SOPPRESSORI DI SOVRATENSIONI
INDICE
1.
INTRODUZIONE
2.
RIFERIMENTI
3.
LE SOVRATENSIONI TRANSITORIE
4.
LE CAUSE PRINCIPALI DELLE SOVRATENSIONI
5.
PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE SOVRATENSIONI
6.
PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE PROTEZIONI
7.
CARATTERISTICA DEGLI SPD
8.
DISPOSITIVI IN COMMERCIO
9.
IL NUOVO SISTEMA DI PROTEZIONE
10. APPLICAZIONI E VANTAGGI
11. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI PROTEZIONE e MONITORAGGIO
INVECCHIAMENTO
12. SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI DISPOSITIVI ELETTRONICI
13. APPLICAZIONI CIVILI-INDUSTRIALI
3
INTRODUZIONE
•
L’affidabilità dei componenti elettronici ha permesso in pochi anni di
conseguire elevatissimi livelli di affidabilità per dispositivi e sistemi
elettronici.
•
A fronte di questi miglioramenti tecnologici e produttivi, i dispositivi
e i sistemi immessi sul mercato non sempre trovano riscontro in
un altrettanto ridotto tasso di guasto.
Questo aspetto è particolarmente importante e delicato non solo per
la continuità del servizio che, nel settore ferroviario è vitale, ma
anche per l’attività di manutenzione preventiva e straordinaria, per
la gestione e l’allocazione logistica delle parti di scorta e più in
generale per il controllo dello stato dei sistemi elettronici.
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RIFERIMENTI
•
•
•
•
EN50155 (CEI 9-30) – Applicazioni ferroviarie – Equipaggiamenti
elettronici utilizzati sul materiale rotabile
EN61000-4-5 Electromagnetic compatibility (EMC) -- Part 4-5:
Testing and measurement techniques - Surge immunity
CEI EN 61643-11 - Class. CEI 37-8 Limitatori di sovratensioni di
bassa tensione
Parte 11: Limitatori di sovratensioni connessi a sistemi di bassa
tensione - Prescrizioni e prove
Norma It. CEI EN 60099-4 - Class. CEI 37-2 - CT 37 – Scaricatori
Parte 4: Scaricatori ad ossido metallico senza spinterometri per
reti elettriche a corrente alternata
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LE SOVRATENSIONI TRANSITORIE
Le sovratensioni transitorie sono costituite da picchi di tensione che si
propagano sulla linea di alimentazione ( mono/trifase) di durata inferiore a
1ms con ampiezza che può raggiungere 20 volte la tensione nominale di
alimentazione.
Senza dispositivi di protezione (SPD) le sovratensioni raggiungono l’apparato
collegato linea di alimentazione che viene attraversato da tutta la corrente.
Nella migliore delle ipotesi lo stress elettrico provoca una riduzione
della vita utile del dispositivo indebolendolo. Nei casi peggiori ne
provoca il fuori servizio per guasti interni.
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INTRODUZIONE: LE SOVRATENSIONI TRANSITORIE
BACK
I soppressori di sovratensioni limitano queste sovratensioni
scaricando l’energia verso terra.
I soppressori sono di norma costituiti da dispositivi non
lineari che si comportano come un circuito aperto in
condizioni di normale funzionamento e di un circuito a
bassa impedenza quando è presente una
sovratensione.
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LE CAUSE PRINCIPALI DELLE SOVRATENSIONI
FULMINI
Un fulmine può avere un effetto distruttivo o disturbare il
funzionamento delle apparecchiature elettriche a Km di distanza dal
punto in cui il fulmine è caduto.
Durante un temporale , le linee aeree possono trasmettere gli effetti di
una fulminazione alle apparecchiature collocate all’interno degli
edifici.
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LE CAUSE PRINCIPALI DELLE SOVRATENSIONI
•
I parafulmini installati sopra gli edifici come protezione, possono aumentare
il rischio di danneggiare le apparecchiature all’interno e/o nelle vicinanze
dell’edificio. Questo perché il funzionamento del parafulmine si basa sulla
scarica a terra della corrente della fulminazione . Questa corrente provoca
però un innalzamento momentaneo del potenziale elettrico della zona di
scarica. Questo innalzamento provoca delle sovratensioni che si
propagano tramite la Terra di Protezione in modo diretto o indotto alle
apparecchiature elettriche.
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LE CAUSE PRINCIPALI DELLE SOVRATENSIONI
LE COMMUTAZIONI SUI QUADRI
Le commutazioni on/off dei trasformatori, dei motori
elettrici e in generale degli induttori, le variazioni
repentine di carico, accensioni, spegnimenti delle
distribuzioni,.. provocano sovratensioni che possono
raggiungere le apparecchiature elettriche. Tanto più
vicina è la sorgente di disturbo, tanto maggiore sarà
l’effetto sugli apparati.
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LE CAUSE PRINCIPALI DELLE SOVRATENSIONI
•Disturbi EMC (SEMP)
Questi disturbi di ampiezza e frequenza diversi, sono iniettati direttamente
dall’utente o dalle altre apparecchiature. Esempi sono costituiti da:
1.Saldatrici;
2.Contattori;
3.Commutazione di Interruttori;
4.Partenza motori elettrici;
5.Commutazione di tiristori, ecc..
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PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE SOVRATENSIONI
FORME D’ONDA 10/350us & 8/20us
Le fulminazioni possono essere suddivise in due categorie con
riferimento al modello della forma della corrente che viene usata
rappresentarla. Queste forme sono definite dalla normativa
EN61643-11
- Scarica diretta: impulso di corrente lungo 10/350us
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PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE SOVRATENSIONI
- Scarica indiretta (8/20us) : rappresenta una fulminazione smorzata
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PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE SOVRATENSIONI
MASSIMA CORRENTE Imax o Iimp
Imax è il valore di corrente massimo della forma 8/20.
Iimp è il valore massimo di corrente della forma 10/350
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PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE PROTEZIONI
Scopo della protezione è di scaricare l’energia
della sovratensione verso terra limitando la
sovratensione residua a valori tollerabili dai
dispositivi collegati alla rete.
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PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE PROTEZIONI
Tensione di protezione Up:
- Valore residuo di tensione che comunque raggiunge il carico
quando la protezione è percorsa dalla scarica di corrente
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PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE PROTEZIONI BACK
• Corrente di scarica nominale In
Corrente di cresta che il dispositivo sopporta con forma 8/20. Il Tipo 1 (VDE classe B) e
il Tipo 2 (VDE classe C) devono sopportare 15 impulsi di scarica a In secondo
IEC61643-11
• Massima Tensione operativa Uc
Massima tensione efficace o continua che può essere applicata alla protezione in
condizioni di normale esercizio. E’ pari alla tensione nominale del dispositivo e deve
considerare le tolleranze di linea.
• Sovratensione temporanea Ut
Massima tensione in valor efficace o in continua che il dispositivo può tollerare per una
durata specificata. In caso di guasto ,dopo l’applicazione della sovratensione,non
devono presentarsi condizioni di pericolo per il personale, il dispositivo o
l’applicazione.
• Corrente di dispersione
E’ la corrente che attraversa il dispositivo a riposo, cioè nelle condizioni di alimentazione
nominali senza presenza di sovratensione
• Frequenza di funzionamento (insertion loss)
È la frequenza massima che il dispositivo può tollerare senza surriscaldarsi e/o
distorcere l’alimentazione/il segnale di ingresso
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DISPOSITIVI IN COMMERCIO
• Spark-gaps in aria e a carbone
Gli spark-gaps in aria, sono generalmente collegati fra
terra e linea nei punti in cui è probabile una scarica a
terra a causa di un’extra tensione. Il livello di protezione
è funzione della distanza in aria degli elettrodi ma anche
dalle condizioni ambientali. Sono poco costosi ma le
prestazioni possono ridursi notevolmente dopo diversi
inteventi e richiedono la sostituzione.
Gli spark-gaps al carbone sono simili nel funzionamento
a quelli in aria ma elevate scariche elettriche possono
vaporizzare il carbone con conseguente variazione delle
prestazioni.
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DISPOSITIVI IN COMMERCIO
•Tubi a scarica a gas (GTD) I GTD superano le
limitazioni dei dispositivi precedenti sigillando il dispositivo
e rendendolo insensibile alle variazioni ambientali.
Presentano una elevata dispersione delle caratteristiche di
protezione.
Sono impiegati per le fulminazioni dirette di alta energia
per una prima protezione grossolana a cui far seguire un
successivo stadio di protezione fine.
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DISPOSITIVI IN COMMERCIO
•Zener Trisil Transil SCR (TVS) Sono disponibili allo stato
solido in un grande range di tensioni e sono in grado di
garantire precisione e ripetitibilità.
Non sono in grado di sopportare energie elevate se non
per durate contenute e comunque di costo elevato. In
questo caso le elevate capacità di giunzione determinano
notevoli perdite per inserzione
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DISPOSITIVI IN COMMERCIO BACK
Varistori - Metal oxide varistors (MOV) I varistori sono in assoluto i
dispositivi maggiormente usati in commercio per la protezione delle
apparecchiature elettriche collegate alla rete. Ad essi comunemente ci si
riferisce con il termine SPD. Sono costituiti da polveri sinterizzate (ZnO).
Pur capaci di assorbire elevate energie, non sono però in grado di assorbire
interamente l’energia di fulminazione che pertanto si propaga verso il carico.
Hanno correnti di leakage elevate con conseguenti perdite. Questo ne limita
l’impiego alle basse frequenze o in DC.
Il loro comportamento non-lineare e i fenomeni di invecchiamento non
consentono di avere precisione e ripetitibilità della tensione di protezione Up
nel tempo.
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IL NUOVO SISTEMA DI PROTEZIONE
E’ in grado di offrire i seguenti vantaggi rispetto alla attuale
tecnologia a varistori:
1. protezione di modo comune e differenziale sulla linea di alimentazione
contro le fulminazioni, conservando la sovraelongazione residua inferiore a
540Vpk controllabile, contro 1kV – 1,5KV delle soluzioni a varistori a parità di
sollecitazione impressa);
2. correnti di dispersione di pochi micro-A limitando al minimo la dissipazione
interna contro qualche milli-Amp dei varistori , permettendone l’impiego in
ambienti che richiedono basse correnti di dispersione;
3. le bassissime perdite di inserzione ne permettono l’impiego anche a medie
frequenze che risultano per contro proibitive ai varistori );
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IL NUOVO SISTEMA DI PROTEZIONE
4.
possibilità di monitoraggio dell’invecchiamento del dispositivo e della sua
tensione di protezione, a differenza dei varistori che tendono a perdere nel
tempo e con le sollecitazioni, l’efficacia della tensione di protezione
senza possibilità di monitoraggio;
5.
Possibilità di impiego in impianti IT e non solo TN, TN-S(C), TT (con
soglie diverse di protezione)
6.
possibilità di estendere la tecnologia non solo all’alimentazione da rete ma
anche alle reti dati /fonia pur conservando lo stesso livello di protezione
energetica a differenza dei varistori che non possono essere impiegati a
causa delle elevate perdite di inserzione. In queste applicazione
attualmente si utilizzano dispositivi allo stato solido con capacità di
protezione molto inferiore.
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APPLICAZIONI E VANTAGGI
L’impiego di questa nuova tecnologia è efficace per:
1. Migliorare la robustezza e l’affidabilità del dispositivi
alimentati rimuovendo la causa principale del fenomeno di
invecchiamento dei dispositivi elettronici: le sovratensioni
sull’alimentazione;
2. Impianti disturbati da sovratensioni elettriche;
3. Ambienti che richiedono bassissime correnti di dispersione;
4. Ambienti che richiedono bassa dissipazione termica sui
componenti;
5. Installazioni che richiedono il monitoraggio del livello di protezione
verso il carico e non solo l’eventuale guasto del dispositivo
24
APPLICAZIONI E VANTAGGI
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI
PROTEZIONE e MONITORAGGIO INVECCHIAMENTO
Logicamente il circuito può essere così rappresentato così:
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI
PROTEZIONE e MONITORAGGIO INVECCHIAMENTO
• All’arrivo della fulminazione, alla tensione Vtresh , viene
attivato il circuito di rilevazione che chiude lo switch ad
alta energia su un carico resistivo non lineare costituito
da varistori in grado di sopportare, in un processo
adiabatico, elevate energie. L’impulso di corrente 8/20us
viene assorbito quasi interamente e il residuo di
sovratensione che raggiunge il carico è innocuo.
L’induttanza parassita del circuito e la capacità dispersa
dello switch, risuonano nel circuito RLC-serie aiutando
lo spegnimento dello switch e re-iniettando in linea
questa energia.
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI
PROTEZIONE e MONITORAGGIO INVECCHIAMENTO
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI
PROTEZIONE e MONITORAGGIO INVECCHIAMENTO
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI
PROTEZIONE e MONITORAGGIO INVECCHIAMENTO
•CIRCUITO DI CONTROLLO INVECCHIAMENTO
E’ questa sicuramente l’altra novità che differenzia questo dispositivo
da tutti quelli presenti sul mercato: la possibilità di monitorare
l’invecchiamento ed effettuarne preventivamente la sostituzione.
Questa possibilità non è disponibile in nessun componente sul
mercato se non in caso di distruzione del componente per sovratempeteratura.
Lo stesso circuito, con opportune integrazioni per la comunicazione in
rete, può essere usato per contare il numero delle sovratensioni in
cui è intervenuto e fornire lo storico della “qualità “ della rete in
cui lavorano le apparecchiature.
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO DI PROTEZIONE
e MONITORAGGIO INVECCHIAMENTO BACK
Contrariamente a quello che può si può immaginare il circuito che
subisce il fenomeno di invecchiamento più pesante il varistore. Lo
switch viene dimensionato per correnti >20.000Amp, molto superiori
alle normali portate in gioco, per cui un suo guasto è di natura
meccanica (rottura meccanica del supporto).
E’ importante monitorare l’invecchiamento del varistore. Per far questo
si sfrutta il processo di invecchiamento del componente che, in seguito
alle fulminazioni, aumenta la sua impedenza riducendo il potere di
protezione. Quando viene attraversato da una corrente molto superiore
alla sua portata , il componente entra in un processo di thermal-runway
che ne provoca l’esplosione.
In entrambi i casi il circuito rileva la variazione dell’impedenza e
segnala l’anomalia, normalmente nella forma visibile di un led-rosso
ma potrebbe essere una segnalazione remota.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
•
•
•
•
L’affidabilità dei componenti elettronici e dei processi produttivi ha
permesso in pochi anni di conseguire elevatissimi livelli di
affidabilità per dispositivi e sistemi elettronici.
E’ diventato abbastanza comune per i componenti sia attivi che
passivi parlare di processi 6sigma, cioè con tasso di guasto di
3,4ppm, se non migliori.
A fronte di questi miglioramenti tecnologici e produttivi , i dispositivi
e i sistemi immessi sul mercato non sempre trovano riscontro in un
altrettanto ridotto tasso di guasto.
Questo aspetto è particolarmente importante e delicato non solo
per la continuità del servizio che in alcuni settori è vitale, quanto per
l’attività di manutenzione ordinaria e straordinaria dei siti, per la
gestione e l’allocazione logistica delle parti di scorta e più in
generale per il controllo dello stato degli impianti.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
In generale quattro sono le modalità per migliorare affidabilità e
robustezza dei sottoassiemi e dei sistemi elettronici
•Aumentare la robustezza intrinseca dei componenti e
sottoassiemi. Ciò è conseguibile realizzando con un giusto
compromesso fra costi, dimensioni, peso e disponendo di
materiali/componenti più robusti;
•Ridurre lo stress medio delle sollecitazioni. Lo stress a cui
possono essere sottoposti i sottoassiemi può essere ridotto senza
compromettere apprezzabilmente le prestazioni;
•Contenere la variazione delle sollecitazioni. Il contenimento delle
sollecitazioni è difficilmente controllabile. Il metodo più semplice è
imporre limiti nell’impiego dei dispositivi/sistemi;
•Limitare la variazione nella robustezza dei componenti eliminando
all’origine tramite test e/o screening i componenti/sottoassiemi più
deboli.
CONCENTREREMO L’ATTENZIONE SUL SECONDO PUNTO
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
La zona di intersezione è la zona di inaffidabilità, cioè la condizione in cui la
tenuta risulta inferiore alla sollecitazione e determina il guasto.
L’invecchiamento modifica nel tempo la curva di distribuzione della tenuta dei
componenti rendendoli più deboli . Graficamente, l’invecchiamento sposta a
sinistra la curva di distribuzione della tenuta alla sovratensione.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
• Requisito fondamentale delle protezioni è
pertanto di confinare eventuali sovratensioni
all’interno della distribuzione di stress tollerabili
dai componenti. Nel tempo la protezione,
soggetta a sollecitazioni, degrada esponendo
sempre di più l’apparato alle sollecitazioni
dell’ambiente esterno.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
• Al più tradizionale grafico della “bathtub” per la
descrizione della previsione di affidabilità, ne
proponiamo uno con riferimento all’affaticamento del
sistema elettronico in funzione dello stress per
sovratensione.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
• L’endurance-limit rappresenta il limite ideale di
sollecitazione che il sistema può tollerare in tutto il ciclo
di vita tenuto conto dell’invecchiamento (legge di
Arrhenius del degrado con la Temperatura , legge
Halberg-Peck per l’ Umidità) in assenza di sovratensioni
e di altri fenomeni imprevedibili (manomissioni,
imperizia, eventi straordinari,..).
L’effetto delle sovratensioni è di avvicinare nel tempo
la condizione di guasto (Time-To-Failure).
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
• Quanto influisce o potrebbe influire il fenomeno delle
sovratensioni sul tasso di guasto in campo dei dispositivi
e sistemi elettronici ?
Dalla failure-analisys dei componenti, risulta che la rottura
per sovratensione occupa oltre la metà dei guasti in un
design correttamente dimensionato avendo applicato un
adeguato derating.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI DISPOSITIVI ELETTRONICI
FORMULA GENERALE DEL DEGRADO DEL COMPONENTE:
Dalla formula, si nota che il fattore accelerante il degrado AF, dipende
oltre che dalla temperatura, dalla tensione a cui viene sottoposto
secondo una legge esponenziale.
Micro-stress di breve durata possono pertanto incidere pesantemente
sulla vita attesa dei componenti
Voler ridurre il tasso-di-guasto imponendo un derating più restrittivo
ai componenti, sarebbe costoso e soprattutto, in molti casi, inutile!
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI DISPOSITIVI ELETTRONICI
Consideriamo ora come esempio, una comune scheda digitale a
microprocessore in ambito industriale .
• Cod.: 53AXXXXXX
• N. componenti elettronici : 395
• Tecnologia: SMD+THT
• Previsione di affidabilità:
• METODO DI CALCOLO: TELCORDIA SR-332
• MODELLO DI PREVISIONE: SERIALE
• MODELLO DI CALCOLO: Parts Count
• AMBIENTE : GB
• TEMPERATURA: 25°C
• DT: 5°C
• MTBF: 398.569hrs
• AFR(Annual Failure Rate):2,9%
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI
• Il tasso di guasto in campo è risultato più che doppio
nonostante il funzionamento non continuativo della
macchina , in questo caso un azionamento.
• Dalla failure-analisys dei componenti risulta che la
rottura per sovratensione occupa oltre metà dei guasti.
• La verifica di progetto ha confermato che il de-rating
sulle tensioni dei componenti è più che adeguato per
l’applicazione, l’approvvigionamento dei componenti
avviene da fornitori qualificati, il processo produttivo è
attento alla movimentazione dei componenti per evitare
rischi ESD durante le operazioni di picking, placing,
soldering , testing e packaging, il servicing viene fatto da
personale qualificato.
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SOVRATENSIONI E TASSO DI GUASTO DEI
DISPOSITIVI ELETTRONICI BACK
Il front-end di scheda utilizza MOV
Tre sono gli aspetti che limitano la capacità di protezione
dei MOV, pur capaci di assorbire elevate energie:
• - la tensione di protezione a cui intervengono è troppo
elevata per i dispositivi a valle:
• - questi componenti perdono progressivamente, con le
ripetute sollecitazioni, la capacità di protezione, cioè la
tensione di protezione aumenta esponendo di più il
sistema;
• - la tensione di protezione dei MOV non è monitorabile.
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GRAZIE DELL’ATTENZIONE !
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