Bassa tensione, alta corrente: il lato elettrico dei riscaldatori a cartuccia da 9 V

Quando si considera un riscaldatore a cartuccia singola-da 9 V, le specifiche termiche di temperatura e potenza sono solo una parte del quadro. Le proprietà elettriche, che sono limitate dal fabbisogno fondamentale di bassa tensione, sono altrettanto importanti e determinano la progettazione dell'intero sistema di supporto. La legge di Ohm (P=V²/R) non è solo una teoria; è la legge che controlla il funzionamento della parte.

La principale sfida progettuale: resistenza molto bassa

Il principale problema tecnico è rappresentato dall'equazione P=V²/R. La resistenza interna (R) deve essere molto bassa affinché il wattaggio sia utile a soli 9 volt. Ad esempio:

Un riscaldatore da 50 W a 9 V necessita di una resistenza di R=V²/P=81/50=1.62 ohm​ e assorbe I=P/V=5.6 Ampere.

Un riscaldatore da 150 W a 9 V richiede solo 0,54 ohm di resistenza e utilizza molta potenza, 16,7 A.

A causa di questa resistenza molto bassa, sono necessari fili resistivi di grosso- calibro (o leghe specifiche a bassa-resistività) e un avvolgimento preciso per adattarsi all'interno di una piccola guaina senza creare cortocircuiti o punti caldi. Ciò rende il riscaldatore molto diverso da un riscaldatore ad alta-tensione che ha le stesse dimensioni e potenza.

Effetti di sistema: far funzionare le cose con corrente elevata

La bassa tensione provoca una corrente elevata che interessa ogni area dell'impianto elettrico:

Alimentazione e cablaggio: l'alimentatore deve essere in grado di fornire la corrente continua necessaria senza grandi cadute di tensione. Non solo la tensione, ma anche la portata devono essere prese in considerazione durante il dimensionamento di cavi e connettori. L'uso di cavi troppo piccoli (ad esempio, 22 AWG per un carico di 10 A) causerà un calo pericolosamente basso della tensione e il surriscaldamento dei cavi, il che sottrarrà energia al riscaldatore e lo renderà un pericolo di incendio. È necessario utilizzare cavi corti e spessi (16 AWG o più grandi).

Cambiare e controllare le parti: il criterio per scegliere il cambiamento. Quando si sceglie un relè, un contattore o un relè-a stato solido (SSR), è necessario considerare la corrente nominale continua, non la tensione nominale o la potenza totale del sistema. Un riscaldatore che funziona a 9 V e 200 W (22,2 A) utilizza più energia di uno che funziona a 230 V e 3000 W (13 A). I componenti SSR CC a bassa-corrente o i componenti CA-non sono abbastanza buoni.

Sensibilità alla caduta di tensione: il sistema è abbastanza sensibile alla resistenza extra. Se il cablaggio e i collegamenti perdono anche solo 0,5 V, la tensione ai terminali del riscaldatore diminuisce di oltre il 5,5%. Ciò significa che la potenza di riscaldamento è inferiore di circa l'11% poiché la potenza erogata è correlata al quadrato della tensione (P ∝ V²). È molto importante limitare il numero di punti di connessione e utilizzare terminazioni di alta-qualità.

Metodologia di controllo:​ La fase di commutazione della potenza deve essere eseguita con molta attenzione, anche se gli algoritmi PID rimangono gli stessi. La modulazione di larghezza di impulso (PWM) tramite un MOSFET è il modo consueto e più efficiente per farlo per i sistemi CC. Per ridurre le perdite di commutazione e la generazione di calore, il MOSFET deve avere una resistenza-molto bassa (R_DS(on)). Il circuito di controllo deve anche tenere conto della possibilità di corrente di spunto causata dal coefficiente di temperatura positivo del filo di resistenza. Ciò può portare la corrente di avviamento a freddo-a essere molte volte maggiore della corrente di stato-stazionario.

Conclusione: l'impianto elettrico viene prima di tutto

Per installare correttamente un riscaldatore a cartuccia da 9 V, devi capire che stai realizzando un sistema elettrico CC ad alta-corrente con un riscaldatore come carico. La progettazione elettrica, che comprende la sezione dei cavi, i valori nominali dei collegamenti, la capacità del quadro e l'elettronica di controllo, deve essere eseguita con lo stesso livello di attenzione dell'integrazione termica. Se non presti attenzione alle elevate-esigenze attuali, il sistema non funzionerà altrettanto bene, alcune parti falliranno e la sicurezza sarà in pericolo. Gli ingegneri possono assicurarsi che il riscaldatore riceva la potenza stabile e potente di cui ha bisogno per funzionare bene ed efficientemente seguendo le regole di base dell'elettricità fin dall'inizio.