Confronto delle tensioni: quando mettere a terra un alimentatore flottante

Esiste un ampio dibattito, e forse persino qualche leggenda, sull’opportunità di utilizzare alimentatori “con messa a terra” o “flottanti” nei sistemi di strumentazione, acquisizione dati e controllo. La scelta di mettere a terra o lasciare flottante un alimentatore è talvolta chiaramente stabilita dal National Electrical Code (NEC), mentre in altri casi è lasciata alla discrezione degli ingegneri di sistema.

Lo scopo di questo articolo tecnico non è fornire una risposta per ogni possibile situazione di messa a terra, ma evidenziare alcune delle considerazioni che devono guidare la decisione. Si tratta più di imparare quali domande porsi che di fornire risposte dirette.

 

Figura 1. La scelta di mettere a terra o lasciare flottante un alimentatore non è sempre chiara nel NEC. Immagine utilizzata per gentile concessione di Adobe Stock

Punti chiave:

• Consultare innanzitutto il NEC o le altre normative locali.
• La messa a terra migliora la sicurezza dei sistemi di alimentazione e questo può valere anche per i sistemi a 24 volt.
• La messa a terra fornisce una tensione definita per tutti gli alimentatori del sistema.
• L’isolamento dei sistemi (o il loro funzionamento flottante) può garantire sicurezza nei circuiti sensibili.
• La messa a terra dei circuiti può causare, in alcuni casi, anelli di massa e interferenze elettromagnetiche (EMI).

 

Normative NEC sulla messa a terra

Prima di decidere se utilizzare un sistema con messa a terra o flottante, gli ingegneri di sistema devono consultare il NEC, poiché stabilisce gli standard legali relativi a quali dispositivi devono essere messi a terra e in che modo, oppure lasciati senza messa a terra. I sistemi che non rispettano il NEC costituiscono gravi violazioni della sicurezza e possono causare decessi sul lavoro, lesioni, danni alle apparecchiature o sanzioni.

Il NEC viene aggiornato ogni tre anni; la versione più recente è quella del 2023.

 

Vantaggi di mantenere un alimentatore con messa a terra

Sebbene questo articolo non intenda essere un’introduzione completa alla messa a terra né affrontare la domanda filosofica “che cos’è la terra?”, è importante capire perché i sistemi vengono messi a terra. In questo articolo si parlerà soprattutto di messe a terra del telaio, in cui le coperture metalliche dei dispositivi sono collegate elettricamente. Questi collegamenti possono essere realizzati tramite fili, trecce, nastri o barre di rame, guide DIN o altri collegamenti analoghi. I veicoli utilizzano la messa a terra del telaio per garantire un percorso sicuro verso il terminale negativo della batteria, senza tuttavia condurre corrente verso la terra fisica esterna.

I sistemi con messa a terra sono quelli in cui tutti i componenti sono collegati tra loro e condividono un nodo comune. Nei sistemi con messa a terra si presume che non vi sia caduta di tensione sui cavi di collegamento o sul telaio e che tutti gli elementi del sistema possano utilizzare questa massa condivisa come punto di riferimento per le misure di tensione.

Per approfondire ulteriormente il concetto di messa a terra, specificare la “terra” o, in molte aree geografiche, semplicemente il “collegamento a terra”, implica che la massa sia collegata a un dispersore fisico esterno alla struttura.

 

Figura 2. Messa a terra del telaio. Si noti la presenza di più collegamenti elettrici alla scatola in acciaio del dispositivo. Immagine utilizzata per gentile concessione di Wikimedia Commons

 

Messa a terra per la sicurezza sul luogo di lavoro

Le masse sono spesso collegate al telaio di un dispositivo. In questo modo, se si verifica un cortocircuito interno verso il telaio, la corrente può fluire direttamente a terra. In genere, questo fa scattare un interruttore o brucia un fusibile, interrompendo completamente il flusso di corrente.

Il motivo più comune per collegare tra loro le masse è prevenire pericolose scosse elettriche. In generale, se un’apparecchiatura si trova a portata di qualsiasi percorso conduttivo verso la sorgente, dovrebbe essere collegata a terra. Se le masse non sono collegate tra loro, tra due macchine può esserci una differenza di tensione. Se un operatore tocca due punti conduttivi e la differenza di potenziale è sufficientemente elevata, può ricevere una pericolosa scossa elettrica.

 

Figura 3. Un dispositivo a 24 V collegato alla terra (a sinistra) accanto a un alimentatore flottante a 24 V (a destra), impostato su un livello arbitrario di 36 V.

 

Consideriamo due dispositivi a 24 V a portata di mano l’uno dall’altro. Un dispositivo è collegato alla terra, il che significa che la tensione (+) è pari a 24 V assoluti. L’altro telaio ha perso il collegamento a terra. Al contrario, un altro sistema di alimentazione (o una tensione indotta) ha portato il potenziale dell’intero sistema a 36 V sopra il livello di terra.

Nel secondo sistema potrebbe esserci ancora una tensione di soli 24 V ai capi dei componenti, ma in realtà ora ci sono 60 V tra la parte superiore di questo alimentatore e la terra. Questo è un esempio di alimentatore “flottante”.

Se qualcuno toccasse il telaio del primo e del secondo dispositivo, anche se entrambi DOVREBBERO essere a zero volt rispetto alla terra, il secondo sistema si troverebbe a 36 V in più. L’operatore riceverebbe una scossa.

 

Vantaggi dei sistemi di alimentazione senza messa a terra

Due vantaggi dei sistemi flottanti sono la capacità di isolare le apparecchiature e il potenziale di ridurre il rumore sulle linee dei segnali dei sensori.

 

Il problema di trovare una massa comune

Sebbene collegare a terra un’estremità di tutte le apparecchiature offra dei vantaggi, talvolta non è pratico.

Consideriamo una grande installazione di sensori di monitoraggio su un ponte. I sensori monitorano piccole variazioni di resistenza degli estensimetri per garantire che il ponte si comporti in modo prevedibile durante l’uso normale e sotto l’azione del vento. Spesso questi estensimetri sono collegati tramite un ponte di Wheatstone per misurare una piccola variazione di tensione quando il ponte è sottoposto a deformazione. Poiché questa tensione è ridotta, mentre la distanza che i segnali devono percorrere può essere notevole, una massa comune potrebbe non essere davvero “comune”: la tensione in un punto qualsiasi lungo questi cavi di massa dei sensori potrebbe non essere pari a zero. Tali anelli di massa possono compromettere gravemente sensori calibrati con attenzione. In questo caso, potrebbe essere preferibile assicurarsi che ogni sensore sia isolato da una massa comune, misurando solo la variazione di tensione (e quindi la resistenza e, di conseguenza, la deformazione) ai capi dell’estensimetro stesso.

In questa prospettiva, un cavo lungo può comportarsi come un’antenna, anche se un’estremità sembra collegata a terra. Di conseguenza, questo lungo cavo-antenna può assorbire ogni tipo di interferenza a radiofrequenza (RFI), causando ulteriori differenze di “massa”. Questi fenomeni possono essere particolarmente difficili da diagnosticare, poiché cambiano nel tempo e possono essere intermittenti, a seconda della sorgente dell’RFI.

 

Figura 4. I trasformatori di isolamento sono efficaci nel filtrare i segnali ad alta frequenza. Immagine utilizzata per gentile concessione di Wikimedia Commons

 

Isolamento elettrico

L’isolamento offre inoltre vantaggi nel limitare i picchi di alta tensione e i segnali impulsivi. Torniamo all’esempio del ponte: immaginiamo un gruppo di sensori e hardware per l’acquisizione dati, tutti collegati tramite una massa comune. Poi, come accade frequentemente, il ponte viene colpito da un fulmine. Sebbene molte strutture di questo tipo dispongano di sistemi di protezione contro i fulmini, questi non sono perfetti. Improvvisamente, la “massa” subisce un picco istantaneo fino a 100.000 V. Tutto ciò che si trova in questo sistema sarà polarizzato inversamente per un valore pari a 100.000 V meno la tensione presente sul lato positivo. È molto probabile che i dispositivi collegati a questa massa vengano distrutti.

L’esempio del fulmine dimostra bene l’utilità dell’isolamento nelle grandi installazioni all’aperto di hardware per sensori. Supponiamo che, invece di collegare tutti questi dispositivi tramite una massa comune, il sistema di acquisizione dati e l’alimentatore siano lasciati flottanti e collegati tramite un trasformatore di isolamento. In questo caso, è meno probabile che il picco di tensione danneggi l’hardware più costoso. I trasformatori (e, a questo proposito, anche gli induttori) sono efficaci nel filtrare i segnali ad alta frequenza, inclusi gli impulsi; ciò significa che il picco di tensione verrà attenuato prima di raggiungere nuovamente l’hardware protetto.

 

Flottante o non flottante?

Nel rispetto dei limiti normativi stabiliti dal NEC, l’ingegnere dispone di una certa flessibilità nel progettare o modificare ciascun sistema in base alle esigenze specifiche. I sistemi di grandi dimensioni con cavi lunghi traggono spesso vantaggio dai collegamenti flottanti, poiché gli anelli di massa possono essere inevitabili e i picchi di tensione sono più frequenti. I sistemi più compatti, soprattutto quelli che potrebbero essere collegati facilmente o accidentalmente, dovrebbero condividere una massa comune.