Jump to content

Il fenomeno del Load dump e le precauzioni da considerare

 Share


L'idea di scrivere un articolo su questo argomento mi è venuta dopo aver recentemente letto del caso di una Renault Clio alla quale erano comparsi diversi errori in centralina dopo che il proprietario aveva prestato soccorso ad un altro veicolo facendo ponte con i cavi sulla batteria e lasciando il motore acceso.
Prima di questo caso però mi era capitato anche di assistere ad alcuni episodi nei quali la batteria veniva scollegata a motore acceso per controllare se l'alternatore era in grado di generare corrente.

Perché queste pratiche possono rappresentare un'operazione pericolosa in un'auto moderna?

Per capirlo è opportuno fare prima un breve passo indietro per ripassare il funzionamento di un alternatore: come sappiamo è composto da un gruppo di avvolgimenti esterni detto statore e da un altro gruppo di avvolgimenti interni detto rotore che fungendo da elettromagnete generano un campo magnetico rotante.
Grazie alla modulazione dell'intensità di corrente che scorre negli avvolgimenti del rotore è possibile regolare l'intensità del campo magnetico rotante e di conseguenza anche la corrente indotta negli avvolgimenti dello statore o, se vogliamo, la tensione di uscita applicata al carico.
Grazie a questo semplice sistema è possibile mantenere costante la tensione sia rispetto ai carichi elettrici collegati che rispetto al numero di giri del motore (e di conseguenza dalla velocità con cui gira il rotore).

La modulazione della corrente nel rotore può essere gestita da un classico regolatore di tensione come negli alternatori di vecchia generazione così come da un regolatore di nuova generazione che troviamo in tutti gli alternatori intelligenti comandati dalla centralina motore; a prescindere però dalla tecnologia utilizzata ci si ritrova sempre di fronte ad un dispositivo che è potenzialmente in grado di produrre tensioni che vanno ben al di la dei nominali 12-14V e questo può avvenire in un modo molto semplice: basta disalimentare in modo brusco un carico elettrico o, per usare un altro termine, dando origine ad un “load dump”.
Nel momento in cui viene infatti scollegato un carico il regolatore di tensione dell'alternatore inizia subito a ridurre la corrente che scorre nel rotore così da diminuire l'intensità del campo magnetico e di conseguenza anche la corrente indotta negli avvolgimenti dello statore.
Per poter però dissipare l'energia accumulata nel rotore sotto forma di campo magnetico è tuttavia necessario che trascorra un certo tempo che, seppur piccolo, è di gran lunga superiore a quello virtualmente nullo richiesto per la disconnessione del carico tramite all'apertura di un interruttore o la disconnessione di un cavo.
Ne consegue che per un breve lasso di tempo l'intensità della corrente prodotta dall'alternatore continuerà a mantenersi a livelli elevati diminuendo in modo lento (dove lento va inteso in termini di decimi o centesimi di secondo) nonostante la resistenza totale del carico sia aumentata istantaneamente.
Come è facilmente intuibile dalla legge di Ohm (V = R * I), se R aumenta mentre I non diminuisce allora anche V dovrà per forza aumentare.

A quanto sopra descritto va aggiunto inoltre anche un altro elemento: dato che lo statore è anche un grosso induttore percorso da una corrente, si avrà anche un ulteriore picco di sovratensione molto breve ma intenso che si andrà a sommare a quello già descritto precedentemente (proprio come è possibile osservare quando si analizza la forma d'onda di un iniettore o di una qualsiasi altra bobina alimentata in modo impulsivo con un oscilloscopio).

L'intensità ed il tempo di smorzamento di questo transitorio non è costante ma dipende sia dall'entità del carico che viene disconnesso che dalla velocità con cui il rotore sta girando.
Nei casi più estremi l'impulso può durare fino ad alcuni decimi di secondo con una tensione che può raggiungere valori di picco molto elevati, parliamo quindi di un fenomeno che è in grado di distruggere facilmente qualsiasi circuito elettronico ed è proprio per questo motivo che tutti i sistemi elettronici che vengono installati a bordo delle automobili vengono dotati di dispositivi di protezione adeguati.

ti_SNVA681A_extract.png.ed85bad0f4b0501eb72ce22c479c817c.png

 

Esistono diverse tecniche per proteggersi da questi eventi e principalmente si basano su tecniche che possono essere applicate singolarmente o in modo combinato:

  • soppressione della sovratensione tramite dissipazione dell'energia in calore (diodi zener, mosfet, regolatori di tensione lineari, ecc.)
  • breve disconnessione istantanea del sistema di ricarica dal resto dell'impianto elettrico

Al fine di garantire la robustezza e l'efficacia dei sistemi di protezione dalle sovratensioni sono state introdotte delle normative come la ISO 7637-2 o la successiva ISO 16750-2 che prevedono severi stress test da superare (uno di questi prevede per esempio il superamento di 5 impulsi da 18V di picco e della durata di 400ms ciascuno a distanza di 1s l'uno dall'altro).

Consideriamo però a questo punto il caso di un'auto in panne: una batteria scarica è di sicuro un buon esempio di grosso carico elettrico ed ancora ben più grosso lo è un motorino di avviamento.
Una situazione di questo tipo rappresenta uno stress atipico sui sistemi elettronici di protezione dal momento che durante la normale messa in moto del motore l'alternatore non è assolutamente ancora in grado di produrre corrente.

Ecco quindi che se si deve far partire un'auto facendo ponte con i cavi l'auto che effettua il soccorso non dovrebbe mai rimanere con il motore acceso sebbene molti anni addietro fosse una pratica diffusa ed a volte pure consigliata. Infatti nel momento in cui vengono scollegati i cavi o peggio ancora ogni volta che viene disinserito il motorino di avviamento sull'auto in panne l'auto che sta prestando il soccorso sarà soggetta a fenomeni di load dump di eccezionale intensità.
Se consideriamo che questi sistemi di protezione vengono progettati per poter gestire in sicurezza la disconnesione involontaria di un morsetto della batteria (per esempio un morsetto che si allenta o che è ossidato) appare chiaro che lo scenario sopra descritto rappresenta un caso d'uso di gran lunga più severo e dovrebbe essere altrettanto evidente che se questi sistemi non dovessero reggere lo stress le componenti elettroniche di entrambe le auto potrebbero subirebbero danni seri dal momento che hanno gli impianti elettrici collegati assieme.

Si può sicuramente dire che in questi casi adottare il principio di precauzione evitando di provare a vedere fino a che punto reggono i sistema di protezione è la cosa più saggia.

Rimane comunque un operazione sconsigliabile anche quella di scollegare i morsetti della batteria su un'auto a motore acceso, e questo non tanto per l'eventuale sfiammata che si potrebbe avere nel momento in cui si scollega il morsetto (cosa comunque pericolosa di suo perché nei pressi della batteria potrebbero accumularsi piccole sacche di idrogeno) quanto piuttosto per via del load dump che si viene a generare ed in particolare se la batteria non è carica.

Non va infine sottovalutato il fatto che una batteria si comporta nel circuito elettrico dell'auto come un grosso condensatore opponendo resistenza alle rapide variazioni di tensione e svolgendo quindi una utilissima funzione di filtro delle sovratensioni.

Rimuovendo questo filtro le sovratensioni non potrebbero far altro che andare a scaricarsi sul resto dell'impianto e con tutti gli attuatori elettromeccanici che sono presenti in un'auto moderna i picchi di sovratensione sull'impianto a 12V non mancano di certo.

 

Fonti e link consigliati per ulteriori approfondimenti:

  1. Load-Dump Protection for 24V Automotive Applications – Analog Devices: https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/loaddump-protection-for-24v-automotive-applications.html
  2. Il fenomeno del load dump nel settore automotive – Applicazioni automotive: https://elettronica-plus.it/wp-content/uploads/sites/2/2009/06/20080701026_11.pdf
  3. Load dump – wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Load_dump
  4. Load Dump and Cranking Protection for Automotive Backlight LED Power Supply – Texas Instruments: https://www.ti.com/lit/an/snva681a/snva681a.pdf
  5. From Cold Crank to Load Dump: A Primer on Automotive Transients: https://www.monolithicpower.com/from-cold-crank-to-load-dump-a-primer-on-automotive-transients
  6. Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection - Vishay Intertechnology, Inc.: https://www.vishay.com/docs/49749/49749.pdf

 


apollokid
  • Like 8
  • Thanks 3
 Share


User Feedback

Recommended Comments

Questo fenomeno è lo stesso che accade durante la fase di disattivazione di qualsiasi bobina induttiva? Questo è il motivo per cui ad esempio nei relè, nei motorini elettrici ecc. che vengono pilotati da transistor o mosfet vengono inseriti dei diodi di protezione? 

Link to comment
Share on other sites

I diodi che vengono messi in parallelo (per la precisione in antiparallelo) alle bobine dei rele e più in genere ai solenoidi servono per fare in modo che l'impulso di sovratensione che si genera quando viene tolta bruscamente l'alimentazione possa scaricarsi sulla bobina stessa. La bobina viene praticamente richiusa in corto circuito su se stessa grazie al diodo ed in questo modo la tensione dello spike rimane a valori molto contenuti e non c'è il rischio che si possa danneggiare il transistor.

Questi diodi solitamente sono caratterizzati da tempi rapidi di intervento e bassa tensione di soglia tuttavia non sempre questa soluzione è la migliore. Proprio nel settore automotive ne abbiamo tutti i giorni due esempi pratici sotto agli occhi anche se magari non ci facciamo caso e sono gli iniettori e le bobine di accensione. In questi casi infatti se si decidesse di smorzare la sovratensione con un diodo normale come avviene nei rele si avrebbe l'inconveniente di far continuare a circolare a lungo la corrente nella bobina ma questo è proprio ciò che si vuole evitare perchè mentre negli iniettori ne rallenterebbe la chisura nella bobina di accensione andrebbe a comprometterne il principio stesso di funzionamento. E' infatti proprio grazie allo spike di qualche centinaio di volts sulla bassa tensione a 12V che, venendo amplificato dal trasformatore interno alla bobina, permette di raggiungere le tensioni elevate che servono per far scoccare l'arco tra gli elettrodi della candela.

 

Nel caso dell'alternatore vorrei evitare di sbilanciarmi eccessivamente perchè le mie rimembranze di fisica sono troppo arrugginite tuttavia ritengo di aver compreso che l'origine del load dump risiede nel fatto che il regolatore di tensione non riesce a rallentare in modo sufficientemente rapido il flusso di corrente nel rotore. La tensione di uscita dell'alternatore infatti dipende da due fattori:

1) la velocità con cui gira l'alternatore

2) l'intensità del campo magnetico del rotore

Siccome intensità del campo magnetico del rotore dipende dall'intensità di corrente che scorre nei suoi avvolgimenti e visto il rotore non può subire variazioni di velocità istantanee apprezzabili nel momento in cui viene scollegato il carico (per via dell'inierzia non solo dell'alternatore ma dello stesso motore), rimane solo il fatto che mentre il carico viene può esser scollegato di colpo senza problemi il campo magnetico del rotore scende lentamente e la tensione di uscita in questo caso deve salire per forza proprio in virtù della legge di Ohm richiamata nell'articolo.

 

  • Like 2
  • Thanks 1
Link to comment
Share on other sites

  • Administrator
Phoenix

Posted

17 ore fa, apollokid ha scritto:

1) la velocità con cui gira l'alternatore

Per ovviare a questo moto apparentemente non modificabile le puleggie frizionate che ora vengono montate sugli alternatori magari fungono proprio anche per questo o sbaglio?

17 ore fa, apollokid ha scritto:

visto il rotore non può subire variazioni di velocità istantanee apprezzabili nel momento in cui viene scollegato il carico (per via dell'inierzia non solo dell'alternatore ma dello stesso motore)

 

Link to comment
Share on other sites

Io direi che la puleggia a ruota libera semmai potrebbe accentuare e non attenuare questo fenomeno anche se in realtà secondo me sono proprio cose diferse, per smorzare un load dump "meccanicamente" il rotore dell'alternatore dovrebbe essere in grado di frenare all'istante perchè così facendo calerebbe anche la tensione indotta nello statore (se la corrente che scorre negli avvolgimenti del rotore rimane costante ma diminuisce la velocità del rotore diminuisce anche la tensione dell'alternatore, proprio come fanno le dinamo delle biciclette quando si pedala più piano).

La ruota libera però è nata proprio per fare l'opposto, ossia lasciare che il rotore sia un po' più libero di continuare a girare.

E' comunque il trigger che dovrebbe scatenare un ipotetico freno sul rotore è la disalimentazione di un carico e quindi qualcosa di natura elettrica e non meccanica.

  • Like 1
  • Thanks 1
Link to comment
Share on other sites



Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Add a comment...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.


×
×
  • Create New...

Important Information

This site or third-party tools used by this make use of cookies necessary for its operation and useful for the purposes described in the Cookie Policy. If you want to learn more or opt out of all or some cookies, please consult the Cookie Policy . By closing this banner, clicking on a link or continuing to browse in any other way, you consent to the use of cookies.