resistivo, crea percorsi diversi per il flusso della corrente elettrica. La resistenza tra un terminale fisso e il contatto scorrevole, noto come “resistore variabile”, cambia proporzionalmente in base alla posizione del contatto mobile.
4. Divisione di tensione: Secondo la legge di Ohm (V = R*I), la caduta di tensione su un resistore è direttamente proporzionale alla resistenza e alla corrente che lo attraversa. Nel caso di un potenziometro, quando cambia la resistenza tra il contatto strisciante e un terminale fisso, cambia anche la caduta di tensione su quel segmento.
5. Regolazione della tensione di uscita: Collegando il terminale di uscita interessato al contatto strisciante e l’altro terminale a terra (o altro potenziale fisso), è possibile regolare la tensione in uscita dal potenziometro in base alla posizione del contatto strisciante. Ciò consente un’uscita di tensione variabile entro un intervallo specificato.

In sintesi, un potenziometro funziona regolando la posizione di un contatto strisciante lungo un elemento resistivo, modificando così la resistenza e la tensione in uscita in un circuito.

A cosa serve il potenziometro?

I potenziometri servono a vari scopi nei circuiti elettronici, grazie alle loro proprietà di resistenza regolabile. Questa caratteristica di resistenza regolabile rende i potenziometri componenti versatili utilizzati in un’ampia gamma di dispositivi elettronici per scopi di controllo, calibrazione e regolazione. I potenziometri vengono utilizzati in varie applicazioni di controllo in cui è richiesta una regolazione precisa della tensione o della resistenza. Ad esempio, nei controlli del volume audio, ruotando la manopola si modifica la posizione del contatto scorrevole, regolando la resistenza e alterando quindi la tensione di uscita per controllare il livello del volume. Alcuni usi comuni includono:

1. Controllo del volume: nelle apparecchiature audio come amplificatori, radio e altoparlanti, i potenziometri regolano il volume regolando l’ampiezza del segnale elettrico.
2. Controllo della luminosità: i potenziometri sono utilizzati negli interruttori dimmer delle luci, consentendo agli utenti di regolare i livelli di luminosità in base alle proprie preferenze.
3. Sintonizzazione e calibrazione: i potenziometri vengono utilizzati nei circuiti di sintonizzazione di radio, televisori e altri dispositivi di comunicazione per ottimizzare le frequenze o calibrare strumenti sensibili come oscilloscopi e multimetri.
4. Controllo della velocità del motore: i potenziometri regolano la velocità dei motori CC regolando la tensione fornita loro, controllando la velocità di rotazione.
5. Controlli dell’interfaccia utente: i potenziometri sono integrati nei pannelli di controllo e nelle interfacce utente dei dispositivi elettronici per fornire opzioni di regolazione manuale per parametri come temperatura, pressione o posizione.
6. Equalizzazione: nelle apparecchiature audio come mixer ed equalizzatori, i potenziometri controllano il livello delle diverse bande di frequenza, consentendo una regolazione precisa delle caratteristiche del suono.
7. Sensori: i potenziometri possono essere utilizzati come sensori di posizione, ad esempio nei sensori di posizione dell’acceleratore nei veicoli o come parte di encoder rotativi per misurare la posizione di rotazione.
8. Sistemi di feedback e controllo: nei sistemi di feedback e controllo, i potenziometri agiscono come resistori variabili per regolare il segnale di feedback o impostare tensioni di riferimento per mantenere i parametri di sistema desiderati.

Questi sono solo alcuni esempi delle numerose applicazioni dei potenziometri in vari settori e dispositivi elettronici. La loro versatilità li rende componenti indispensabili nei circuiti elettrici ed elettronici, garantendo flessibilità e precisione nel controllo dei parametri elettrici.

Dove viene usato il potenziometro?

La versatilità dei potenziometri trascende i settori specifici, trovando utilità nei sistemi automobilistici, nella strumentazione aerospaziale, nell’elettronica di consumo e altro ancora. Nelle applicazioni automobilistiche, regolano l’illuminazione del cruscotto e i sistemi HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning, ovvero “riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria”), mentre nel settore aerospaziale aiutano nella strumentazione di volo e nei pannelli di controllo. Nell’elettronica di consumo, consentono interfacce utente intuitive.

I potenziometri trovano applicazioni in un’ampia gamma di settori e dispositivi elettronici. Ecco alcune aree comuni in cui vengono utilizzati i potenziometri:

1. Elettronica di consumo: i potenziometri sono prevalenti nell’elettronica di consumo come televisori, radio, amplificatori audio e sistemi stereo per il controllo del volume, la sintonizzazione e l’equalizzazione.
2. Industria automobilistica: nei veicoli, i potenziometri vengono utilizzati nei controlli del cruscotto per regolare il volume dell’audio, la velocità della ventola e le impostazioni del climatizzatore. Servono anche nei sensori di posizione dell’acceleratore, nei sensori di posizione del pedale e in altri controlli automobilistici.
3. Macchinari industriali: i potenziometri sono parte integrante dei macchinari industriali per il controllo dei processi, la regolazione della velocità del motore e la calibrazione delle apparecchiature. Sono utilizzati in saldatrici, macchine CNC (Controllo Numerico Computerizzato), bracci robotici e altri sistemi automatizzati.
4. Aerospaziale e difesa: i potenziometri vengono utilizzati in applicazioni aerospaziali e di difesa per strumentazione di volo, pannelli di controllo, sistemi avionici e apparecchiature di navigazione.
5. Dispositivi medici: i potenziometri vengono utilizzati in dispositivi medici quali sistemi di monitoraggio dei pazienti, macchine per dialisi e strumenti chirurgici per il controllo e la calibrazione di precisione.
6. Elettrodomestici di consumo: i potenziometri regolano le funzioni degli elettrodomestici come lavatrici, frigoriferi, condizionatori e forni a microonde per regolare impostazioni come temperatura, tempo e intensità.
7. Telecomunicazioni: i potenziometri vengono utilizzati nelle apparecchiature di telecomunicazione come modem, router e torri di telecomunicazione per la sintonizzazione, l’equalizzazione e la calibrazione del segnale.
8. Strumenti musicali: i potenziometri sono componenti integrali di strumenti musicali come chitarre elettriche, sintetizzatori e amplificatori per la regolazione di volume, tono e parametri degli effetti.
9. Apparecchiature di test e misurazione: i potenziometri svolgono un ruolo cruciale negli strumenti di test e misurazione come oscilloscopi, multimetri e generatori di segnali per la calibrazione, la regolazione della tensione e il condizionamento del segnale.
10. Sistemi di energia rinnovabile: i potenziometri sono utilizzati nei sistemi di energia rinnovabile come i pannelli solari e le turbine eoliche per tracciare e regolare la posizione degli inseguitori solari e delle pale delle turbine eoliche.

Questi sono solo alcuni esempi delle diverse applicazioni dei potenziometri in vari settori e industrie. La loro versatilità e precisione li rendono componenti indispensabili nei sistemi elettronici, fornendo capacità di controllo e regolazione in innumerevoli dispositivi e apparecchiature.

Tipi di potenziometro

I potenziometri sono disponibili in una miriade di configurazioni per soddisfare le diverse esigenze. I potenziometri rotativi, caratterizzati da un albero e una manopola rotanti, sono prevalenti nei sistemi audio, dove regolano i controlli di volume e tono. I potenziometri a scorrimento, caratterizzati da un movimento di scorrimento lineare, trovano favore in applicazioni che richiedono regolazioni lineari, come equalizzatori e fader. Altre varianti specializzate includono potenziometri multigiro per regolazioni di precisione e trimmer per la calibrazione del circuito.

I potenziometri sono disponibili in vari tipi, ciascuno progettato per soddisfare applicazioni e requisiti specifici. Ecco alcuni tipi comuni di potenziometri.

Potenziometro lineare

I potenziometri lineari hanno una relazione lineare tra la posizione del cursore e il valore della resistenza. Mentre il cursore si muove lungo l’elemento resistivo, la resistenza cambia in modo lineare.

Nella figura sopra vediamo un esempo di potenziometro lineare con l’elemento mobile realizzato con uno slide. L’elemento mobile può essere anche una vite, , in entrambi i casi l’elemento mobile trasla variando linearmente una resistenza.

Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui è necessaria una regolazione lineare, come controlli di volume e regolatori di velocità del motore.

Potenziometro rotativo

I potenziometri rotativi hanno un albero rotante e una manopola per regolare la posizione dell’elemento mobile lungo l’elemento resistivo.

Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui è necessaria la regolazione della rotazione, come i controlli del volume nelle apparecchiature audio, i controlli di sintonizzazione nelle radio e le manopole rotanti nelle interfacce utente.

Potenziometro logaritmico (Log Pot)

I potenziometri logaritmici, noti anche come potenziometri audio, hanno una relazione logaritmica tra la posizione del cursore e il valore della resistenza. Nel grafico seguente vediamo l’andamento tipico della variazione di tensione ai capi del potenziometro al variare della posizione del selettore.

Questo andamento logaritmico imita il modo in cui l’orecchio umano percepisce i cambiamenti di volume, rendendoli i potenziometri logaritmici ideali per applicazioni audio come i controlli del volume nelle apparecchiature musicali.

Potenziometro multigiro

Il potenziometro multigiro è un tipo di potenziometro che permette la rotazione multipla dell’elemento mobile. I potenziometri multigiro hanno una corsa rotativa dell’elemento mobile molto più ampia rispetto ad i potenziometri a singolo giro. Questo permette di incrementare notevolmente la risoluzione della regolazione dell’elemento mobile e di conseguenza di avere un controllo più fine della tensione in uscita. L’elemento resistivo è tipicamente realizzato con una struttura a spirale o elicoidale.

Il potenziometro multigiro è utilizzato in applicazioni che richiedono elevata precisione, come strumenti di calibrazione, apparecchiature di prova, strumenti di misura, apparecchiature audio, dispositivi medici e dispositivi di controllo in ambito industriale.

Potenziometro trimmer (Trimpot)

I potenziometri trimmer, noti anche come potenziometri trim o resistori trimmer, sono piccoli potenziometri preimpostati utilizzati per la calibrazione o la regolazione iniziale durante la produzione o la configurazione del circuito.

Spesso sono montati direttamente sui circuiti stampati e vengono regolati utilizzando un cacciavite. I trimmer in genere non sono destinati a regolazioni frequenti una volta impostati.

Potenziometro digitale

Il potenziometro digitale, o digipot, è un dispositivo elettronico che controlla digitalmente i valori di resistenza utilizzando circuiti integrati (IC) anziché meccanismi meccanici. Tipicamente è realizzato tramite una rete di resistori che vengono attivati da un segnale digitale attraverso degli interruttori come i transistor CMOS.

Offrono vantaggi come il controllo remoto, la programmabilità e la possibilità di memorizzare le preimpostazioni digitalmente. I potenziometri digitali trovano applicazioni nei sistemi audio, nella strumentazione e nell’elettronica di consumo.

Simbolo del potenziometro

Il simbolo del potenziometro da utilizzare negli schemi elettrici, in accordo alla norma EN 60617, è mostrato nella figura seguente.

Alcuni schemi elettrici, generalmente quelli realizzati tramite strumenti CAD con impostazione dei simboli nord-americani, presentano un simbolo diverso che non è considerato normalizzato in Europa. Il simbolo del potenziometro utilizzato nelle regioni americane ed asiatiche è il seguente.

Vantaggi e svantaggi del potenziometro

I potenziometri sono componenti versatili utilizzati in varie applicazioni elettroniche. Di seguito sono riportati i pro e i contro dell’utilizzo dei potenziometri:

Vantaggi del potenziometro

• Resistenza variabile: i potenziometri forniscono una resistenza regolabile, consentendo un controllo preciso sui livelli di tensione o corrente in un circuito. Questa funzionalità è essenziale nelle applicazioni che richiedono una regolazione manuale, come il controllo del volume e la sintonizzazione.
• Versatilità: i potenziometri sono disponibili in vari tipi (lineari, logaritmici, multigiro, etc.) e configurazioni (rotativi, a scorrimento), che li rendono adatti a un’ampia gamma di applicazioni in diversi settori e dispositivi elettronici.
• Semplicità: i potenziometri sono relativamente semplici da usare e integrare nei circuiti. Non richiedono meccanismi di controllo complessi o circuiti aggiuntivi per il funzionamento, il che li rende economici e facili da implementare.
• Interazione con l’utente: i potenziometri consentono l’interazione diretta con l’utente e il controllo sui dispositivi elettronici, fornendo un’interfaccia tattile e intuitiva per la regolazione di impostazioni e parametri.

Svantaggi del potenziometro

• Usura: i potenziometri meccanici, in particolare quelli utilizzati per regolazioni manuali frequenti, sono soggetti a usura nel tempo, con conseguente riduzione della durata e potenziali problemi di affidabilità.
• Dimensioni fisiche: i potenziometri, in particolare quelli rotativi e a scorrimento, possono essere relativamente grandi e richiedere spazio significativo sui circuiti stampati o nei dispositivi elettronici, il che può rappresentare una limitazione nei progetti compatti o miniaturizzati.
• Precisione limitata: sebbene i potenziometri offrano una resistenza regolabile, la loro precisione può essere limitata rispetto ai componenti digitali o programmabili, soprattutto nelle applicazioni ad alta precisione in cui sono richieste regolazioni fini.
• Rumore e interferenze di segnale: i potenziometri meccanici possono introdurre rumore e interferenze di segnale a causa del movimento del contatto con l’elemento resistivo, che possono influenzare le prestazioni e la qualità dell’audio e dei circuiti elettronici sensibili.
• Sensibilità alla temperatura e all’ambiente: le prestazioni dei potenziometri possono essere influenzate dalle variazioni di temperatura e dalle condizioni ambientali, portando a una potenziale deriva e instabilità dei valori di resistenza nel tempo.
• Durata limitata: i potenziometri meccanici hanno una durata operativa limitata, soprattutto se utilizzati per regolazioni frequenti, e potrebbero richiedere sostituzione o manutenzione nel tempo.

Un’attenta selezione e considerazioni di progettazione adeguate sono essenziali per mitigare questi inconvenienti e ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità dei potenziometri nelle applicazioni elettroniche.

Il potenziometro in breve

Il potenziometro è un trasduttore elettromeccanico che fornisce in uscita una tensione che dipende dalla posizione di un contatto mobile rispetto ad un elemento resistivo stazionario. Il potenziometro serve come partitore di tensione ovvero fornisce una tensione che è una frazione di quella in ingresso dipendentemente dalla posizione in cui si trova l’elemento mobile. I potenziometri sono componenti versatili che permettono il controllo della tensione nei circuiti elettronici tramite la regolazione di una resistenza. Sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni per il controllo manuale, la calibrazione e la regolazione dei parametri elettrici.

In ambito elettrico, elettronico e della fisica, comprendere il comportamento dei materiali in risposta alla corrente elettrica è fondamentale. Due concetti chiave che emergono frequentemente in questo contesto sono resistenza e resistività. Anche se questi termini potrebbero sembrare simili, rappresentano proprietà distinte con implicazioni uniche per i sistemi elettrici e la caratterizzazione dei materiali. La resistenza misura l’opposizione che un materiale offre al flusso di corrente elettrica, fungendo da metrica pratica nell’analisi e nella progettazione dei circuiti. La resistività approfondisce le proprietà intrinseche dei materiali, quantificando la loro innata capacità di resistere al flusso di corrente indipendentemente dalle loro dimensioni fisiche. Questo articolo mira a chiarire la differenza tra resistenza e resistività fornendo una comprensione completa di questi concetti fondamentali e del loro significato.

Cosa è la resistenza

La resistenza elettrica è un parametro che descrive l’opposizione o l’impedimento offerto da un materiale al flusso di corrente elettrica. In termini più semplici, rappresenta quanto sia difficile per la corrente elettrica passare attraverso un conduttore. La resistenza è misurata in Ohm (Ω).

Definizione di resistenza

Resistenza, indicata con R e misurata in Ohm (Ω), è una grandezza scalare che quantifica l’opposizione che un materiale o un componente presenta al flusso di corrente elettrica. È la misura del rapporto tra tensione (V) e corrente (I) in un conduttore, secondo la legge di Ohm:

   

Questa formula indica che la tensione attraverso un conduttore è direttamente proporzionale alla corrente che lo attraversa, e la costante di proporzionalità è la resistenza.

Interpretazione fisica della resistenza

La resistenza è influenzata sia dalla resistività del materiale che dalle sue dimensioni fisiche, come la lunghezza (l) e l’area della sezione trasversale (A). Nei conduttori la resistenza deriva principalmente dalle collisioni tra gli elettroni e la struttura atomica del materiale, che impediscono il flusso degli elettroni.

Rappresentazione matematica della resistenza

La resistenza può essere calcolata utilizzando la legge di Ohm oppure derivata dalla formula:

   

dove ρ è la resistività, l la lunghezza ed A l’area della sezione trasversale del materiale (conduttore) considerato.

Fattori che influenzano la resistenza

La resistenza rappresenta l’effetto cumulativo di vari fattori, tra cui la composizione, la temperatura e la configurazione geometrica del materiale, sulla sua capacità di impedire il flusso di corrente.

• Temperatura: la resistenza della maggior parte dei conduttori aumenta con la temperatura. Questo comportamento è descritto dal coefficiente di temperatura della resistenza, che quantifica il tasso di variazione della resistenza con la temperatura per un materiale specifico.
• Lunghezza: i conduttori più lunghi hanno in genere una resistenza maggiore.
• Area della sezione trasversale: un’area della sezione trasversale più ampia generalmente comporta una resistenza inferiore.
• Materiale: materiali diversi presentano diversi livelli di resistenza a causa della loro struttura atomica e della mobilità degli elettroni.

Ambito di applicazione e significato della resistenza

La resistenza è un parametro che governa la relazione tensione-corrente nei componenti elettrici, influenza la dissipazione di potenza e determina l’efficienza e le prestazioni dei sistemi elettrici.

• Comprendere la resistenza è fondamentale per progettare circuiti elettrici, selezionare materiali appropriati per applicazioni specifiche e garantire il funzionamento efficiente e sicuro dei dispositivi elettronici.
• La resistenza gioca un ruolo fondamentale nel determinare la dissipazione di potenza, le cadute di tensione e la distribuzione della corrente nei circuiti.

Cosa è la resistività

La resistività, indicata con la lettera greca rho (ρ), è una proprietà intrinseca di un materiale che quantifica la sua capacità intrinseca di resistere al flusso di corrente elettrica. A differenza della resistenza, che dipende sia dalla resistività del materiale che dalle sue dimensioni fisiche, la resistività fornisce una misura standardizzata della resistenza elettrica di un materiale indipendentemente dalla sua forma o dimensione. La resistività viene generalmente misurata in ohmmetri (Ω*m).

Definizione di resistività

La resistività è definita come la resistenza di un materiale uniforme avente una lunghezza di un metro e una sezione trasversale di un metro quadrato.

Resistività, simboleggiata da ρ ed espressa in Ohm-metri (Ω*m), è una proprietà intrinseca di un materiale che denota la sua capacità di resistere al flusso di corrente elettrica. Caratterizza la resistenza del materiale per unità di lunghezza e area di sezione trasversale e serve come misura comparativa della conduttività elettrica del materiale, indipendentemente dalla sua forma e dimensione.

Interpretazione fisica della resistività

La resistività fornisce una misura standardizzata della resistenza elettrica intrinseca di un materiale, priva dell’influenza delle sue dimensioni fisiche. Riflette la struttura atomica e molecolare del materiale, la mobilità degli elettroni e le caratteristiche di conduttività intrinseca, fungendo da proprietà fondamentale che ne definisce il comportamento elettrico.

Rappresentazione matematica della resistività

La resistività è espressa matematicamente come la resistenza di un materiale avente una lunghezza di un metro e una sezione trasversale di un metro quadrato, come da:

   

dove R è la resistenza, A l’area della sezione trasversale ed l la lunghezza del materiale (conduttore) considerato.

Fattori che influenzano la resistività

La resistività è una caratteristica intrinseca di un materiale, determinata dalla sua struttura atomica e molecolare, dalla mobilità degli elettroni e da altre proprietà fisiche.

• Composizione del materiale: materiali diversi possiedono resistività distinte a causa delle variazioni nella loro struttura atomica, nella configurazione elettronica e nelle caratteristiche di legame.
• Temperatura: la resistività mostra spesso una dipendenza dalla temperatura, con la maggior parte dei materiali che subiscono un aumento della resistività all’aumentare della temperatura. Il coefficiente di temperatura della resistività quantifica questa relazione, indicando il tasso di variazione della resistività con la temperatura. La temperatura può influenzare in modo significativo la resistività di un materiale, influenzandone la conduttività elettrica e le prestazioni.
• Impurità e difetti: la presenza di impurità, imperfezioni o difetti in un materiale può alterarne la resistività disperdendo gli elettroni e impedendo il flusso di corrente.

Ambito di applicazione e significato della resistività

La resistività funge da proprietà fondamentale utilizzata per la caratterizzazione, la selezione e la classificazione dei materiali. Facilita la valutazione dei materiali in base alla loro conduttività elettrica, all’idoneità per applicazioni specifiche e alle prestazioni in condizioni variabili, guidando così le attività di progettazione, ricerca e sviluppo dei materiali.

Differenza tra resistenza e resistività

Resistenza e resistività riguardano entrambe l’opposizione offerta dai materiali al flusso di corrente elettrica, differiscono fondamentalmente nella loro definizione, interpretazione fisica, rappresentazione matematica e applicazione pratica.

La resistenza è una misura di quanto un materiale si oppone al flusso di corrente elettrica in termini pratici (misurata in Ohm), la resistività è una proprietà intrinseca del materiale stesso che quantifica la sua capacità di resistere al flusso di corrente (misurata in Ohm*metri).

La resistenza incapsula gli effetti combinati della resistività e della geometria del materiale, fungendo da misura pratica dell’impedimento di corrente nei sistemi elettrici. Al contrario, la resistività rappresenta la resistenza elettrica intrinseca dei materiali, fornendo una metrica standardizzata per caratterizzare e confrontare le loro proprietà elettriche, indipendentemente dalle loro dimensioni fisiche.

La sovratensione rappresenta un pericolo per tutte le apparecchiature elettriche ed elettroniche, capace di recare danni a sistemi ed apparecchiature con conseguenze devastanti. Nonostante l’elevata presenza e il potenziale di interruzione, la sovratensione rimane un concetto spesso frainteso o trascurato. Pertanto, sorge la necessità di approfondire la sua essenza, comprenderne le manifestazioni per capire come potersi difendere contro i suoi effetti dannosi. Per sovratensione si intende un picco di tensione che si verifica per eventi esterni all’impianto oppure interni all’impianto stesso.

In questo articolo affronteremo il fenomeno della sovratensione per fornire una comprensione completa delle sue origini ed implicazioni e delle contromisure efficaci contro questo fenomeno che minaccia la salvaguardia di impianti e circuiti.

Cosa si intende per sovratensione?

La sovratensione è una situazione in cui il livello di tensione in un sistema elettrico supera la tensione normale o nominale per quel sistema.

La sovratensione è rappresentata da una onda transitoria che si propaga lungo una linea o un circuito e caratterizzata da un rapido aumento seguito da una diminuzione più lenta. La sovratensione ha ampiezza molto elevata e durata breve. L’ampiezza della sovratensione può essere di diversi kV mentre la durata è nell’ordine dei µs.

La sovratensione può accadere a causa di vari fattori come:

1. Cause esterne (detta fulminazione diretta): i fulmini, ad esempio, possono indurre picchi di alta tensione nelle linee elettriche e nelle apparecchiature, portando a sovratensioni.
2. Cause interne (detta fulminazione indiretta): guasti all’interno dell’impianto elettrico, come cortocircuiti o guasti all’isolamento, possono interrompere il normale flusso di corrente e causare un aumento dei livelli di tensione al di sopra dell’intervallo previsto. Tra le cause interne si includono anche le variazioni improvvise delle condizioni di carico o delle operazioni di commutazione. Ad esempio, collegare o scollegare carichi di grandi dimensioni può causare uno squilibrio temporaneo nel sistema, con conseguenti picchi di tensione.

Le sovratensioni, se non gestite correttamente, possono danneggiare le apparecchiature elettriche e causare guasti all’isolamento, danni ai componenti o guasto completo del sistema.

Dispositivi di protezione come soppressori di sovratensioni, regolatori di tensione e interruttori automatici vengono spesso utilizzati per mitigare gli effetti delle sovratensioni e garantire il funzionamento sicuro dei sistemi elettrici.

Quando si verifica una sovratensione?

Le sovratensioni possono verificarsi negli impianti elettrici in varie condizioni. Alcuni scenari comuni in cui possono verificarsi sovratensioni includono:

1. Fulmini: i fulmini possono indurre picchi di alta tensione nelle linee elettriche e nelle apparecchiature, causando sovratensioni.
2. Operazioni di commutazione: quando interruttori, interruttori automatici o altri dispositivi di commutazione vengono aperti o chiusi nei circuiti elettrici, cambiamenti improvvisi nei livelli di tensione possono portare a sovratensioni transitorie.
3. Guasti nel sistema di alimentazione: guasti elettrici come cortocircuiti o guasti all’isolamento possono interrompere il normale flusso di corrente nel sistema, provocando sovratensioni in punti specifici della rete.
4. Risonanza: la risonanza può verificarsi nei sistemi di alimentazione a causa delle interazioni tra elementi induttivi e capacitivi. Quando la frequenza naturale del sistema corrisponde alla frequenza di un disturbo esterno, ciò può portare ad un’amplificazione delle tensioni in gioco e quindi a sovratensioni.
5. Cambiamenti di carico: cambiamenti improvvisi nelle condizioni di carico, come carichi di grandi dimensioni collegati o disconnessi dalla rete elettrica, possono causare sovratensioni a causa dello squilibrio tra tensione richiesta ed erogata.
6. Malfunzionamenti delle apparecchiature: i malfunzionamenti delle apparecchiature elettriche, come trasformatori, generatori o regolatori di tensione, possono provocare sovratensioni.
7. Commutazione di carichi capacitivi: l’accensione o lo spegnimento di carichi capacitivi può anche causare sovratensioni dovute alla carica o alla scarica dei condensatori.

Nel complesso, le sovratensioni possono verificarsi a causa di una combinazione di fattori esterni come i fulmini, nonché di fattori interni come operazioni di commutazione e guasti alle apparecchiature.

Quali sono gli effetti di una sovratensione?

Le sovratensioni possono avere diversi effetti dannosi su impianti e apparecchiature elettriche. Alcuni degli effetti comuni includono:

1. Danni alle apparecchiature: le sovratensioni possono causare danni alle apparecchiature elettriche come trasformatori, motori, dispositivi elettronici e altri componenti. Livelli di tensione eccessivi possono sollecitare i materiali isolanti, portando alla rottura dell’isolamento e al possibile guasto delle apparecchiature.
2. Durata ridotta delle apparecchiature: l’esposizione continua a sovratensioni può ridurre la vita attesa delle apparecchiature elettriche. I componenti possono degradarsi più rapidamente in condizioni di alta tensione, comportando un aumento dei costi di manutenzione e la necessità di una sostituzione prematura.
3. Perdita o danneggiamento dei dati: le sovratensioni possono interrompere il funzionamento dei dispositivi elettronici, causando la perdita o il danneggiamento dei dati nei sistemi informatici, nei server e in altre apparecchiature digitali. Ciò può comportare interruzioni operative e potenziali rischi per la sicurezza.
4. Pericolo di incendio: le sovratensioni possono causare il surriscaldamento dei componenti elettrici e dei cavi, aumentando il rischio di incendi elettrici. Livelli di tensione eccessivi possono causare guasti all’isolamento, archi elettrici e scintille, che possono incendiare i materiali circostanti e causare notevoli danni materiali o lesioni personali.
5. Rischi per la sicurezza: le sovratensioni possono comportare rischi per la sicurezza del personale che lavora con o vicino ad apparecchiature elettriche. Se non vengono prese le dovute precauzioni per mitigare gli effetti delle sovratensioni, possono verificarsi scosse elettriche, ustioni e altre lesioni.
6. Problemi di qualità dell’alimentazione: le sovratensioni possono degradare la qualità dell’energia elettrica fornita ad apparecchiature sensibili. Le fluttuazioni dei livelli di tensione possono causare abbassamenti, sbalzi e armoniche, con conseguenti problemi di prestazioni, malfunzionamenti o guasti nei dispositivi collegati.
7. Interruzione delle operazioni: le sovratensioni possono interrompere il normale funzionamento dei sistemi elettrici, causando tempi di inattività, perdite di produzione e disagi per aziende e consumatori.

Nel complesso, le sovratensioni possono avere significative implicazioni economiche, operative e di sicurezza per i sistemi elettrici e gli utenti.

Sovratensione causata da fulmine

La sovratensione causata da un fulmine si verifica quando un fulmine porta un picco di tensione sulla linea di distribuzione elettrica che arriva infine nei sistemi e nelle apparecchiature elettriche. I fulmini, anche se non colpiscono direttamente la linea di distribuzione ma colpiscono vicino la linea, con la loro immensa energia, possono generare potenti campi elettromagnetici che inducono tensioni transitorie nei conduttori vicini, comprese le linee elettriche, i cavi di comunicazione e i cavi elettrici.

Quando si verifica un fulmine vicino a linee elettriche o infrastrutture elettriche, gli intensi campi elettromagnetici associati alla scarica del fulmine inducono picchi di tensione nei conduttori vicini. Queste tensioni indotte si propagano attraverso la rete elettrica, entrando negli edifici e nelle apparecchiature collegate alla rete elettrica.

Il rapido aumento e diminuzione di questa sovratensione provocata dai fulmini può superare i normali livelli di tensione operativa dei sistemi elettrici. Queste sovratensioni possono stressare i materiali isolanti e causare danni ai componenti elettronici sensibili.

Le sovratensioni provocate dai fulmini possono manifestarsi in vari modi, a seconda di fattori quali la vicinanza del fulmine, l’intensità dei campi elettromagnetici e le caratteristiche dell’impianto elettrico. Potrebbero causare guasti all’isolamento, malfunzionamento delle apparecchiature, perdita di dati e persino incendi in casi estremi.

Forme d’onda della fulminazione

La fulminazione, diretta od indiretta, viene rappresentata tramite delle forme d’onda che hanno delle caratteristiche ben precise. Il modello tipicamente utilizzato per rappresentare matematicamente il fenomeno elettrico dovuto alla fulminazione è la funzione di Heidler. Questo modello matematico è utilizzato per verificare la tenuta di apparecchiature e dispositivi agli impulsi detti surge. Tutti le apparecchiature elettriche, infatti, per poter essere immesse sul mercato, devono essere adeguate ai requisiti della compatibilità elettromagnetica. Tra tali requisiti vi è un test denominato “prova di surge” in cui si verifica che l’apparecchiatura sia in grado di sostenere, senza danneggiarsi, un eventuale impulso dovuto, ad esempio, a fulminazione. Per provare l’immunità di una apparecchiatura a tale disturbo, viene applicato, tramite un apposito generatore, un impulso di corrente sull’alimentazione. La forma d’onda di tale impulso di corrente è la funzione di Heidler, ed è data dalla seguente equazione:

   

dove

i_surge : corrente di fulmine

I_peak : corrente di picco della corrente di fulmine

𝜏₁ : tempo del fronte pari a 1,25 volte il tempo per passare dal 10% al 90% del valore di picco della corrente

𝜏₂ : tempo dell’emivalore pari al tempo tra l’origine dell’impulso e l’instante in cui la corrente è tornata al 50% del valore di picco

k, η : coefficienti di correzione della forma d’onda

Tipicamente si considera che la fulminazione diretta porti ad un primo impulso positivo con forma d’onda 10/350 µs (oppure un primo impulso negativo con forma d’onda 1/200 µs) seguito da impulsi negativi con forma d’onda 0,25/100 µs. La fulminazione indiretta, ovvero quella che può verificarsi nel caso di commutazione di grandi carichi o eventi similari, è invece rappresentata con forma d’onda 8/120 µs.

Una forma d’onda 10/350 µs è rappresentata dalla funzione di Heidler con parametri 𝜏₁ (tempo di fronte) pari a 10 µs e 𝜏₂ (tempo dell’emivalore) pari a 350 µs. Nella figura seguente si può notare l’andamento di tale curva.

Una forma d’onda 8/20 µs è rappresentata dalla funzione di Heidler con parametri 𝜏₁ (tempo di fronte) pari a 8 µs e 𝜏₂ (tempo dell’emivalore) pari a 20 µs. Nella figura seguente si può notare l’andamento di tale curva.

La forma d’onda 8/20 µs è utilizzata per rappresentare gli impulsi dovuti a fulminazione indiretta che sono impulsi ad energia inferiore rispetto a quelli rappresentati con la forma d’onda 10/350 µs.

Nell’immagine sopra vediamo l’andamento delle forme d’onda 10/350 µs e 8/20 µs poste sulla stessa scala di riferimento. Da questo confronto è possibile notare come la forma d’onda 10/350 µs abbia una ampiezza di molto superiore rispetto alla forma d’onda 8/20 µs ed un decadimento più lento. Considerando che l’energia della forma d’onda è rappresentata dall’area sottesa dalla curva, è evidente come la forma d’onda 10/350 µs abbia una energia superiore rispetto alla forma d’onda 8/20 µs ed infatti viene utilizzata per simulare l’azione di una fulminazione che colpisce direttamente le linee di distribuzione elettrica.

Come proteggersi da una sovratensione?

La protezione dei sistemi e delle apparecchiature elettriche dalle sovratensioni richiede l’implementazione di una combinazione di misure preventive e dispositivi di protezione. Ecco alcuni metodi comuni per proteggersi dalle sovratensioni:

1. Limitatori di sovratensione: i limitatori di sovratensione, noti anche come soppressori di sovratensione, sono dispositivi progettati per deviare la tensione in eccesso lontano dalle apparecchiature sensibili. Vengono collegati a monte dell’alimentazione di un dispositivo o impianto e forniscono protezione ai dispositivi collegati bloccando i picchi di tensione e deviando l’energia in eccesso a terra.
2. Stabilizzatori di tensione: gli stabilizzatori di tensione aiutano a mantenere livelli di tensione stabili entro un intervallo predefinito, proteggendo le apparecchiature sia da sovratensioni che da sottotensioni. Gli stabilizzatori di tensione sono esempi di dispositivi in ​​grado di regolare i livelli di tensione per garantire un’alimentazione coerente alle apparecchiature collegate.
3. Trasformatori di isolamento: i trasformatori di isolamento forniscono isolamento elettrico tra i lati di ingresso e di uscita, contribuendo a proteggere le apparecchiature dai transitori di tensione e dal rumore elettrico. Possono anche mitigare gli effetti dei guasti a terra e ridurre il rischio di scosse elettriche.
4. Messa a terra e collegamento equipotenziale: una messa a terra e un collegamento equipotenziale adeguati dei sistemi elettrici sono essenziali per dissipare la tensione in eccesso e garantire la sicurezza elettrica. Le aste di messa a terra ed i conduttori di messa a terra aiutano a stabilire percorsi a bassa resistenza verso terra, riducendo il rischio di sovratensioni e rischi elettrici.
5. Interruttori automatici e fusibili: gli interruttori automatici e i fusibili fungono da dispositivi di protezione interrompendo il flusso di corrente in caso di condizioni di sovracorrente, che possono essere causate da sovratensioni. Aiutano a prevenire danni alle apparecchiature elettriche e al cablaggio scollegando il circuito quando vengono rilevate condizioni anomale.

La protezione dalle sovratensioni causate dai fulmini richiede l’implementazione di solide strategie di mitigazione, inclusa l’installazione di dispositivi di protezione da sovratensione, parafulmini e adeguati sistemi di messa a terra. Dissipando l’energia in eccesso e deviando le sovratensioni indotte dai fulmini lontano dalle apparecchiature sensibili, queste misure di protezione aiutano a mitigare i rischi associati alle sovratensioni indotte dai fulmini e garantiscono l’affidabilità e la sicurezza dei sistemi elettrici.

Incorporando queste misure e dispositivi di protezione nei sistemi elettrici, è possibile ridurre al minimo il rischio di danni da sovratensioni e garantire il funzionamento sicuro e affidabile delle apparecchiature.

La necessità di proteggere i nostri dispositivi elettrici ed elettronici dalle sovratensioni è un aspetto critico. Dai temporali alle fluttuazioni della rete elettrica, i picchi di corrente rappresentano una minaccia costante per l’integrità dei nostri dispositivi. In questo ambito entrano in gioco i dispositivi di protezione come lo scaricatore di sovratensione (SPD).

In questo articolo affrontiamo l’argomento degli scaricatore di sovratensione per comprendere cosa è, come funziona ed il suo ruolo nella salvaguardia dei nostri dispositivi. Comprendere gli SPD è essenziale per garantire la longevità e l’affidabilità dell’infrastruttura elettrica ed assicurarne la continuità di servizio.

Scaricatore di sovratensione cos’è

Lo scaricatore di sovratensione (Surge Protection Device – SPD) è un dispositivo di protezione contro gli impulsi di tensione (Surge). Tali impulsi di tensione possono riscontrarsi a causa di eventi atmosferici o disturbi transitori provenienti dalla rete elettrica.

Lo scaricatore di tensione è posto generalmente a monte di un impianto, di una sua porzione oppure a monte di un dispositivo elettrico. In presenza di un impulso di tensione, lo scaricatore di sovratensione è in grado di assorbire e deviare il picco di tensione in ingresso. Questo permette di evitare che l’impulso raggiunga e potenzialmente vada a danneggiare dispositivi elettrici e, in particolare, quelli elettronici. Data l’altissima presenza e la crescente diffusione dell’elettronica, lo scaricatore di sovratensione permette di avere un unico dispositivo che protegge dal danno le apparecchiature elettroniche preservandone quindi la funzionalità e la continuità di servizio.

Lo scaricatore di sovratensione (SPD), chiamato anche soppressore di sovratensioni, è un dispositivo elettrico progettato per proteggere le apparecchiature collegate da picchi di tensione o sovratensioni di energia elettrica. Queste sovratensioni possono verificarsi per vari motivi, come fulmini, fluttuazioni della rete elettrica o operazioni di commutazione negli impianti elettrici. Reagendo rapidamente agli aumenti improvvisi di tensione, gli SPD aiutano a mantenere un ambiente elettrico sicuro e stabile per i dispositivi collegati.

Gli SPD tipicamente funzionano assorbendo la tensione in eccesso o reindirizzandola in modo sicuro a terra, a seconda del loro design e configurazione. Vengono installati nel punto di ingresso dell’energia elettrica in un edificio o direttamente sulle prese di corrente per fornire una protezione localizzata.

Gli SPD svolgono un ruolo cruciale nella salvaguardia di dispositivi elettronici (computer, elettrodomestici, macchinari industriali, apparecchiature di telecomunicazione,…) dagli effetti dannosi delle sovratensioni, garantendo un funzionamento affidabile e prolungando la durata di vita di preziose risorse elettroniche.

Scaricatore di sovratensione a cosa serve

Un dispositivo di protezione da sovratensione (SPD), noto anche come soppressore di sovratensione o scaricatore di sovratensione, è un dispositivo progettato per proteggere le apparecchiature elettriche ed elettroniche da picchi di tensione o sovratensioni di energia elettrica. Queste sovratensioni possono verificarsi per vari motivi, come fulmini, fluttuazioni della rete elettrica o operazioni di commutazione negli impianti elettrici.

Lo scopo principale di un SPD è deviare la tensione in eccesso lontano dalle apparecchiature sensibili, prevenendo danni o interruzioni causate da picchi di tensione transitori. Reagendo rapidamente agli aumenti improvvisi di tensione, gli SPD aiutano a mantenere un ambiente elettrico sicuro e stabile per i dispositivi collegati, garantendone il funzionamento affidabile e prolungandone la durata.

Scaricatore di sovratensione come funziona

Lo scaricatore di tensione svolge due funzioni:

1. limita l’ampiezza dell’impulso di tensione in ingresso ad una tensione accettabile per il carico
2. scarica verso terra la sovracorrente associata all’impulso di tensione.

Lo scaricatore di sovratensione (SPD) funziona rilevando e deviando la tensione in eccesso lontano dalle apparecchiature elettriche ed elettroniche sensibili, prevenendo così i danni causati da picchi di tensione transitori.

Durante il funzionamento normale, lo scaricatore funziona come un circuito aperto, ovvero è totalmente trasparente al passaggio di tensione. Questo perché in condizioni normali lo scaricatore mostra una impedenza altissima.

Quando la linea di alimentazione è attraversata da una sovratensione, lo scaricatore si chiude assorbendo il picco di tensione e lasciando passare al carico una tensione ridotta, generalmente dell’ordine di 1,5 kV.

Ecco una spiegazione semplificata di come funzionano gli SPD:

1. Rilevamento: gli SPD monitorano continuamente il livello di tensione dell’alimentazione elettrica. Quando rilevano un picco o un picco di tensione superiore a una determinata soglia, si attivano.
2. Diversione: una volta attivati, gli SPD forniscono un percorso a bassa impedenza per consentire alla tensione in eccesso di fluire lontano dalle apparecchiature collegate. Ciò si ottiene generalmente utilizzando componenti come varistori a ossido di metallo (Metal Oxide Varistor – MOV), tubi a scarica di gas (Gas Discharge Tube – GDT) o diodi a valanga (Silicon Avalanche Diode – SAD).
3. Assorbimento o messa a terra: la tensione in eccesso viene assorbita dai componenti dell’SPD o reindirizzata in modo sicuro verso terra, a seconda della tipologia di scaricatore.
4. Protezione: deviando o assorbendo la tensione in eccesso, gli SPD aiutano a mantenere un livello di tensione sicuro e stabile all’interno dell’impianto elettrico, proteggendo le apparecchiature collegate da eventuali danni.
5. Recupero: una volta superato il picco, gli SPD ritornano al loro stato normale e sono pronti a rilevare e rispondere a eventuali picchi futuri.

Nel complesso, gli SPD agiscono come una barriera tra l’alimentazione elettrica e le apparecchiature collegate, garantendo che solo livelli di tensione sicuri raggiungano i dispositivi sensibili, salvaguardandoli così da potenziali danni o malfunzionamenti causati da picchi di tensione.

Scaricatore di sovratensione di Tipo 1, Tipo 2, Tipo 3

Esistono 3 tipi di scaricatore di tensione (SPD) e sono il Tipo 1, il Tipo 2 ed il Tipo 3. Ciascun tipo è progettato per applicazioni e livelli di protezione specifici ed è quindi testato per poter sostenere una forma d’onda di tensione che simula l’impulso di una sovratensione. Le forme d’onda considerate, in ordine di energia associata sono l’onda 10/350 µs e l’onda 8/20 µs, dove il primo numero indica il tempo di salita mentre il secondo il tempo all’emivalore.

Nella tabella seguente vediamo le caratteristiche principali e la destinazione d’uso per ciascun tipo di scaricatore di sovratensione.

	Forma d'onda di prova	Luogo di installazione	Tipologia di sovratenzione
Tipo 1	10/350 μs	Quadro principale	Diretta
Tipo 2	8/20 μs	Quadro secondario	Indiretta
Tipo 3	Combinata 10/350 μs + 8/20 μs	Prese	Indiretta

Ecco i tipi di scaricatore di tensione:

Scaricatore di tensione di Tipo 1 (o Classe I):

• Questi SPD sono generalmente installati sul quadro elettrico principale o sul quadro di distribuzione, fornendo protezione contro i fulmini diretti e le grandi sovratensioni che entrano nell’edificio.
• Sono progettati per gestire sovratensioni ad alta energia e sono spesso utilizzati insieme ad altri tipi di SPD per una protezione completa.

Scaricatore di tensione di Tipo 2 (o Classe II):

• Gli SPD di Tipo 2 sono installati sui quadri di distribuzione secondaria o direttamente sulle apparecchiature elettriche per fornire protezione contro sovratensioni moderate derivanti da fulmini indiretti e operazioni di commutazione all’interno dell’impianto elettrico.
• Offrono un livello di protezione secondario e sono comunemente utilizzati in combinazione con gli SPD di Tipo 1 per garantire una protezione a più livelli.

Scaricatore di tensione di Tipo 3 (o Classe III):

• Questi SPD sono installati nel punto di utilizzo, come singole prese o apparecchiature, per fornire protezione localizzata contro transitori e sovratensioni di basso livello.
• Gli SPD di tipo 3 offrono protezione per dispositivi elettronici sensibili e sono spesso integrati in prese multiple, dispositivi di protezione da sovratensione o come moduli plug-in autonomi.

Scaricatore di tensione di tipo combinato:

• Alcuni SPD sono progettati per fornire più livelli di protezione in un unico dispositivo, combinando le caratteristiche degli SPD di Tipo 1, Tipo 2 e/o Tipo 3.
• Questi SPD combinati offrono una protezione completa contro un’ampia gamma di eventi di tensione transitoria e sono spesso utilizzati in installazioni elettriche critiche.

È essenziale selezionare il tipo appropriato di SPD in base all’applicazione specifica, al livello di protezione richiesto e ai codici e agli standard elettrici locali. Inoltre, gli SPD devono essere installati da personale qualificato seguendo le linee guida del produttore e le normative applicabili per garantire un funzionamento e una sicurezza efficaci.

Parametri dello scaricatore di sovratensione

Lo scaricatore di sovratensione (SPD) è caratterizzato da vari parametri che ne definiscono le prestazioni, le capacità e la compatibilità con diversi sistemi elettrici. I principali parametri di uno scaricatore di sovratensione sono:

1. Numero di porte
   • Scaricatore di sovratensione ad una porta: scaricatore senza impedenza in serie, generalmente con connessioni di entrata ed uscita non separate.
   • Scaricatore di sovratensione a due porte: scaricatore con connessioni in entrata separate dalle connessioni in uscita ed in serie con una impedenza specifica posta tra le connessioni.
2. Tipologia di innesco
   • Scaricatore di sovratensione con intervento ad innesco: scaricatore che presenta una alta impedenza che in caso di sovratensione diminuisce rapidamente in valore. Lo scaricatore di sovratensione con intervento ad innesco è detto anche “scaricatore crowbar”. Tipicamente realizzati tramite spinterometri a gas o tiristori.
   • Scaricatore di sovratensione con intervento a limitazione: scaricatore che presenta una alta impedenza che in caso di sovratensione diminuisce con continuità all’aumentare della tensione. Lo scaricatore di sovratensione con intervento a limitazione è detto anche “scaricatore clamping”. Tipicamente realizzati tramite varistori o diodi a valanga.
   • Scaricatore di sovratensione combinato: scaricatore che incorpora componenti che permetto sia l’intervento ad innesco che l’intervento a limitazione.
3. Tensione massima continuativa U_c: è il valore massimo di tensione che lo scaricatore di sovratensione è in grado di sostenere in maniera continuativa e senza danneggiarsi. Tale valore si riferisce a tensione continua oppure in valore efficace.
4. Livello di protezione di tensione U_P: è il valore massimo di tensione che lo scaricatore è in grado di limitare in presenza di una sollecitazione impulsiva. È sempre inferiore al valore di tensione che si misura ai morsetti di ingresso in presenza della corrente I_imp (per lo scaricatore di Tipo 1) oppure della corrente I_n (per lo scaricatore di Tipo 2) oppure inferiore ad U_oc (per lo scaricatore di Tipo 3).
5. Corrente nominale di carico I_L: è il valore massimo di corrente, in valore efficace, che può essere applicato al carico.
6. Corrente impulsiva di scarica I_imp (SPD di Tipo 1): parametro specifico per lo scaricatore di sovratensione di tipo 1. La corrente impulsiva di scarica è il valore di picco della corrente di scarica che attraversa lo scaricatore in un determinato intervallo di tempo.
7. Corrente nominale di scarica I_n: (SPD di Tipo 2): parametro specifico per lo scaricatore di sovratensione di tipo 2. La corrente nominale di scarica è il valore di picco della corrente che attraversa lo scaricatore quanto tale corrente ha una forma d’onda del tipo 8/20 µs, ovvero con tempo di salita di 8 µs e tempo all’emivalore di 20 µs.
8. Tensione a circuito aperto U_oc (SPD di Tipo 3): parametro specifico per lo scaricatore di sovratensione di tipo 3. La tensione massima che lo scaricatore è in grado di sostenere prima di intervenire. Tale tensione viene misurata a circuito aperto tramite un generatore d’onda combinata sul punto di connessione del dispositivo. Una onda combinata è un’onda con particolari caratteristiche di quali l’ampiezza della tensione (Uoc), l’ampiezza della corrente di cortociruito e forma d’onda in condizioni di circuito aperto e di cortocircuito. Queste caratteristiche dell’onda dipendono dall’impedenza del generatore e dall’impedenza dello scaricatore di sovratensione.
9. Modo di protezione: il percorso attraverso cui è previsto che scorra la corrente tra i terminali dotati di protezione ovvero tra le fasi, tra fase e neutro, tra fase e terra. Sono tipicamente raggruppati in modi di protezione “comuni” e “differenziali”.
   • Modo comune: protezione tra i conduttori attivi e la terra.
   • Modo differenziale: protezione tra conduttori attivi (ovvero tra le fasi oppure tra fase e neutro).
10. Tipologia di installazione prevista
    • Installazione all’interno: scaricatore fornito con involucro oppure previsto per essere installato all’interno di un involucro o di un riparo. È la tipologia di scaricatore più diffusa in quanto tipica delle installazione negli edifici.
    • Installazione all’esterno: scaricatore fornito senza involucro oppure previsto per essere installato senza involucro o riparo. Una applicazione tipica è quella sulle linee aeree a bassa tensione.
11. Tipologia di montaggio
    • Fisso: scaricatore destinato ad essere installato permanentemente a servizio di un impianto o di un circuito. Installazione tipica in impianti elettrici oppure macchinari.
    • Portatile: scaricatore amovibile destinato ad essere facilmente rimosso per poter essere installato a protezione di un altro circuito o dispositivo. Installazione tipica in ambienti residenziali dove il dispositivo è inserito su una presa a protezione di un carico come ad esempio un computer oppure un elettrodomestico.
12. Collocazione del dispositivo di distacco: indica la posizione dell’eventuale sezionatore di cui è dotato lo scaricatore di tensione. Il dispositivo di distacco può trovarsi all’interno, all’esterno dello scaricatore oppure avere sia una parte interna che una parte esterna.
13. Tipologia di funzione di protezione: lo scaricatore può essere a sua volta dotato di funzioni integrate a protezione dell’SPD che in caso di detezione di un evento pericoloso per l’integrità del dispositivo, lo sezionano automaticamente dall’alimentazione. Tali funzioni di protezione sono la protezione termica (contro il surriscaldamento dovuto ad esempio agli effetti di degrado dello scaricatore), la protezione dalle correnti di fuga (ovvero le correnti di dispersione che possono scorrere su conduttori che non hanno funzione specifica di condurre corrente, ad esempio il conduttore di terra), la protezione dalla sovracorrente (ad esempio in presenza di livelli di corrente oltre quelli definiti dal fabbricante).

Marcature e simboli presenti sullo scaricatore di sovratensione

Sull’involucro dello scaricatore di sovratensione (esclusi quindi quelli destinati alle linee aeree) sono sempre riportati almeno il nome o marchio del fabbricante ed il numero o codice del modello. Le altre marcature obbligatorie, quando non presenti sull’involucro, sono poste nelle istruzioni d’uso.

Le marcature minime, descrittive delle caratteristiche dello scaricatore, che troviamo su involucro o istruzioni d’uso sono:

1. Nome del fabbricante
2. Nome o codice del modello di dispositivo
3. Tipo di corrente: simbolo della corrente alternata (~) oppure “c.a.” e valore della frequenza in Hz.
4. Tensione massima continuativa U_c (per ogni modo di protezione)
5. Tipo di scaricatore di sovratensione e parametri di scarica (per ogni modo di protezione)
   • Nello scaricatore di sovratensione di Tipo 1 troviamo l’indicazione “Tipo 1” oppure il simbolo seguito da “I_imp” e il relativo valore in kA.
   • Nello scaricatore di sovratensione di Tipo 2 troviamo l’indicazione “Tipo 2” oppure il simbolo seguito da “I_n” e il relativo valore in kA.
   • Nello scaricatore di sovratensione di Tipo 3 troviamo l’indicazione “Tipo 3” oppure il simbolo seguito da “U_oc” e il relativo valore in kA.
6. Livello di protezione di tensione U_p
7. Grado di protezione IP dell’involucro: se non è presente significa la protezione è al massimo IP20.
8. Identificazione dei terminali
9. Corrente nominale di carico I_L

Comprendere questi parametri è essenziale per selezionare l’SPD appropriato per applicazioni specifiche e garantire una protezione efficace contro le sovratensioni transitorie nei sistemi elettrici.

Quando interviene lo scaricatore di sovratensione?

Lo scaricatore di sovratensione (SPD) interviene quando rileva una sovratensione o un picco di tensione che supera un determinato livello di soglia. Gli SPD sono progettati per rispondere rapidamente ad eventi di tensione transitoria per deviare o sopprimere la tensione in eccesso, proteggendo così le apparecchiature collegate da eventuali danni.

Gli SPD tipicamente intervengono nei seguenti scenari:

1. Sovratensione transitoria: quando si verifica un improvviso aumento di tensione nel sistema elettrico, ad esempio a causa di fulmini, disturbi della rete elettrica o operazioni di commutazione, gli SPD rilevano la sovratensione e avviano misure protettive.
2. Picco di tensione: gli SPD rispondono anche a picchi di tensione di breve durata causati da fattori interni o esterni all’impianto elettrico. Questi picchi possono derivare da eventi come l’avvio del motore, la commutazione dei condensatori o disturbi elettrici nelle vicinanze.

Nel complesso, gli SPD svolgono un ruolo proattivo nella protezione delle apparecchiature elettriche ed elettroniche, intervenendo ogni volta che esiste una minaccia di sovratensioni o picchi di tensione, garantendo così la sicurezza e l’affidabilità dei dispositivi collegati.

Nel campo dell’ingegneria elettrica e della gestione dell’energia, lo stabilizzatore di tensione serve a garantire il corretto funzionamento dei dispositivi elettronici. Cos’è esattamente uno stabilizzatore di tensione e come funziona? Quali sono le varie tipologie disponibili e dove trovano la loro indispensabile utilità?

Questo articolo punta a fornire una descrizione relativa al mondo degli stabilizzatori di tensione. Dai principi fondamentali alle applicazioni pratiche, approfondiamo l’essenza di questi dispositivi, facendo luce sul loro ruolo nel mantenimento della stabilità elettrica.

Cos’è uno stabilizzatore di tensione?

Uno stabilizzatore di tensione è un dispositivo elettrico in grado di fornire un livello di tensione costante al carico ad esso collegato come, ad esempio, un’altra apparecchiatura elettrica oppure una parte di un circuito. Uno stabilizzatore riceve in ingresso una tensione che può presentare delle fluttuazioni e fornisce in uscita una tensione ad un livello garantita entro determinati limiti ovvero stabile, secondo le esigenze del carico posto a valle.

Lo stabilizzatore di tensione è anche detto regolatore di tensione in quanto regola le possibili fluttuazioni della tensione in ingresso per fornire in uscita una tensione stabile. La tensione in uscita non sarà altro che la tensione in ingresso “regolata” per avere un livello di fluttuazioni ben definito che possa essere facilmente tollerato dal carico. La stabilizzazione della tensione e quindi il controllo e filtraggio di tali fluttuazioni avviene ad opera della circuteria interna a tale dispositivo.

A cosa serve lo stabilizzatore di tensione?

Gli stabilizzatori di tensione svolgono un ruolo cruciale in vari settori e applicazioni in cui il mantenimento di una tensione di alimentazione stabile e costante è fondamentale. Ecco alcuni scopi e applicazioni chiave degli stabilizzatori di tensione:

1. Protezione delle apparecchiature elettroniche: gli stabilizzatori di tensione proteggono le apparecchiature elettroniche sensibili, come computer, server, dispositivi medici, apparecchiature di telecomunicazione e macchinari industriali, dai danni causati da fluttuazioni, sovratensioni o abbassamenti di tensione. Livelli di tensione costanti aiutano a prevenire guasti prematuri, corruzione dei dati o malfunzionamenti in questi dispositivi.
2. Garantire l’affidabilità delle apparecchiature: molti processi industriali e operazioni di produzione si affidano a livelli di tensione precisi e stabili per garantire prestazioni costanti e qualità del prodotto. Gli stabilizzatori di tensione aiutano a mantenere l’integrità delle linee di produzione, delle macchine a controllo numerico (CNC), della robotica e di altre apparecchiature critiche fornendo un’alimentazione elettrica costante.
3. Miglioramento dell’efficienza energetica: le fluttuazioni nei livelli di tensione possono portare a inefficienze nell’utilizzo dell’energia, poiché le apparecchiature possono assorbire più corrente per compensare le variazioni di tensione. Stabilizzando la tensione, gli stabilizzatori possono aiutare a ottimizzare il consumo di energia e ridurre i costi dell’elettricità in ambienti commerciali e industriali.
4. Mitigazione delle fluttuazioni di tensione: gli stabilizzatori di tensione mitigano l’impatto delle fluttuazioni di tensione causate da fattori quali instabilità della rete, variazioni di carico o eventi transitori come i fulmini. Regolando la tensione entro un intervallo di tolleranza specificato, gli stabilizzatori garantiscono un funzionamento coerente delle apparecchiature collegate, anche in ambienti elettrici difficili.
5. Prolungamento della durata delle apparecchiature: il funzionamento dei dispositivi elettronici entro i limiti di tensione specificati può prolungarne la vita utile e ridurre la necessità di intervento per manutenzione.
6. Sistemi di alimentazione di backup: usati in combinazione con i sistemi di continuità (UPS), gli stabilizzatori di tensione svolgono un ruolo fondamentale nel fornire soluzioni di alimentazione di backup affidabili per applicazioni critiche come data center, ospedali, strutture di telecomunicazioni e centri di risposta alle emergenze. Gli stabilizzatori garantiscono che le fonti di alimentazione di backup forniscano una tensione pulita e stabile durante le interruzioni della rete o le irregolarità di tensione.

In sintesi, gli stabilizzatori di tensione sono strumenti indispensabili per mantenere la stabilità elettrica, proteggere le apparecchiature, migliorare l’efficienza energetica e garantire il funzionamento affidabile dei sistemi critici in vari settori e applicazioni.

Tipi di stabilizzatore di tensione

Gli stabilizzatori di tensione sono disponibili in vari tipi, ciascuno con le sue caratteristiche e meccanismi unici per la regolazione e la stabilizzazione della tensione. Ecco i tipi più comuni di stabilizzatori di tensione insieme alle loro caratteristiche principali:

1. Stabilizzatore di tensione servocontrollato (SCV):

• Caratteristiche:
  • Gli SCV utilizzano un autotrasformatore azionato da servomotore per regolare la tensione di uscita.
  • Il servomotore regola la posizione della presa dell’autotrasformatore per aumentare o diminuire la tensione in base alle fluttuazioni della tensione di ingresso.
  • Questi stabilizzatori offrono una regolazione precisa della tensione, generalmente entro ±1% o migliore.
  • Forniscono tempi di risposta rapidi, rendendoli adatti per applicazioni in cui è necessaria una rapida correzione della tensione.
  • Gli SCV sono adatti sia per applicazioni monofase che trifase e possono gestire un’ampia gamma di fluttuazioni della tensione di ingresso.
  • Sono altamente affidabili, durevoli e richiedono, generalmente, poca manutenzione.
• Applicazioni:
  • Applicazioni critiche che richiedono una regolazione precisa della tensione, come apparecchiature mediche, sistemi di telecomunicazioni, data center e macchinari industriali.
  • Luoghi con fluttuazioni di tensione frequenti e significative, reti instabili o fonti di alimentazione inaffidabili.

1. Stabilizzatore di tensione statico (elettronico):

• Caratteristiche:
  • Gli stabilizzatori statici utilizzano componenti elettronici a stato solido come regolatori di tensione e tiristori per regolare la tensione di uscita.
  • Offrono tempi di risposta rapidi e regolazione della tensione ad alta precisione, spesso entro ±1% o migliore.
  • Gli stabilizzatori statici sono generalmente compatti e leggeri, il che li rende adatti per applicazioni con vincoli di spazio.
  • Sono disponibili sia in configurazione monofase che trifase.
  • Questi stabilizzatori hanno un bassissimo livello di emissione acustica ed un’elevata efficienza.
  • Gli stabilizzatori statici possono includere funzionalità aggiuntive come protezione da sovratensione, protezione da sovraccarico e display digitali per il monitoraggio dei livelli di tensione.
• Applicazioni:
  • Apparecchiature elettroniche sensibili come computer, server, strumenti di laboratorio e sistemi audiovisivi.
  • Automazione industriale, controllo di processo, macchine CNC e apparecchiature di produzione di precisione.
  • Edifici commerciali, ospedali, banche e esercizi commerciali.

3. Stabilizzatore di tensione elettromeccanico:

• Caratteristiche:
  • Gli stabilizzatori elettromeccanici utilizzano relè e contatti elettromagnetici per regolare la tensione di uscita attraverso un trasformatore.
  • Funzionano sulla base di un meccanismo di commutazione, in cui diverse sezioni dell’avvolgimento del trasformatore sono collegate o disconnesse per regolare la tensione di uscita.
  • Questi stabilizzatori offrono una moderata precisione di regolazione della tensione, in genere compresa tra ± 3% e ± 5%.
  • Hanno tempi di risposta più lenti rispetto agli stabilizzatori servocomandati e statici.
  • Gli stabilizzatori elettromeccanici sono robusti e adatti a gestire carichi di corrente elevati.
  • Sono disponibili sia in configurazione monofase che trifase.
• Applicazioni:
  • Applicazioni residenziali e piccole applicazioni commerciali dove è sufficiente una regolazione moderata della tensione.
  • Aree con tensione di rete relativamente stabile ma con fluttuazioni o abbassamenti di tensione occasionali.
  • Sistemi di alimentazione di backup, generatori e progetti di elettrificazione rurale.

Ogni tipo di stabilizzatore di tensione presenta vantaggi e limiti, quindi la scelta di quello giusto dipende da fattori quali la precisione richiesta della regolazione della tensione, il tempo di risposta, la capacità di carico e i requisiti specifici dell’applicazione. È fondamentale valutare attentamente questi fattori per selezionare lo stabilizzatore di tensione più adatto alle proprie esigenze.

Come funziona un stabilizzatore di tensione?

Uno stabilizzatore di tensione funziona come controllo dei sistemi elettrici, garantendo un’alimentazione di tensione stabile e costante indipendentemente dalle fluttuazioni in ingresso. Il suo obiettivo principale è mantenere una tensione di uscita stabile entro un intervallo specificato, anche quando la tensione di ingresso fluttua o presenta disturbi.

Il meccanismo alla base del funzionamento di uno stabilizzatore di tensione prevede in genere l’uso di vari componenti come trasformatori e circuiti di controllo oppure è gestito totalmente attraverso la gestione elettronica della tensione in ingresso. Ecco una descrizione semplificata del funzionamento di uno stabilizzatore di tensione:

1. Rilevamento della tensione in ingresso: lo stabilizzatore di tensione monitora costantemente la tensione che riceve in ingresso fornita dalla rete o un altro sistema di alimentazione. Eventuali deviazioni dal livello di tensione desiderato vengono rilevate dal circuito di controllo.
2. Confronto e controllo: la tensione di ingresso rilevata viene confrontata con il livello di tensione di riferimento impostato per lo stabilizzatore. Se la tensione di ingresso si discosta da questo livello di riferimento, il circuito di controllo attiva misure correttive per regolare di conseguenza la tensione di uscita.
3. Regolazione della tensione: le misure correttive impiegate dallo stabilizzatore di tensione dipendono dalle caratteristiche e dal tipo di stabilizzatore stesso. I metodi più comuni di regolazione di tensione includono l’utilizzo di autotrasformatori, trasformatori a commutazione o circuiti elettronici. Questi metodi regolano la tensione di uscita aumentando o diminuendo la tensione ricevuta in ingresso per mantenere l’uscita stabile.
4. Loop di feedback: molti stabilizzatori di tensione incorporano un meccanismo di retroazione per monitorare e regolare continuamente la tensione di uscita in base ai cambiamenti nelle condizioni di ingresso o di carico.
5. Funzioni di protezione: gli stabilizzatori di tensione sono dotati di dispositivi di protezione contro la sovratensione, il sovraccarico ed il cortocircuito per salvaguardare le apparecchiature collegate da potenziali danni dovuti a picchi di tensione o guasti.

Utilizzando questi meccanismi, uno stabilizzatore di tensione funge da buffer tra la natura imprevedibile della potenza in ingresso e i dispositivi che alimenta. Che si tratti di fluttuazioni della tensione di rete, improvvisi cambiamenti di carico o disturbi elettrici, lo stabilizzatore di tensione mantiene una tensione di alimentazione costante e affidabile, garantendo prestazioni ottimali e longevità delle apparecchiature collegate.

Come scegliere stabilizzatore di tensione?

La scelta del giusto stabilizzatore di tensione implica la considerazione di diversi fattori chiave per garantire che soddisfi i requisiti specifici della vostra applicazione. Ecco una guida passo passo per aiutarti a selezionare lo stabilizzatore di tensione appropriato:

1. Identificare i requisiti di tensione: determinare la tensione nominale dell’apparecchiatura o del sistema che è necessario proteggere. Ciò include sia la tensione nominale (ad esempio, 230 V, 400 V) che l’intervallo di tensione accettabile (ad esempio, ±10%).
2. Valuta la capacità di carico: calcola la potenza ovvero il consumo energetico totale (in watt o kilowatt) di tutte le apparecchiature che verranno collegate allo stabilizzatore. Scegliere uno stabilizzatore con capacità sufficiente per gestire il carico massimo senza superare la capacità nominale.
3. Considera le fluttuazioni di tensione: valuta la natura e l’entità delle fluttuazioni di tensione nella tua zona. Gli stabilizzatori di tensione sono dotati di diverse velocità di correzione e capacità di regolazione della tensione. Per le aree soggette a fluttuazioni frequenti e gravi, è bene prendere in considerazione uno stabilizzatore con tempi di risposta rapidi e regolazione precisa.
4. Valutazione delle variazioni della tensione di ingresso: determinare l’intervallo di variazioni della tensione di ingresso che lo stabilizzatore deve gestire. Scegli uno stabilizzatore che sia in grado di gestire un intervallo di tensione di ingresso idoneo alle fluttuazioni comunemente riscontrate nell’ambiente di installazione.
5. Comprendere il tipo di stabilizzatore: acquisire familiarità con i diversi tipi di stabilizzatori di tensione disponibili, come stabilizzatori servocontrollati, stabilizzatori statici (totalmente elettronici) e stabilizzatori elettromeccanici. Ciascun tipo presenta vantaggi e svantaggi, quindi scegli quello più adatto alle tue esigenze in base a fattori quali costi, tempi di risposta e requisiti di manutenzione.

Nell’ambito dell’edilizia e, in generale, delle infrastrutture, il cablaggio che attraversa gli edifici funge da sistema circolatorio dell’architettura moderna. Tuttavia, dietro la perfetta integrazione delle reti elettriche si nasconde un aspetto critico relativo al pericolo di incendio. Il Regolamento europeo sui prodotti da costruzione (CPR) classifica i cavi in base al grado di infiammabilità per garantire sicurezza, interoperabilità e conformità normativa nel settore delle costruzioni.

In questo articolo verranno descritti gli aspetti principali relativi alle varie tipologie di classi e livelli di prestazione previsti dal CPR per i cavi elettrici destinati ad essere utilizzati nell’edilizia e nelle infrastrutture.

Perché è stata introdotta una classificazione dei cavi elettrici?

Nell’ambito delle normative sull’edilizia, la sicurezza antincendio rappresenta una aspetto fondamentale, che incide in maniera importante nella progettazione di edifici ed infrastrutture. Al centro di questo impegno c’è il Regolamento Europeo (UE) N. 305/2011, che definisce gli rigorosi per i cavi utilizzati nelle installazioni permanenti all’interno dei progetti di costruzione. Questo regolamento non solo impone metodi di test sui cavi per verificarne il comportamento al fuoco, ma sottolinea anche l’importanza fondamentale di allineare la classificazione dei cavi con le funzioni degli edifici in cui sono installati.

Il Regolamento CPR 305/2011/UE punta i riflettori sul ruolo dei cavi nel mitigare i rischi di incendio e nel promuovere quindi la sicurezza degli occupanti. Secondo questo regolamento, i cavi destinati all’installazione permanente nelle opere di costruzione devono essere selezionati sulla base delle classi di infiammabilità, dette Euroclassi, che ne valutano la resistenza al fuoco e il comportamento in caso di incendio.

Le Euroclassi fungono da quadro standardizzato per classificare i cavi in ​​base alla loro prestazione al fuoco. L’utilizzo di una determinata tipologia di cavo deve necessariamente essere basata sulla destinazione d’uso ovvero, sull’ambiente previsto di installazione ed i relativi rischi che possono verificarsi in quel determinato ambiente, dal punto di vista del pericolo di incendio.

La determinazione della classificazione della classe Euro per i cavi all’interno di un edificio richiede un’attenta considerazione di vari fattori legati al suo utilizzo e scopo. Gli edifici con livelli di occupazione elevati o componenti infrastrutturali critici richiedono cavi con livelli di resistenza al fuoco più elevati per mitigare il potenziale di propagazione del fuoco e garantire la sicurezza degli occupanti. Al contrario, gli edifici con profili di rischio incendio inferiori o applicazioni specializzate possono essere adeguatamente serviti da cavi con Euroclassi inferiori, bilanciando i requisiti di sicurezza con considerazioni pratiche.

Quale è la classificazione CPR dei cavi elettrici?

Nel contesto del Regolamento sui Prodotti da Costruzione (CPR) dell’Unione Europea, i cavi vengono classificati in base alla loro reazione al fuoco e al loro contributo alla propagazione dell’incendio. Il CPR impone che i cavi utilizzati nelle costruzioni debbano soddisfare specifici requisiti di prestazione antincendio ed essere classificati di conseguenza. Il sistema di classificazione è standardizzato in tutta l’UE ed è indicato da una serie di caratteri alfanumerici.

Il sistema di classificazione dei cavi CPR include i seguenti elementi:

1. Euroclassi. Ai cavi vengono assegnate euroclassi in base alle loro caratteristiche di prestazione al fuoco. Queste Euroclassi vanno dalla A alla F, dove la Classe A rappresenta il più alto livello di resistenza al fuoco e la Classe F indica il più basso.
   • Classe A: Nessun contributo all’incendio (ad esempio, bassa emissione di fumo, assenza di gocce infiammate).
   • Classe B: Contributo limitato al fuoco.
   • Classe C: Contributo medio al fuoco.
   • Classe D: Elevato contributo al fuoco.
   • Classe E: Contributo al fuoco molto elevato.
   • Classe F: Nessuna prestazione determinata o prestazione più bassa.
2. Classi addizionali. Oltre all’Euroclasse, i cavi dalla classe D alla B, possono avere caratteristiche aggiuntive, come ad esempio:
   • Fumo: s1, s2, s3 – Livello di produzione di fumo, dove s1 indica il minimo e s3 il massimo.
   • Sgocciolamento: d0, d1, d2 – Gocce/particelle ardenti, dove d0 indica nessuna produzione e d2 indica il livello più alto prodotto.
   • Acidità: a1, a2, a3 – Emissione di gas acido (tossico), dove a1 indica una bassa emissione e a2 indica un’emissione moderata.

Assegnando ai cavi una specifica Euroclasse e caratteristiche aggiuntive, il sistema di classificazione CPR fornisce informazioni chiare e standardizzate sulle loro prestazioni al fuoco. Ciò consente ai professionisti dell’edilizia di selezionare cavi che soddisfano gli standard di sicurezza necessari per la loro specifica applicazione, contribuendo alla sicurezza antincendio complessiva negli edifici e nei progetti infrastrutturali in tutta l’Unione Europea.

Euroclassi

Le Euroclassi sono 7, dalla A alla F, sulla base del contributo che il cavo può dare allo sviluppo di fuoco. Tale contributo è misurato con appositi metodi di prova. A partire dai risultati di queste prove è possibile assegnare al cavo una Euroclasse di appartenenza sulla base dei valori di potere calorifico superiore, diffusione di fiamma, rilascio totale di calore, tasso di rilascio di calore ed indice del tasso di accrescimento del fuoco (FIGRA). La norma EN 50575, armonizzata per il Regolamento sui Prodotti da Costruzione, definisce a quali metodi di prova devono essere sottoposti i cavi per poter essere associati ad una determinata Euroclasse. A sua volta ogni metodo di prova è descritto all’interno di una norma. Nella tabella seguente vediamo la corrispondenza tra Euroclasse e metodo di prova.

Classe	EN ISO 1716	EN 50399	EN 60332-1-2	EN 61034-2
	X	//	//	//
	//	X	X	X
	//	X	X	X
	//	X	X	X
	//	X	X	X
	//	//	X	//
	Nessuna prestazione definita

Nota bene: per la classe B1_ca si applicano le condizione della EN 50339 si applicano le condizioni di prova che prevedono l’utilizzo di una sorgente di fiamma di 30 kW mentre per le altre classi, il metodo di prova EN 50339 richiede una sorgente di fiamma di 20,5 kW.

Di seguito l’elenco dei riferimenti normativi presentati:

• EN 50575: Cavi per energia, controllo e comunicazioni – Cavi per applicazioni generali nei lavori di costruzione soggetti a prescrizioni di reazione all’incendio;
• EN ISO 1716: Prove di reazione al fuoco dei prodotti – Determinazione del potere calorifico superiore;
• EN 50339: Metodi di prova comuni per cavi in condizioni di incendio – Misura dell’emissione di calore e produzione di fumi sui cavi durante la prova di sviluppo di fiamma – Apparecchiatura di prova, procedure e risultati;
• EN 60332-1-2: Prove su cavi elettrici e ottici in condizioni d’incendio – Parte 1-2: Prova per la propagazione verticale della fiamma su un singolo conduttore o cavo isolato – Procedura per la fiamma di 1 kW premiscelata;
• EN 61034-2: Misura della densità del fumo emesso dai cavi che bruciano in condizioni definite – Parte 2: Procedura di prova e prescrizioni.

I metodi di prova per poter assegnare ad un cavo una determinata classe sono obbligatori per il fabbricante del cavo che è tenuto a dichiarare la classe di reazione al fuoco se, questo cavo, è destinato ad essere venduto per applicazioni nei lavori di costruzione. Per chi invece compra il cavo, la scelta si deve basare sulla tipologia di costruzione dove andrà installato il cavo.

Classe addizionale

Le classi addizionali rappresentano una classificazione aggiuntiva con l’obiettivo di fornire ulteriori informazioni sulle caratteristiche del cavo in caso di combustione. Nello specifico le classi addizionali viene presa in considerazione la corrosività dei gas emessi dalla combustione del cavo tramite misura del pH e la conduttività di tali gas.

Il metodo di prova per le classi addizionali è quello descritto nella seguente norma:

• EN 60754-2: Prova sui gas emessi durante la combustione di materiali prelevati dai cavi – Parte 2: Determinazione dell’acidità (mediante la misura del pH) e della conduttività

Classe addizionale – Opacità al fumo

Le Euroclassi dalla B1ca alla Dca, possono avere una ulteriore classificazione sulla base della quantità di fumo prodotto che comprende s1, s2 ed s3, con s3 che indica il livello più basso di visibilità. La classe s1 comprende la classe s1a ed s1b.

Classe addizionale - opacità al fumo	Prestazioni
	Lenta e bassa propagazione di fumo con visibilità oltre 80%
	Lenta e bassa propagazione di fumo con visibilità tra 60% ed 80%
	Valori intermedi di produzione e propagazione di fumo
	Prestazioni inferiori ad s2 oppure non verificate

Classe addizionale – Sgocciolamento

Le Euroclassi dalla B1ca alla Dca, possono avere una ulteriore classificazione sulla base della presenza e della persistenza di gocce o particelle ardenti e comprende d0, d1, d2, dove d0 indica che non si verifica nessuna caduta di gocce.

Classe addizionale - gocce ardenti	Prestazioni
	Nessuna caduta di gocce o particelle ardenti
	Caduta di gocce o particelle ardenti che persistono per non oltre 10 secondi
	Prestazioni inferiori a d1 oppure non verificate

Classe addizionale – Acidità (Corrosività) del fumo

Le Euroclassi dalla B1ca alla Dca, possono avere una ulteriore classificazione sulla base del livello di acidità ovvero di corrosività del fumo che comprende a1, a2, a3, dove a1 indica una bassissima acidità del fumo.

Classe addizionale - Acidità del fumo	Prestazioni
	Acidità / corrosività del fumo molto bassa Conduttività <2,5 ms/mm e pH > 4.3
	Acidità / corrosività del fumo bassa Conduttività <10 ms/mm e pH > 4.3
	Prestazioni inferiori ad a2 oppure non verificate

Tipologie di ambienti per installazione cavi CPR

La scelta di utilizzo di una specifica Euroclasse di cavi dipende dal livello di rischio associato all’ambiente presso cui il cavo andrà installato. A monte del progetto elettrico dovrà essere valutato l’ambiente di installazione in termini della valutazione del rischio incendio e relativa prevenzione. Il rischio incendio dipende dalla probabilità di accadimento dell’evento combinata con l’entità del danno che potrebbe verificarsi. I parametri principali che andranno valutati per la classificazione dell’ambiente relativamente al rischio incendio sono:

• il livello di affollamento previsto, in media ed il massimo presumibile;
• la capacità di sfollamento;
• la reazione al fuoco prevista per la tipologia di materiali nella struttura;
• l’eventuale presenza di materiali combustibili;
• la stima dell’eventuale danno che l’evento incendio recherebbe a persone, animali e cose.

A titolo di esempio, vengono presentate nella tabella seguente le caratteristiche e le applicazioni tipiche per ogni euroclasse.

Euroclasse	Caratteristiche	Destinazione d'uso
	Nessun contributo all'incendio	L'installazione di questa classe di cavi si basa tipicamente su esplicita richiesta del progettista
	Minimo contributo all'incendio	L'installazione di questa classe di cavi si basa tipicamente su esplicita richiesta del progettista
	Combustibile, bassa propagazione della fiamma e basso rilascio termico	Edifici generalmente molto affollati e con difficoltà di esodo: aeroporti, stazioni ferroviarie, marittime, metropolitane, gallerie,...
	Combustibile, moderata propagazione della fiamma e moderato rilascio termico	Edifici civili generalmente molto affollati e con facilità di esodo con altezza antincendio superiore a 24m: ospedali, cinema, teatri, palestre, alberghi, scuole, ...
	Combustibile, moderata propagazione della fiamma ed alto rilascio termico	Edifici civili generalmente poco affollati e con difficoltà di esodo con altezza antincendio inferiore a 24m: ambulatori, bar, ristoranti, ...
	Combustibile, propagazione della fiamma fino a 425 mm	Edifici civili generalmente poco affollati e con facilità di esodo con basso rischio incendio come gli edifici residenziali
	Combustibile, propagazione della fiamma oltre i 425 mm	Installazioni outdoor

In particolare occorre tenere presente quanto indicato dal progettista dell’infrastruttura che avrà redatto una analisi dei rischi per valutare l’impatto che può avere il cablaggio installato in caso di incendio. Sulla base del rischio associato al pericolo di incendio occorrerà individuare una classe di cavi da utilizzare. Tipicamente, le classi di cavi più utilizzate sono: B2_ca, C_ca, D_ca, E_ca. La scelta del cablaggio deve sempre basarsi sulle risultanze di una analisi dei rischi. Più è alto il rischio incendio ovvero la combinazione di probabilità e danno dell’evento, più alta dovrà essere la prestazione richiesta in termini di reazione al fuoco, per il cablaggio.

Quali cavi elettrici devono rispettare le prescrizioni CPR?

Il regolamento sui prodotti da costruzione (CPR) si applica a un’ampia gamma di cavi utilizzati in progetti di costruzione e costruzione all’interno dell’Unione Europea. In generale, qualsiasi cavo destinato ad essere installato in modo permanente in un edificio e che contribuisce alla sicurezza o alla funzionalità dell’infrastruttura dell’edificio rientra nell’ambito di applicazione del CPR. Ciò include, ma non è limitato a, i seguenti tipi di cavi:

1. Cavi di alimentazione: cavi utilizzati per la trasmissione di energia elettrica all’interno degli edifici, compresi quelli utilizzati per alimentare l’illuminazione, elettrodomestici, macchinari e altri sistemi elettrici.
2. Cavi di comunicazione: cavi utilizzati per telecomunicazioni, reti di dati e sistemi di distribuzione audio/video all’interno di edifici, come cavi Ethernet, cavi coassiali e cavi in ​​fibra ottica.
3. Cavi di controllo: cavi utilizzati per il controllo e il monitoraggio di vari sistemi all’interno degli edifici, come riscaldamento, ventilazione, condizionamento dell’aria, sistemi di sicurezza e sistemi di automazione.
4. Cavi per allarme antincendio: Cavi progettati specificatamente per sistemi di rilevamento e allarme antincendio, compresi quelli utilizzati per rilevatori di fumo, rilevatori di calore e dispositivi di notifica di allarme.
5. Cavi di sicurezza: cavi utilizzati per applicazioni critiche per la sicurezza, come illuminazione di emergenza, sistemi di alimentazione di emergenza e cavi resistenti al fuoco per circuiti critici.
6. Cavi per strumentazione: cavi utilizzati per la trasmissione di segnali e misurazioni in ambienti industriali e commerciali, inclusi sistemi di controllo di processo, sensori e strumentazione.
7. Cavi dati: cavi utilizzati per la trasmissione di segnali dati digitali, compresi quelli utilizzati per reti di computer, sistemi audiovisivi e sistemi di automazione degli edifici.
8. Cavi specializzati: altri tipi di cavi progettati per applicazioni specifiche all’interno di edifici, come cavi per ascensori, cavi fotovoltaici (energia solare) e cavi per stazioni di ricarica per veicoli elettrici.

È importante notare che i requisiti di conformità CPR possono variare a seconda di fattori quali l’uso previsto del cavo, la sua posizione all’interno dell’edificio e le normative nazionali applicabili in ciascuno stato membro dell’UE. Produttori e fornitori di cavi destinati all’uso in progetti di costruzione devono garantire che i loro prodotti siano conformi agli standard e ai regolamenti CPR pertinenti per essere legalmente commercializzati e installati all’interno dell’Unione Europea.

Quali cavi elettrici non devono rispettare le prescrizioni CPR?

Tutti i cavi che non rientrano nell’ambito di applicazione del Regolamento sui Prodotti da Costruzione e che quindi non sono destinati ad essere installati permanentemente in strutture/edifici non necessitano di avere una dichiarazione sulla classe di reazione al fuoco in accordo a EN 50575. Sono esclusi quindi dalle prescrizioni del CPR i cavi elettrici destinati ad essere utilizzati:

• negli impianti nei cantieri
• nelle fiere e negli stand
• negli ascensori
• nei macchinari e nelle apparecchiature elettriche
• nei quadri elettrici.

Per questi cavi in elenco non si necessita il rispetto del CPR, tuttavia sussistono normative specifiche che ovviamente prescrivono che i cavi devono essere sempre adeguati alle tensioni e correnti in gioco, alle condizioni ambientali cui sono sottoposti, le modalità di posa, etc.

Cavi CPR (in breve)

I cavi destinati ad essere installati permanentemente all’interno degli edifici giocano un ruolo molto importante nel caso di dovesse verificare un incendio. A seconda del rischio associato all’evento incendio è importante che i cavi presenti nell’impianto fisso dell’edificio non creino ulteriori problemi di innesco e che permettano il mantenimento funzionale della struttura, ad esempio per l’azionamento dei sistemi anti-incendio. A questo scopo l’Unione Europea ha reso obbligatoria la classificazione dei cavi installati negli impianti degli edifici in base alla reazione al fuoco. Il regolamento europeo per i prodotti da costruzione (CPR) ha definito 7 classi di reazione al fuoco, dette Euroclassi, per i cavi elettrici destinati ad essere permanentemente installati negli edifici. In ordine di prestazioni le Euroclassi sono: Aca, B1ca, B2ca, Cca, Dca, Eca, Fca. Aca è la classe più performante ovvero quella che in caso di incendio è in grado di dare il contributo minore allo sviluppo del fuoco. La scelta della classe di cavi da utilizzare negli impianti di un edificio dipende dalla tipologia di ambiente e dalle risultanze dell’analisi del rischio incendio svolta sull’intera struttura.

L’elettricità è la linfa vitale della civiltà moderna, alimenta le nostre case, alimenta le nostre industrie e guida l’innovazione tecnologica. Tuttavia, insieme alla sua indispensabile utilità, c’è il rischio sempre presente di scosse elettriche, un fenomeno spesso sottostimato con profonde implicazioni per la salute e la sicurezza umana. In questo articolo vediamo quali sono i principali effetti che si hanno sul corpo umano quando attraversato da corrente.

A cosa serve conoscere gli effetti della corrente sul corpo umano?

La conoscenza degli effetti della corrente sugli esseri umani è il fulcro per promuovere la sicurezza, guidare i progressi tecnologici, garantire la conformità normativa e consentire sia ai professionisti che agli utenti in generale di navigare in modo responsabile nel panorama elettrificato del nostro mondo moderno.

Comprendere gli effetti della corrente elettrica sugli esseri umani è fondamentale per diversi motivi:

• Problemi di sicurezza. La conoscenza degli effetti della corrente sul corpo umano è fondamentale per garantire la sicurezza delle persone sia in ambito domestico che industriale. L’esposizione accidentale alle correnti elettriche può causare lesioni o morte e la consapevolezza dei potenziali rischi aiuta ad attuare misure preventive e a creare ambienti più sicuri.
• Progettazione e ingegneria elettrica. Ingegneri e progettisti che lavorano su sistemi elettrici devono comprendere come le correnti elettriche interagiscono con il corpo umano. Questa comprensione è essenziale per progettare prodotti, elettrodomestici e infrastrutture che diano priorità alla sicurezza degli utenti, rispettino le normative e riducano al minimo il rischio di incidenti elettrici.
• Applicazioni mediche. In campo medico diverse tecniche diagnostiche e terapeutiche prevedono l’applicazione controllata di correnti elettriche al corpo umano. La conoscenza di questi effetti è fondamentale per i professionisti medici per garantire l’efficacia e la sicurezza di trattamenti come la terapia elettroconvulsivante (ECT) o la stimolazione nervosa elettrica transcutanea (TENS).
• Progresso tecnologico. Man mano che la tecnologia continua ad evolversi, innovazioni come dispositivi indossabili, impianti e protesi elettroniche diventano più diffuse. Comprendere l’impatto delle correnti elettriche sul corpo umano è essenziale per sviluppare e migliorare queste tecnologie, garantendo che si integrino perfettamente con la nostra fisiologia senza causare danni.
• Conformità normativa. I governi e gli organismi di regolamentazione stabiliscono standard di sicurezza e linee guida per sistemi e dispositivi elettrici. Una comprensione completa degli effetti della corrente sugli esseri umani è essenziale per sviluppare e far rispettare queste normative, promuovendo una cultura di conformità e responsabilità nella progettazione e nel funzionamento dei sistemi elettrici.

Cosa accade se il corpo umano entra in contatto con parti in tensione?

Se il corpo umano entra in contatto con parti a tensione differente, tale differenza di potenziale porta alla generazione di un flusso di corrente che trova, come resistenza, l’impedenza costituita dal corpo.

Teniamo presente che il flusso di corrente può generarsi se si entra in contatto con solo una parte in tensione poiché può sempre crearsi una differenza di potenziale qualora non siamo adeguatamente isolati dal suolo. In questo caso la parte con cui siamo in contatto diviene quella a potenziale maggiore ed il contatto con il suolo quella a potenziale (circa) nullo. In tale situazione si è creato un circuito dove il flusso di corrente avviene attraverso un mezzo conduttivo rappresentato dal corpo umano.

Come qualsiasi mezzo conduttivo, il corpo umano diventa soggetto al passaggio di corrente che, esattamente come avviene per un cavo elettrico o per un componente, ne risente l’effetto. Il corpo umano però non è solo un mezzo conduttivo ma è l’insieme di organi, muscoli, fibre, tessuti e cellule che funzionano in sincronia gli uni con gli altri attraverso reazioni biochimiche ed elettriche in una complessa sinergia ed equilibrio. Il passaggio di corrente attraverso il corpo umano causato dal contatto con parti a tensioni diverse è chiamato elettrocuzione. In caso di elettrocuzione, il passaggio di corrente provoca una alterazione nel regolare funzionamento del corpo umano il cui equilibrio può risultarne compromesso temporaneamente oppure in maniera irrimediabile.

Nel caso il corpo umano sia attraversato da corrente elettrica, gli effetti dell’elettrocuzione possono essere distinti in due classi:

1. Alterazione del funzionamento degli organi vitali;
2. Ustione dei tessuti.

La gravità delle conseguenze dell’elettrocuzione dipende da diversi fattori. Nelle sezioni successive analizzeremo in maniera approfondita gli effetti dell’elettrocuzione ed i fattori che incidono sulla gravità del danno che si può generare.

Effetti della corrente elettrica sul corpo umano

La funzionalità del corpo umano è strettamente legata a quella dei segnali (bio)elettrici che governano l’organismo. Nel caso in cui il corpo sia attraversato da corrente elettrica tali segnali vengono perturbati e, oltre un certo livello, questa perturbazione può essere dannosa per l’organismo ed avere effetti pericolosi.

I principali effetti della corrente sul corpo umano sono:

1. Percezione: a seconda della superficie di contatto, delle condizioni (asciutte/bagnate/temperatura) e delle caratteristiche delle persona, si ha la sensazione di attraversamento della corrente
2. Reazione: contrazione involontaria dei muscoli senza effetti fisiologici per il corpo
3. Immobilizzazione (tetanizzazione): a seconda del livello di corrente, del muscolo, dei nervi e dell’area celebrale interessata, si ha una contrazione dei muscoli che non può essere controllata volontariamente
4. Rilascio: è quella condizione in cui, a seconda della superficie di contatto e delle caratteristiche della persona, è tuttavia possibile rilasciare il contatto con la parte in tensione
5. Fibrillazione ventricolare: a seconda dei parametri fisiologici della persona che entra in contatto con la parte in tensione e di parametri elettrici come la durata ed il percorso della corrente, si generano delle contrazioni rapide ed irregolari dei ventricoli ovvero la cosiddetta fibrillazione ventricolare
6. Ustioni e/o bruciature: per correnti piuttosto alte in intensità possono verificarsi ustioni e danni degli organi interni:
7. Disturbi respiratori: la corrente può portare a disturbi nel controllo dei muscoli respiratori ed eventualmente anche il blocco respiratorio per paralisi dei muscoli respiratori, danni nei percorsi di attivazione neurale di tali muscoli o danno celebrale nella zona dell’encefalo che comanda tali muscoli.
8. Elettroporazione: fenomeno non correlato direttamente ad intensità, durata e percorso della corrente che porta a lesioni a livello cellulare. La corrente può indurre la creazione di pori a livello delle membrane cellulari che possono portare a lesione ed eventuale necrosi dei tessuti.

Impedenza elettrica del corpo umano

Quando una parte del corpo umano entra in contatto con una parte in tensione, la differenza di potenziale (ad esempio tra il punto di contatto ed il suolo) porta ad un flusso di corrente. In tale circuito, secondo la legge di Ohm, i valori di tensione e corrente sono correlati attraverso il valore dell’impedenza elettrica del corpo umano. Tale impedenza non è costante ma dipende da diversi fattori.

I fattori principali che influenzano il valore di impedenza elettrica del corpo umano sono:

• percorso della corrente che attraversa il corpo;
• valore della tensione di contatto;
• durata e frequenza della corrente;
• umidità della pelle;
• area di contatto;
• pressione esercitata;
• temperatura.

L’impedenza elettrica del corpo umano ha una componente resistiva ed una componente capacitiva. In termini elettrici, l’impedenza del corpo umano viene rappresentata tramite lo schema semplificato mostrato di seguito.

Dove:

Zs: impedenza della pelle

Zi: impedenza interna

Z_T: impedenza totale

Impedenza della pelle

La pelle è costituita da uno strato semi-isolante e da una piccola parte conduttiva costituita dai pori. L’impedenza della pelle può essere considerata come quella ottenuta da una rete di resistenze e capacità. Tale impedenza è influenzata dalle caratteristiche della tensione, della superficie di contatto e da quelle della pelle stessa. Per valori bassi di tensione di contatto, tale impedenza può variare considerevolmente in quanto questo valore è molto influenzato dall’area di contatto e dalle condizioni della pelle. Per valori alti di tensione di contatto, l’impedenza della pelle assume valori sempre inferiori sino a diventare trascurabile nel momento in cui la pelle è perforata. Un altro fattore importante che influenza il valore di impedenza della pelle è dato dalla frequenza della tensione di contatto. Esiste infatti una correlazione inversa tra l’impedenza della pelle e la frequenza della tensione ovvero, più è alta la frequenza, minore è il valore di impedenza della pelle.

Impedenza interna

L’impedenza interna è prevalentemente resistiva ma presenta una piccola componente capacitiva. L’impedenza interna del corpo umano dipende prevalentemente dal percorso che la corrente fa quanto attraversa il corpo. Si considera, come valore più grande, il valore della impedenza interna che si ha quando la corrente attraversa il corpo dalla mano al piede.

Impedenza totale del corpo

L’impedenza totale del corpo è data dalla serie dell’impedenza della pelle e quella dell’impedenza interna. L’impedenza totale è quindi data da componenti resistive e capacitive. Tale valore è molto influenzato dalla variabilità dell’impedenza della pelle. Per bassi valori di tensione di contatto l’impedenza totale può avere una elevata variabilità, anche nello stesso soggetto e questo a causa della variabilità dell’impedenza della pelle. Per tensioni sempre maggiori, il contributo dell’impedenza della pelle diviene via via trascurabile e l’impedenza totale del corpo può essere considerata pari al valore dell’impedenza interna.

Fattori che influenzano l’impedenza totale del corpo

L’impedenza totale del corpo dipende da diversi fattori che riguardano principalmente il tipo di tensione di contatto, la superficie di contatto e le condizioni della stessa e gli aspetti fisiologici propri del soggetto che subisce il contatto.

Impedenza totale del corpo in funzione della tensione di contatto alternata o continua

Si assuma una tensione alternata a 50 Hz ed una tensione in continua. Per valori di tensione inferiori a 200 V, nel caso di tensione in continua, il contributo capacitivo all’impedenza totale, è trascurabile.

Nella figura seguente viene mostrato l’andamento del valore dell’impedenza totale del corpo al crescere della tensione di contatto, nel caso di tensione alternata e di tensione continua.

A parità di valori di tensione, fino a 200V, l’impedenza totale del corpo risulta inferiore nel caso di corrente alternata rispetto a quella continua. Entro i 200 V, in corrente continua, si può parlare di resistenza del corpo in quanto il contributo capacitivo è trascurabile.

Dall’andamento dei valori di impedenza nel caso di corrente alternata e nel caso di corrente continua, si può dedurre che, a parità di condizioni (della pelle, del corpo, della superficie di contatto, della temperatura, etc), per tensioni inferiori a 200 V, il corpo è attraversato da una corrente con valori superiori nel caso di tensione di contatto alternata. Questo lo si capisce direttamente dalla legge di Ohm in quanto, a parità di tensione (di contatto), per valori di impedenze minori, si avranno valori di corrente superiori.

Impedenza totale del corpo in funzione della frequenza della tensione di contatto

Nel caso di tensione alternata ed a parità degli altri parametri, l’impedenza totale del corpo umano tende a diminuire all’aumentare della frequenza.

Come si può notare dal grafico, l’andamento dell’impedenza del corpo non è lineare con la frequenza della tensione di contatto. I valori presentati sono comunque da ritenersi puramente indicativi in quanto hanno una certa variabilità che dipende dalla popolazione campione. Inoltre, dal grafico si può notare come, a parità di frequenza, l’impedenza del corpo risulta maggiore per tensioni minori.

Impedenza totale del corpo in funzione delle condizioni di asciutto o bagnato

Tra gli aspetti che condizionano il valore dell’impedenza del corpo vi è la condizione di asciutto che viene tipicamente suddivisa in tre categorie: condizione di asciutto, condizione di bagnato in acqua e condizione di bagnato in condizione salina (acqua al 3% di NaCl)

Dal grafico si può osservare come per valori di tensione di contatto in alternata più bassi (al di sotto dei 300 V circa) ci possono essere delle variazioni significative tra le diverse condizioni ed in particolare valori inferiori in condizione di bagnato in condizione salina e, ragionevolmente, valori più alti di impedenza del corpo in condizione di asciutto. Al cresce del valore della tensione di contatto il valore di impedenza del corpo è pressocché invariato in qualsiasi condizione.

Zone tempo / corrente ed effetti sul corpo umano

Quando una parte del corpo umano entra in contatto con una tensione ed un’altra si trova ad una tensione diversa, si crea una differenza di potenziale che porta ad un flusso di corrente attraverso il corpo. L’intensità di tale corrente risente dell’impedenza del corpo a seconda del percorso che compie la corrente e di tantissimi fattori tra cui l’umidità, la superficie di contatto, la frequenza etc.

A parità di condizioni, gli effetti sul corpo umano dovuti al passaggio di corrente sono funzione dell’intensità e della durata del flusso di corrente. A partire dai parametri di intensità e durata del flusso di corrente si distinguono delle zone tempo / corrente che si distinguono per gli effetti che possono indurre sul corpo. Queste zone sono distinte a seconda che la tensione di contatto sia in alternata oppure in continua.

Zone tempo/corrente degli effetti delle correnti alternate

Nel caso di correnti alternate si distinguono 4 zone tempo/corrente dalla AC-1, AC-2, AC-3 alla AC-4, per gravità crescente di effetti sul corpo umano. Nella figura seguente vediamo graficamente come sono raggruppate queste zone.

Ogni zona è delimitata da una curva entro la quale è statisticamente probabile il verificarsi di taluni effetti sul corpo, secondo la tabella seguente.

Zone	Confini	Effetti fisiologici
AC-1	Sino a curva a, 0,5 mA	Nessuna reazione, possibile percezione
AC-2	Da curva a sino a curva b	Percezione e contrazione muscolare involontaria, nessun danno agli organi.
AC-3	Da curva b	Forti contrazioni involontarie muscolari, disturbi respiratori e reversibili dell'attività cardiaca. Possibile immobilizzazione. Danni agli organi poco probabili.
AC-4	Da curva c1	Possibile arresto cardiaco, blocco respiratorio, ustioni o danni cellulari. Probabilità di fibrillazione ventricolare crescente all'aumentare di corrente e durata del flusso.

Le curve c1, c2, c3 identificano, all’interno della zona AC-4, delle condizioni di probabilità dello scaturirsi dell’evento fibrillazione ventricolare secondo quanto riportato di seguito:

• l’area tra la curva c1 e la curva c2 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è entro il 5%;
• l’area tra la curva c2 e la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare può raggiungere il 50%;
• l’area oltre la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è superiore al 50%.

Tali condizioni di probabilità si assume un percorso della corrente da mano a piede per un tempo superiore a 200 ms.

Zone tempo/corrente degli effetti delle correnti continue

L’effetto della corrente continua sul corpo umano è diverso da quello della corrente alternata, in particolare a bassi valori della tensione di contatto e questo perché in tale situazione il corpo presenta una impedenza più alta. In maniera analoga a quanto visto per la corrente alternata, si distinguono 4 zone tempo/corrente dalla DC-1, DC-2, DC-3 alla DC-4, per gravità crescente di effetti sul corpo umano. Nella figura seguente vediamo graficamente come sono raggruppate queste zone.

Ogni zona è delimitata da una curva entro la quale è statisticamente probabile il verificarsi di taluni effetti sul corpo, secondo la tabella seguente.

Zone	Confini	Effetti fisiologici
DC-1	Sino a curva a, 2 mA	Possibile percezione in fase di contatto e di rilascio
DC-2	Da curva a sino a curva b	Possibile contrazione muscolare involontaria in fase di contatto e di rilascio senza danni agli organi interni
DC-3	Da curva b	Forti contrazioni muscolari involontarie e possibile innesco di aritmie temporanee
DC-4	Da curva c1	Possibile arresto cardiaco, blocco respiratorio, ustioni o danni cellulari. Probabilità di fibrillazione ventricolare crescente all'aumentare di corrente e durata del flusso.

In maniera analoga a quanto visto per la corrente alternata, le curve c1, c2, c3 identificano, all’interno della zona DC-4, delle condizioni di probabilità dello scaturirsi dell’evento fibrillazione ventricolare secondo quanto riportato di seguito:

• l’area tra la curva c1 e la curva c2 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è entro il 5%;
• l’area tra la curva c2 e la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare può raggiungere il 50%;
• l’area oltre la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è superiore al 50%.

Anche in questo caso per le condizioni di probabilità appena descritte, si assume un percorso della corrente da mano a piede per un tempo superiore a 200 ms.

Gli effetti della corrente sul corpo in breve

Quando due parti del corpo si trovano ad un livello di tensione diverso, si genera un flusso di corrente che attraversa il corpo tra la zona di contatto e quella a tensione inferiore che può portare all’alterazione della funzionalità degli organi interni. Questo avviene per esempio se con la mano tocco una superficie in tensione come può essere un cavo lesionato e con il piede sono in contatto con il suolo. In questo caso avrei una differenza di potenziale tra la mano ed il piede attraverso cui si ha un flusso di corrente. L’intensità di questa corrente può variare moltissimo in funzione di diversi fattori tra cui:

• estensione della zona di contatto;
• livello della tensione di contatto;
• tipo di tensione di contatto, continua o alternata;
• frequenza della tensione di contatto, se in alternata;
• condizioni di bagnato o asciutto.

Gli effetti della corrente sul corpo dipendono dalla intensità di questa corrente e dalla durata dell’esposizione a tale flusso. Per correnti di poche decine di milliAmpere, è poco probabile che ci siano eventi dannosi per gli organi interni mentre crescendo in intensità e durata, possono accadere contrazioni muscolari involontarie, lesioni della pelle, lesioni degli organi, lesioni cellulari, blocchi respiratori e fenomeni di fibrillazione ventricolare.

Nell’ambito dei sistemi elettrici l’aspetto apparentemente banale ma cruciale della codifica a colori dei cavi elettrici gioca un ruolo importante. I cavi elettrici, con il loro spettro di sfumature, portano con sé un linguaggio codificato che ne rileva il loro scopo.

La codifica a colori nel cablaggio elettrico non è una scelta estetica, è un sistema di comunicazione standardizzato che supera i confini e le industrie. Dai cablaggi residenziali alle complesse installazioni industriali, comprendere il significato di ciascun colore è come decifrare un linguaggio universale che salvaguarda sia gli esseri umani che le macchine.

Codifica colori cavi elettrici

In Europa, i cavi elettrici sono codificati a colori secondo gli standard della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), tra cui lo standard IEC 60757. Questo standard fornisce un sistema uniforme per l’identificazione dei conduttori nel cablaggio elettrico, garantendo coerenza tra diversi paesi e applicazioni. Il sistema di codifica a colori viene utilizzato per i colori degli isolanti ed aiuta chi opera sui circuiti elettrici ad identificare rapidamente la funzione e le caratteristiche di ciascun filo in un circuito.

La convenzione definisce una lista dei colori ammessi all’interno di un quadro o, in generale, nei cablaggi di un qualsiasi circuito. I conduttori possono essere di uno dei seguenti colori:

1. nero,
2. marrone,
3. rosso,
4. arancione,
5. giallo,
6. verde,
7. blu,
8. viola,
9. grigio,
10. bianco,
11. rosa,
12. turchese.

Ulteriori obblighi e raccomandazioni nella scelta dei colori vincolano la codifica del conduttore in base alla sua funzione. Di seguito vediamo quali colori assegnare ai cavi per permettere una identificazione non equivoca e secondo quanto prescritto dalla normativa vigente.

Conduttore di protezione PE

Il conduttore di protezione (PE – Protective Earthing) deve essere identificato con il colore giallo-verde. La combinazione giallo-verde deve essere utilizzata unicamente per il conduttore di protezione PE. Non deve essere mai presente, all’interno di un circuito, un conduttore giallo-verde che non sia il PE. Data l’importanza di questo tipo di conduttore e data la necessità di consentire una sua facile individuazione, le norme raccomandano di evitare di utilizzare, per gli altri cavi, il colore giallo oppure il colore verde.

La combinazione giallo-verde è l’unica ammessa per identificare il conduttore di protezione. Le proporzioni tra la quantità di giallo e quella di verde non sono casuali ma devono seguire delle specifiche ben definite:

• per ogni 15 mm di conduttore di protezione giallo-verde, una percentuale tra il 30% ed il 70% deve essere occupata da un colore (ad esempio il giallo) e la restante percentuale dall’altro colore (ad esempio il verde) oppure viceversa.

Il conduttore di protezione svolge una funzione molto importante e per questo la sua identificazione deve essere chiara e veloce.

Se il conduttore di protezione viene identificato tramite colore, allora, l’unico colore ammesso è la combinazione giallo-verde. In caso contrario, qualora il conduttore sia facilmente individuabile perché magari è stata utilizzata una treccia metallica, è sufficiente che l’estremità del conduttore, ovvero in prossimità del morsetto di connessione, sia presente il simbolo mostrato di seguito.

In alternativa al simbolo della terra, è possibile identificare l’estremità del conduttore di protezione con i colori giallo-verde oppure con le lettere “PE”.

Conduttore PEN

Nei sistemi TN-C le funzioni di conduttore di protezione (PE) e conduttore di neutro (N) sono unite in un unico conduttore denominato PEN. Il conduttore PEN isolato deve essere identificato in una delle seguenti maniere:

1. combinazione giallo-verde per tutta la lunghezza con marcatura blu nella parte terminale; oppure
2. colore blu con marcatura giallo verde nella parte terminale.

Conduttore di neutro

Per i circuiti che contengono il conduttore di neutro, questo deve essere di colore blu chiaro. Nel caso il circuito non presenti il neutro è possibile utilizzare il blu per parti di cablaggio. Non è possibile utilizzare il colore blu per un cavo che svolge funzione di conduttore di protezione (PE). Nella pratica, nei cablaggi con dimensioni importanti, possiamo trovare conduttore di colore blu ma di una tonalità più scura rispetto al neutro.

Raccomandazioni per altri conduttori

Per tutti i conduttori che non siano quelli di protezione o neutro non esistono prescrizioni particolari. Persiste sicuramente l’obbligo di non utilizzare nè la combinazione giallo-verde, nè il blu chiaro ma non ci sono vincoli normativi. Sussistono tuttavia delle raccomandazioni come quella di utilizzare nei conduttori di linea dei sistemi a corrente alternata, il colore marrone oppure il colore grigio oppure il colore nero.

Nella tabella seguente vediamo, riassunte, le specifiche dei colori delle singole anime per cavi multipolari.

Colori anime cavi multipolari
Numero di anime	Conduttore di protezione	Neutro	Fase	Fase	Fase
2	//			//	//
3	//	//
3				//	//
4					//
4	//
5

Nel campo delle installazioni elettriche, selezionare il cavo giusto non è solo una questione di collegare i fili. I cavi svolgono un ruolo fondamentale nel garantire che la corrente non venga solo trasmessa in un sistema elettrico, ma trasmessa in modo affidabile, senza compromettere la sicurezza delle persone o le prestazioni dell’impianto. Effettuare il corretto dimensionamento del cablaggio significa selezionare un parametro fondamentale per la buona riuscita di ogni circuito o impianto ovvero: la portata dei cavi.

Che tu stia creando una rete elettrica residenziale, cablando una centrale elettrica industriale o implementando un progetto di energia rinnovabile, la possibilità di abbinare la capacità di trasporto di corrente del cavo alle esigenze del tuo sistema è un aspetto che non si può trascurare. In questo articolo vedremo quali sono le considerazioni da fare in fase di progetto per operare una corretta selezione dei cavi elettrici .

Cos’è la portata di un cavo elettrico

La portata di un cavo elettrico è la capacità del cavo di portare corrente. La portata è un parametro critico che definisce la corrente massima che un cavo può trasportare in sicurezza senza superare la sua temperatura nominale. In termini pratici rappresenta la capacità di un cavo di condurre corrente elettrica dissipando entro limiti accettabili il calore generato durante questo processo di conduzione.

Una differenza di potenziale tra gli estremi di un cavo elettrico genera una corrente. Tale corrente fluisce attraverso il cavo ma, allo stesso tempo ne subisce la sua influenza. Questo perché un qualsiasi cavo elettrico rappresenta, per la corrente che lo attraversa, una resistenza. Il flusso di corrente attraverso il cavo dipende dalle caratteristiche del cavo e la corrente che non riesce a scorrere nel cavo viene dissipata sotto forma di calore. Se la corrente supera la capacità nominale del cavo, il calore generato può portare al deterioramento dell’isolamento, all’aumento delle perdite elettriche e, in casi estremi, comportare un rischio di incendio. Per evitare tali problemi, la portata di corrente dei cavi elettrici viene definita sulla base di fattori quali le dimensioni del conduttore, il materiale isolante, la temperatura ambiente e le condizioni di installazione.

La portata è influenzata dalle caratteristiche del cavo ed è spesso espressa in ampere. È fondamentale abbinare la portata di corrente di un cavo alle effettive richieste di carico del sistema elettrico per garantire prestazioni ottimali, sicurezza e longevità dei componenti. Questo parametro è una pietra miliare nella progettazione ed installazione elettrica e permette di gestire la corrente prevista senza compromettere l’integrità del sistema.

Da cosa dipende la portata di un cavo?

La portata di corrente di un cavo elettrico dipende da diversi fattori e la comprensione di questi parametri è fondamentale per selezionare il cavo giusto per un’applicazione specifica. Ecco i fattori chiave che influenzano la capacità di trasporto di corrente di un cavo elettrico.

• Dimensione del conduttore: i conduttori più grandi ovvero con una sezione maggiore generalmente hanno una portata di corrente maggiore perché offrono una resistenza elettrica inferiore, che riduce la generazione di calore.
• Materiale conduttore: materiali diversi mostrano resistenze diverse al flusso di corrente elettrica. Il rame e l’alluminio sono materiali conduttori comuni, con il rame che generalmente ha una conduttività maggiore rispetto all’alluminio.
• Tipo di isolamento: il tipo di isolamento che circonda il conduttore influisce sulla capacità del cavo di dissipare il calore. Diversi materiali isolanti hanno resistenze termiche e valori di temperatura diversi.
• Temperature ambientali: la temperatura dell’ambiente in cui è installato il cavo influenza la sua capacità di dissipare il calore. I cavi sono spesso classificati per condizioni di temperatura specifiche e il superamento di questi limiti può influire sulle prestazioni e sulla sicurezza.
• Condizioni di installazione: il modo in cui un cavo è installato, sia in aria libera, in condotto o interrato, influisce sulla sua capacità di dissipare il calore. È necessario seguire le linee guida di installazione fornite dai produttori per garantire una corretta dissipazione del calore.
• Fattori di declassamento: si possono applicare fattori di declassamento per la portata di corrente in base a condizioni specifiche, come raggruppare più cavi insieme o installarli in stretta vicinanza.
• Caricamento continuo o intermittente: i cavi possono avere valori di portata diversi per condizioni di carico continuo e intermittente. Il carico continuo richiede un approccio più conservativo per prevenire il surriscaldamento per periodi prolungati.
• Caduta di tensione: la caduta di tensione può svolgere un ruolo nel determinare la capacità di portata di corrente, soprattutto nei cavi lunghi. Un’eccessiva caduta di tensione può influire sulle prestazioni delle apparecchiature collegate.

Considerando attentamente questi fattori, si possono determinare la capacità di portata di corrente adeguata per un determinato cavo elettrico, garantendo che funzioni in modo sicuro ed efficiente all’interno dell’applicazione prevista.

Classificazione dei cavi elettrici

I cavi elettrici sono classificati in 4 classi: Classe 1, Classe 2, Classe 5, Classe 6. Sulla base delle caratteristiche fisiche e meccaniche se ne deriva l’applicazione prevista.

Classe	Tipo	Installazione prevista
1	Cavo costituito da un singolo filo di rame o alluminio	Installazione fissa
2	Cavo cordato costituito da più fili di rame o alluminio
5	Cavo cordato flessibile in rame	Installazioni tra parti mobili, su dispositivi o macchinari dove sono previste vibrazioni o movimenti frequenti
6	Cavo cordato flessibile in rame con caratteristiche di flessibilità superiori alla Classe 5

Tipologie di installazione dei cavi elettrici

Le diverse tipologie di installazione dei cavi elettrici sono raggruppate in 4 metodi di installazione: Metodo B1, Metodo B2, Metodo C, Metodo E.

Metodo	Descrizione	Esempio
A1	Conduttori isolati o cavi unipolari posizionati in un condotto all'interno di una parete termicamente isolata
A2	Cavi multipolari posizionati in una canalina all'interno di una parete termicamente isolata
B1	Conduttori isolati o cavi unipolari in tubo su parete in legno o muratura o distanziati da essa meno di 0,3 x diametro del tubo
B2	Cavo multipolare in tubo su parete in legno o muratura o distanziato da esso meno di 0,3 x diametro del tubo
C	Cavi unipolari o multipolari: fissati o staccati a meno di 0,3 volte il diametro del cavo da una parete di legno Cavi unipolari o multipolari: su passerella non perforata orizzontale o verticale
D1	Cavi unipolari e multipolari in tubi o in cunicoli interrati
E / F	Cavi unipolari o multipolari: su passerella non perforata orizzontale o verticale
G	Conduttori nudi o cavi senza guina su isolatori

Come dimensionare i cavi elettrici

I cavi elettrici devono essere dimensionati sulla base delle caratteristiche costruttive del cavo e sulla base dell’utilizzo previsto.

I cavi elettrici devono essere dimensionati sulla base dei seguenti parametri: Tensione nominale, Portata, Condizioni ambientali, Condizioni di installazione. In questo capitolo riassumiamo le principali considerazioni che vanno fatte nella scelta della sezione dei cavi.

Tensione nominale di un cavo elettrico

La tensione nominale di un cavo elettrico è espressa con il rapporto U₀/U. U₀ indica il valore di tensione efficace tra un conduttore isolato del cavo e la terra mentre U indica il valore di tensione efficace tra due conduttori isolati qualsiasi che compongono il cavo.

Portata di un cavo elettrico

La portata di un cavo elettrico è la massima quantità di corrente che il cavo è in grado di condurre senza danneggiare l’isolante che lo contiene. La portata dei cavi dipende dal materiale dell’isolante, dal numero dei conduttori che compongono il cavo, dal tipo di guaina e dal tipo di posa dei cavi.

Considerata una determinata tipologia di posa, la portata di un cavo elettrico (I_z)è espressa dalla seguente formula:

   

dove, considerando una specifica tipologia di posa, si definisce:

I₀: la portata in aria a 30°C del conduttore per la specifica tipologia di posa considerata;

k₁: fattore di correzione relativo alla temperatura ambiente

k₂: fattore di correzione relativo a circuiti installati in strati (circuiti realizzati con cavi su strati affiancati orizzontalmente o verticalmente ad esempio su muri, pareti, passerelle) oppure relativo a circuiti installati in fasci (circuiti realizzati tramite strati sovrapposti).

Condizioni ambientali di installazione del cavo elettrico

Per una corretta selezione di un cavo elettrico bisogna tenere conto anche delle condizioni ambientali di installazione. Di seguito le principali condizioni ambientali che possono presentarsi e di cui occorre tener conto. Ad ogni tipologia di ambiente è associato un codice alfanumerico, più alto è il numero, più gravose sono le condizioni ambientali.

• Esposizione all’acqua. Ambiente classificato dai codici AD1, AD2, AD3, AD4, AD5, AD6, AD7, AD8.
• Esposizione ad agenti corrosivi. Classificazione ambientale AF2, AF3, AF4.
• Esposizione a sollecitazioni meccaniche. Classificazione ambientale AG2.
• Esposizione a flora e/o muffa. Classificazione ambientale AK2
• Esposizione alla fauna. Classificazione AL2.
• Esposizione a temperature elevate, temperature basse, esposizione a radiazioni solari etc.

Condizioni di installazione

I cavi possono essere soggetti a sollecitazioni che dipendono dalle condizioni in cui avviene la posa in fase di installazione. In fase di posta alcune condizioni possono danneggiare le caratteristiche dei cavi tra cui:

• la temperatura di posa, ovvero la temperatura a cui il cavo può essere soggetto in fase di installazione;
• sforzo di tiro, ovvero la trazione massima che il cavo può sostenere senza che questo si giri sul proprio asse;
• curvatura, compressione e torsione.

Sezioni minime dei cavi elettrici

I cavi elettrici devono essere scelti sulla base dei requisiti di funzionamento (tensione e corrente di lavoro, tipologia di raggruppamento), dei requisiti ambientali (temperatura ambientale prevista, presenza di agenti corrosivi, sollecitazioni meccaniche in fase di installazione o rischi incendio). A partire da questi aspetti, i cavi elettrici dovrebbero essere in rame. In alternativa ai cavi in rame è possibile utilizzare cavi in alluminio. Qualora di scegliessero dei cavi in alluminio, la sezione minima deve essere di almeno 16 mm². Nella tabella seguente vediamo quali sono le sezioni minime dei cavi elettrici per conduttori in rame suddivisi per tipologia di applicazione.

Sezione minima [mm2] cavi elettrici in rame
Tipo di installazione	Applicazione	Cavo unipolare		Cavo multipolare
		Flessibile Classe 5 o 6	A filo unico (Classe 1) o cordato (Classe 2)	Due poli, schermato	Due poli, non schermato	Tre o più poli, schermato o non schermato
Cablaggi all’esterno degli involucri di protezione	Circuiti di potenza, fissi	1,0	1,5	0,75	0,75	0,75
	Circuiti di potenza, soggetti a movimenti frequenti	1,0	//	0,75	0,75	0,75
	Circuiti di comando	1,0	1,0	0,2	0,5	0,2
	Comunicazione dati	//	//	//	//	0,08
Cablaggi all’interno degli involucri	Circuiti di potenza	0,75	0,75	0,75	0,75	0,75
	Circuiti di comando	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2
	Comunicazione dati	//	//	//	//	0,08

Corrispondenza tra AWG e mm²

In vari Stati, in particolare nel Nord America, si utilizza come unità di misura della sezione dei cavi elettrici, la sigla AWG, acronimo di American Wire Gauge. AWG è un numero che indica la sezione del cavo. Più AWG è un numero alto, più il cavo ha una sezione piccola ovvero è sottile. Vediamo nella tabella seguente la corrispondenza tra le dimensioni e le sezioni dei conduttori espresse in mm² ed in AWG.

Confronto sezioni dei conduttori AWG con millimetri quadrati
Dimensioni del filo	Numero	Sezione
mm2	AWG	millimetri quadrati	pollici quadrati
0,2	/	0,196	0,000304
/	24	0,205	0,000317
0,3	/	0,283	0,000438
/	22	0,324	0,000504
0,5	/	0,500	0,000775
/	20	0,519	0,000802
0,75	/	0,750	0,001162
/	18	0,823	0,001272
1,0	/	1,000	0,001550
/	16	1,31	0,002026
1,5	/	1,500	0,002325
/	14	2,08	0,003228
2,5	/	2,500	0,003875
/	12	3,31	0,005129
4	/	4,000	0,006200
/	10	5,26	0,008152
6	/	6,000	0,009300
/	8	8,37	0,012967
10	/	10,000	0,001550
/	6	13,3	0,020610
16	/	16,000	0,024800
/	4	21,1	0,032780
25	/	25,000	0,038800
/	2	33,6	0,052100
35	/	35,000	0,054200
/	1	42,4	0,065700
50	/	47,000	0,072800

Conclusioni

In conclusione, districarsi nel labirinto del dimensionamento dei cavi elettrici non è semplicemente un esercizio tecnico; è un passo cruciale per garantire l’affidabilità, la sicurezza e la longevità dei vostri sistemi elettrici. Il corretto dimensionamento dei cavi, che dipende da fattori quali la dimensione del conduttore, il materiale, l’isolamento e le condizioni di installazione, è il fulcro che mantiene insieme l’integrità della vostra infrastruttura elettrica.

La precisione nella scelta dei cavi non è solo una questione di conformità; è uno strumento fondamentale per l’ottimizzazione del circuito che realizziamo che ne garantisce la durata e la robustezza nel tempo.