FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
Il rischio incendio è sempre in agguato e negli ultimi decenni si sono purtroppo verificati ancora diversi tragici incidenti, nonostante una sempre maggior diffusione dei rilevatori di fumo negli edifici.
Per evitare che il fenomeno dei 'falsi allarmi' causati dai rivelatori di fumo elettronici comprometta l'intera strategia di prevenzione, inducendo gli utilizzatori a disattivarli, la normativa sui rilevatori di fumo è stata adeguata e l'evoluzione tecnologica ha portato alla possibilità di sviluppare rilevatori di elettronici molto più intelligenti ed efficaci.
Vediamo come poter realizzare un rilevatore di fumo certificato secondo le norme più recenti grazie alla componentistica elettronica di ultima generazione.
I rilevatori di fumo sono diventati di uso comune negli edifici commerciali e residenziali.
Oggi esistono due tipi fondamentali di rivelatori: il tipo a ionizzazione, che utilizza della materia radioattiva per ionizzare l'aria e controllare lo squilibrio elettrico causato dalla presenza di particelle di fumo; e il tipo fotoelettrico, che utilizza una sorgente di luce puntata con un certo angolo verso un fotorilevatore, la cui corrente misurata varia in base alla luce che viene riflessa dalle particelle di fumo presenti nelle sue vicinanze.
Sebbene sia raccomandata una soluzione combinata di entrambi i tipi, il rivelatore di fumo fotoelettrico è attualmente il più popolare, grazie alla sua maggiore affidabilità nella rilevazione dei comuni incendi domestici e ai tempi di risposta più rapidi agli incendi da combustione.
Le nuove revisioni delle norme, come ANSI/UL-217 e ANSI/UL-268, pubblicate da Underwriters Laboratory (UL), o il National Fire Alarm Code NFPA 72, pubblicato dalla National Fire Protection Agency (NFPA), mirano a risolvere alcune importanti problematiche emerse con l'utilizzo dei rilevatori di fumo fin qui utilizzati, imponendo requisiti più complessi ai moderni design dei rivelatori di fumo.
L'obiettivo di questi nuovi standard è quello di aumentare la sicurezza e diminuire il numero di decessi dovuti a incendi, riducendo il numero di falsi allarmi generati dall'attività quotidiana.
Ad esempio, oltre ai tradizionali test di sensibilità al fuoco e al fumo, l'ultima edizione dello standard UL-217 richiede ora che i rivelatori di fumo non producano un falso allarme durante eventi comuni, come la normale cottura di alimenti in cucina.
In pratica, bisogna fare in modo che il rilevatore di fumo non faccia scattare l'allarme ogni volta che si griglia un hamburger o si cuoce una cotoletta, ma allo stesso tempo che non rimanga silente se la griglia o il fornello abbiano innescato un incendio perché sono venuti a contatto con del materiale plastico infiammabile inavvertitamente lasciato nelle loro vicinanze.
Quindi, i rivelatori di fumo moderni devono essere in grado di distinguere tra un evento fastidioso in cucina e un evento di incendio.
Tradizionalmente, ciò richiederebbe l'utilizzo di una soluzione complicata con tecnologie a sensori multipli e un livello di intelligenza artificiale.
Invece, l'utilizzo di un componente elettronico specificatamente progettato per questo scopo, come ad esempio il circuito integrato ADPD188BI di Analog Devices, rende tutto ciò molto più semplice da realizzare.
Il circuito mostrato nella figura sottostante è quello di un progetto di riferimento di un rilevatore di fumo conforme alle norme UL-217 basato sul modulo ottico ADPD188BI di Analog Devices, compatibile anche con le norme UNI EN-54-7.
Il modulo ottico ADPD188BI è un sistema fotometrico completo progettato specificamente per applicazioni di rilevazione del fumo.
L'utilizzo del modulo ottico ADPD188BI al posto dei tradizionali circuiti di rivelazione del fumo realizzati con componenti discreti semplifica notevolmente la progettazione, poiché l'optoelettronica (composta da due LED e due fotorilevatori) e lo stadio d'ingresso analogico (AFE) sono già integrati all'interno di un componente monolitico.
Per effettuare il rilevamento del fumo, l'ADPD188BI utilizza una tecnica a doppia lunghezza d'onda: due LED integrati emettono luce a due diverse lunghezze d'onda; uno a 470 nm (luce blu) e l'altro a 850 nm (luce infrarossa).
Questi LED emettono degli impulsi in intervalli di tempo indipendenti, e la luce emessa viene riflessa nuovamente verso sul dispositivo dalle particelle di particolato presenti nell'aria.
Due fotorilevatori integrati ricevono quindi la luce diffusa dalle particelle di particolato e producono livelli proporzionali di corrente in uscita, che vengono convertiti internamente dal blocco analogico AFE in codice digitale.
Supponendo che la potenza ottica dei LED sia mantenuta costante, un aumento dei valori di uscita riportati dal circuito integrato ADPD188BI nel tempo indica un aumento o un accumulo di particelle trasportate dall'aria.
La norma UL-217 richiede che i rivelatori rispondano a diversi tipi di incendio e di fumo entro una specifica finestra di tempo e di offuscamento.
Ad esempio, un incendio dovuto alla combustione di materiale legnoso deve essere rilevato entro 4 minuti.
Tuttavia, gli effetti del fumo dovuti alla cottura di un hamburger provocano naturalmente un offuscamento, che va distinto da un evento di incendio, entro tempi e valori di tolleranza definiti nella norma.
Nel progetto di riferimento CN-0537 proposto da Analog Devices, queste specifiche sono soddisfatte analizzando i dati di uscita del fotorivelatore blu e a infrarossi del modulo ottico ADPD188BI attraverso un algoritmo di rilevazione del fumo che tiene conto del diverso andamento nel tempo dei livelli di offuscamento rilevati.
La maggior parte dei rivelatori di fumo disponibili sul mercato utilizzano camere di rilevazione fumo per aiutare a respingere la luce ambientale, ridurre l'inquinamento luminoso interno e minimizzare il rischio che insetti o ragni interferiscano con le letture.
Il modulo ottico ADPD188BI utilizza una camera di rilevazione fumo proprietaria progettata specificamente da Analog Devices per soddisfare i requisiti del modulo sensore e dell'industria.
La geometria interna di questa camera rilevazione fumo consente le di ottenere elevati valori del rapporto segnale/rumore (SNR) e valori ottimali del rapporto di trasferimento di potenza ottica (PTR) dal modulo ADPD188BI.
La progettazione meccanica è stata qualificata utilizzando prove di sollecitazione specificate dagli standard industriali, come JESD22-A101, JESD22-A103, JESD22-A104, UL-217, UL-268, EN-54 e AEC-Q100.
La camera è anche significativamente più piccola della maggior parte delle soluzioni esistenti a causa delle dimensioni ridotto del modulo ottico ADPD188BI rispetto ai rivelatori di fumo discreti.
Le dimensioni esterne sono di appena 36 mm attraverso le estremità delle sue due grandi flange e, che lascia un'area interna libera di 109,36 mm2 sotto di essa. I design delle camere di fumo convenzionali sono incompatibili con il modulo ottico ADPD188BI, perché l'optoelettronica integrata utilizza un sistema di retrodiffusione (backscattering) in contrasto con il sistema di diffusione in avanti (forward scattering) utilizzato dai rivelatori di fumo tradizionali.
Un'altra considerazione per il progetto del circuito è l'effetto della condensazione sulle letture del sensore ADPD188BI. La rugiada e la condensa possono formarsi sulla superficie interna della camera, causando la dispersione della luce.
La diffusione della luce dovuta alla condensa appare come fumo al sistema, ed è particolarmente problematica nelle regioni tropicali più umide del mondo, dove la formazione di condensa è un evento molto comune.
Per attenuare l'effetto della condensazione, intorno al modulo ottico vengono posizionate delle resistenze di riscaldamento, che hanno lo scopo di dissipare il calore sufficiente per eliminare la formazione di rugiada in caso di necessità.
Quando si selezionano le resistenze a questo scopo, è necessario un compromesso tra l'aumento di temperatura desiderato e la corrente assorbita dalla fonte di alimentazione del rilevatore di fumo.
Analog Devices ha realizzato un progetto di riferimento completo e un algoritmo di ottimizzazione che consentono di prototipare rapidamente i progetti di rivelatori di fumo di formato compatto, a basso consumi e fabbricabili a costi contenuti.
Il progetto di riferimento CN0537 riduce i rischi di progettazione ed è stato verificato per soddisfare le specifiche dell’ottava edizione della norma UL 217 Standard for Smoke Alarms.
Il progetto utilizza il sensore ottico ad alte prestazioni ADPD188BI di Analog Devices, combinato con una camera fumo di precisione per ridurre i falsi allarmi.
Le caratteristiche principali del progetto di riferimento CN0537 includono:
