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1
Elettronica di potenza
Alimentatori
2
Contenuto dell’unità
Specifiche degli alimentatori
Struttura di un alimentatore da rete
Esempi di progetto di alimentatori
3
Introduzione
Gli alimentatori sono apparati che trasformanol’energia elettrica proveniente da una sorgente(rete di distribuzione dell’energia elettrica,batteria), nel formato richiesto da un utilizzatore.Compiti dell’unità sono:
Descrivere le specifiche e le normative checaratterizzano un alimentatore.Studiare la struttura tipica di un alimentatore darete. Verificare, mediante esempi, i vantaggi e gli
svantaggi delle diverse strutture esaminate.
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4
Alimentatori
Specifiche degli
alimentatori
5
Contenuto della lezione
Specifiche elettriche
Tensioni e correnti d’ingresso/uscita
Potenza, protezioni
Altre specifiche: ambientali, meccaniche, diaffidabilità e sicurezza
6
Introduzione
Nel progetto di alimentatori occorre tenere contodi diversi tipi di specifiche:
ElettricheEMC AmbientaliMeccaniche AffidabilitàSicurezza
Design forproduction Aderenza anormative
QualitàDocumentazione
COSTO!
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7
Specifiche degli alimentatori
Tensioni e correnti d’uscita
8
Principali specifiche elettriche
Tensione e corrente d’ingresso: V i , I
i (P
i )
Tensioni e correnti d’uscita: V u , I
u (P
u )
Eventuali uscite multiple
Stabilità e precisione di V u
Quadranti di lavoro
Impedenza d’uscita: Z u
9
Tensione di ingresso
Tensione di ingresso
Valore nominale e intervallo Variazioni (rumore e ripple)Frequenza (in caso di AC)Transitori (sag, brown out, microinterruzioni)
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10
Tensione di ingresso
Esempio: per un alimentatore universale da reteTensione efficace fra 90V e 265VFrequenza fra 47 Hz e 63 Hz
Esempio: per un alimentatore automobilisticoTensione fra 6V e 18V con picchi al di fuori diquesti valori
11
Tensioni di uscita
Tensioni di uscitaPrecisioneStabilità
Regolazione di carico e impedenza di uscitaRegolazione di linea e suscettibilità audioCrossregolazioneTemperaturaInvecchiamento
Rumore e ripple (PARD: periodic and randomdeviation)
Valori rms, medi, picco
12
Regolazione di carico
Due modi di misurare la variazione di V u
alvariare di I u :
Differenziale:(∂V
u / ∂I
u )|I
u =r
u (impedenza d’uscita)
È una curva funzione di I u
Per ampio segnale: ∆ V
u / ∆ I
u = Regolazione di carico
La regolazione di carico specifica la variazione di V uper una variazione di I
u da I
uMIN a I
uMAX (V
u a vuoto;
V u
a pieno carico) o per una percentuale di tali
valori.
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13
Regolazione di linea
Consideriamo la variazione di V u
al variare di V i :
Differenziale:∂V
u / ∂V
i = Suscettibilità audio
Per ampio segnale:
∆ V u / ∆ V i = Regolazione di lineaLa regolazione di linea specifica le variazioni dellatensione di uscita entro il campo di variabilità dellatensione di rete (o comunque di ingresso)
14
Altre sorgenti di variazione di V u
Stabilità in temperatura:∂V u /∂T (ppm/°C)
Invecchiamento:variazione di V u nel tempo, a volte indicata inmV/mese, oppure in mV/(mese)1/2 (fenomenostatistico)
15
Tensioni di uscita
Caratteristiche dinamicheScostamento della tensione in seguito a unostimoloTempo di recupero, per avere la tensione di nuovoentro una fascia prefissata
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16
Comportamento dinamico
Comportamentodinamico:
analisi in transitorioEs: variazionecarico. Come cambiaV u ?
V u
17
Comportamento dinamico
Comportamento diverso in transitorioLegato alla dinamica del dispositivoSi considerano gli elementi reattiviPoli e zeri della funzione di trasferimentoStabilità dell’uscita nei transitori
V u
t
∆V u
?
18
Tensioni d’uscita
Altre caratteristicheCampo di regolazione e taraturaHold up time: per quanto tempo si garantiscel’uscita in seguito a mancanza di energiaall’ingresso
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Corrente di uscita
Corrente di uscita Valore minimo (spesso 0 A, ma non sempre) Valore massimo
ContinuoPicco
Variazioni di carico (di /dt )
Comportamento in caso di cortocircuitoTipo di carico accettabile (capacitivo, induttivo...)
20
Specifiche degli alimentatori
Potenza e protezioni
21
Altre caratteristiche elettriche: potenza
Consideriamo la potenza:P u <P i in ogni casoEfficienza: η =P u /P i <1Potenza dissipata(normalmente in calore):P d =P i -P u
Si cerca di avere η alta:
P u P i
L’energia costa!Il calore è un problema!
Sistemi a batteria:aumenta l’autonomia
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Transitorio di corrente
A regime, se P u
costante: P i =P
u /η = costante
Supponendo V i ≈ costante, anche I i ≈ costante
All’accensione invece può esserci un transitorio incui I
i è molto più alta:
INRUSH CURRENT
Parametro importante per sistemi di grandepotenza o con autonomia limitata
23
Protezioni
L’alimentatore non deve danneggiare il sistema incui è inserito. Ci devono essere protezioni su:
Carico. Non deve essere danneggiato dasovratensioni d’uscita: circuito separato checontrolla V u e stacca il circuito in caso di anomalie.
Sorgente. Se l’alimentatore richiede troppa
corrente si deve interrompere l’erogazionedell’energia.
24
Protezioni
Alimentatore. Deve proteggersi da richieste fuorispecifica da parte del carico (es cortocircuito) o datensioni fuori range sull’ingresso e dasurriscaldamento.
Specifiche di fail safe e di diagnostica/comandoremoti
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25
Compatibilità elettromagnetica
Norme piuttosto stringenti sulla compatibilitàirradiata e condotta
In Italia è obbligatorio il marchio CE che specificaanche questi aspetti.
Il marchio CE si appone per autocertificazione, aseguito di prove in camera anecoica o per analisidel progetto.
26
Specifiche degli alimentatori
Altre specifiche
27
Specifiche ambientali
Per le caratteristiche ambientali si seguono dellenormative. Caratteristiche principali:
Temperatura. Sono definiti dei campi standard:Civile: 0°C ÷ +70°CIndustriale: -40°C ÷ +85°CMilitare: -50°C ÷ +125°C Automotive: -40°C ÷ +125°C
Umidità, acqua, agenti chimici
Quota: aumentando la quota: Aria più rarefatta: peggiora dissipazione
Pressione più bassa: problemi con condensatorielettrolitici
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Caratteristiche meccaniche
Caratteristiche principali:Dimensioni e formaMassaResistenza a vibrazioni, urti, accelerazioniPosizione di fori di fissaggio, connettori ecollegamenti
Orientamento di montaggio, metodo diraffreddamento (aria naturale, aria forzata, liquido)Marchiature e scritte sull’alimentatore e sullascatola
29
Affidabilità
L’affidabilità dipende da quanto sono “stressati” icomponenti. Per avere alta affidabilità bisognausare i componenti molto al di sotto dei limiti:
DERATING
In alcuni casi si devono fare sistemi ridondanti, inmodo che il guasto su una parte del sistema nonne comprometta il funzionamento globale
30
Sicurezza
La sicurezza è un parametro molto importante.Dipende da:
Isolamento elettrico: bisogna tener conto anchedelle tensioni di modo comune.Incendio: i materiali non devono infiammarsi.Esistono normative apposite.Scintille (per funzionamento in ambienti conpolveri o gas esplosivi)
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1
Alimentatori
Struttura di un
alimentatore da rete
2
Contenuti della lezione
Alimentatori con regolatore lineare
Tensione sul condensatore di filtro
Potenza attiva e apparente
Distorsione
Alimentatori con regolatore switching
Condensatore di filtro
Limitazione della “inrush current”
3
Introduzione
Alimentatori da rete o off-line
Struttura diversa per alimentatori con:
Regolatore dissipativo o lineare
Regolatore a commutazione
Diversità principale: modo di ottenerel’isolamento galvanico
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4
Struttura di un alimentatore da rete
Alimentatori con regolatore
lineare
5
Alimentatore con regolatore lineare
Struttura base di un alimentatore con regolatorelineare
Regolatoredi
tensione
F
T
N
50 Hz
6
Regolatoredi
tensione
F
T
N
50 Hz
Sezione d’ingresso da rete
L’ingresso comprende: interruttore, fusibile e filtro
Filtro passa-basso, può includere anche:
Varistori o scaricatori a gas, per proteggere dasovratensioni di rete
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7
Trasformatore
Il trasformatore garantisce isolamento galvanicoe adeguati livelli di tensione sul secondario.Possibili uscite multiple
Regolatoredi
tensione
F
T
N
50 Hz
8
Raddrizzatore e filtro
Raddrizzatore e filtro (spesso un solocondensatore) convertono l’uscita deltrasformatore in una tensione continua
Regolatoredi
tensione
F
T
N
50 Hz
9
Regolatore di tensione
Il regolatore di tensione genera la V u voluta apartire da quella presente sul filtro. Può includereun ulteriore filtro in uscita.
Regolatoredi
tensione
F
T
N
50 Hz
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Problemi della struttura classica
Quali sono i punti deboli della strutturaanalizzata?
Il trasformatore funziona alla frequenza di rete(50-60Hz): è ingombrante e pesante
Raddrizzatore e filtro creano assorbimento dicorrente dalla rete di tipo impulsivo:
VIETATO DALLE NORME PER ASSORBIMENTISUPERIORI A QUALCHE DECINA DI WATT
Soluzione: struttura alternativa con regolatore acommutazione
11
Alimentatori con regolatore lineare
Tensione sul condensatoredi filtro
12
Tensione sul filtro
Studiamo tensione e corrente sul filtro:
Senza filtro la tensione in uscita dal raddrizzatore èuna sinusoide raddrizzata (curva grigia)
Con filtro si ha la curva blu
V C
t
V RI
T /2
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Tensione di ripple
Quanto vale V RI?
Il tratto rettilineo è lascarica di C ad operadi I u (consideratacostante in un ciclo)
Se V RI è piccola, si
può approssimare ladurata del trattorettilineo con T/2
Se f è la frequenzadi rete, allora:
V C
t
V RI
T /2
C
I V U
RI ⋅
≅ f 2
14
Tensione sul condensatore di filtro
Corrente d’ingresso
15
Corrente di ingresso
La corrente nei diodi e nel trasformatore scorresolo quando il condensatore viene ricaricato
V C
tI T INRUSH
current
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16
Espressione della corrente
A regime la corrente è apicchi, periodica confrequenza pari a quelladi rete (50Hz)
Lo spettro della correntepuò essere sviluppato in
serie di Fourier, confondamentale a 50Hz earmoniche paripraticamente nulle
Tensione in ingressocirca sinusoidale
∑
∞
=+=
1)sin()(
n
n n t n I t i ϕ ω
)sin()( t V t v PK ω =
t
I T
17
Alimentatori con regolatore lineare
Potenza attiva e apparente
18
Potenza media
La potenza media assorbita dall’alimentatore èl’integrale (diviso per T ) su un periodo delprodotto tra tensione e corrente.
∫ ∑∞
=
+=T
n
n n PK i dt t n I t V T
P 0
1
)sin()sin(1
ϕ ω ω
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19
Potenza media
Espandendo la sommatoria si ottiene
++
++=
∫
∫ Kdt t t I
dt t t I
T
V P
T
T
PK i
0 22
0 11
)2sin()sin(
)sin()sin(
ϕ ω ω
ϕ ω ω
20
Potenza media
L’unico termine della corrente che dà contributonon nullo all’integrale è quello relativo allafondamentale
++
++
= ∫
∫ Kdt t t I
dt t t I
T
V
P T
T
PK i
022
0 11
)2sin()sin(
)sin()sin(
ϕ ω ω
ϕ ω ω
21
Potenza media
Calcolando l’unico termine non nullo si ottiene
11 cos
2ϕ
I V P PK
i =
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22
Power Factor
La potenza attiva è dunque
P ATTIVA =V RMS · I 1RMS · cosφ 1
La potenza apparente, che transita nella rete, èinvece
P APPARENTE = V RMS · I RMS
23
Power Factor
Il fattore di potenza o POWER FACTOR èdefinito come
PF = P ATTIVA / P APPARENTE = cosφ 1 · I 1RMS / I RMS
Il rapporto I 1RMS / I RMS è denominatoDISTORTION FACTOR
24
Alimentatori con regolatore lineare
Distorsione armonica
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25
Distorsione armonica
Si può esprimere I RMS
in funzionedell’ampiezza dellearmoniche di I,
ricordandol’espressione di i (t )
∑
∫ ∞
=
=
==
1
2
0
2)(1
n
nRMS
T
RMS
I
dt t i T
I
26
Distorsione armonica
Il distortion factorallora diventa
∑
∑
∞
=
∞
=
+=
==
221
2
21
1
2
1
1
1
1
n RMS
nRMS
RMS
n
nRMS
RMS
RMS
I
I
I
I I
I
27
Power Factor e distorsione
La sommatoria a fiancorappresenta ladistorsione armonicatotale della corrente(THD )
Il Power Factor puòallora essere espresso infunzione di THD e dellosfasamento della
fondamentale di I rispetto a V
∑∞
=
=2
21
2
n RMS
nRMS
I
I THD
12cos
1
1ϕ
THD PF
+=
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28
Struttura di un alimentatore da rete
Alimentatori con regolatore
switching
29
Alternative allo schema classico
Problemi evidenziati:
Trasformatore ingombrante e pesante
Power Factor molto basso (contro normative)
Soluzioni
Eliminare il trasformatore a 50Hz
Utilizzare un circuito di correzione del Power Factor
30
Eliminazione trasformatore a 50Hz (1)
Eliminando il trasformatore si hanno tre problemi:
Tensione in ingresso al regolatore molto elevata
Mancato isolamento galvanico dalla rete
Inrush current dovuta al condensatore di filtro
Regolatoredi
tensione
≈
230V=
320V
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31
Eliminazione trasformatore a 50Hz (2)
Soluzione ai primi due problemi:
Regolatore a commutazione (switching) per avererendimento elevato
Topologia isolata (con trasformatore ad altafrequenza, leggero e di piccole dimensioni)
Regolatoredi
tensione
≈
230V=
320V
32
Eliminazione trasformatore a 50Hz (3)
Questo schema risolve il problema dell’ingombro epeso del trasformatore, ma non quello
dell’assorbimento di corrente impulsivo.
Come fare per rispettare le norme sulla corrente?
Occorre eliminare il raddrizzatore o il condensatore
Regolatoredi
tensione
≈
230V=
320V
33
Alimentatore con PFC
Tra raddrizzatore e filtro si inserisce un Power FactorCorrector (PFC).
Il PFC presenta impedenza d’ingresso resistiva:Corrente sinusoidale e in fase con la tensione
Circuito switching per avere rendimento elevato
Regolatoredi
tensione
≈
230VPFC
P i P r
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34
Alimentatore con regolatore switching
Condensatore di filtro
35
Funzioni del condensatore di filtro
Potenza assorbita dalla rete: sinusoidale
P i
=V 2sin2(ω t )/R
Potenza usata dal regolatore: costante
Se η =1, P r =V 2 /2R
Funzione di C: assorbire energia quando P i >P r erilasciarla quando P i <P r
t
PP i
P r
∆ ε
36
Rippple sul condensatore di filtro
Per accumulare energiaoccorre avere ripple suC:
∆ E = C (V 12-V 2
2)/2
V ripple=V 1-V 2V Cm =(V 1+V 2)/2
(tensione media su C)
Svolgendo i conti
∆ E = C V Cm V ripple
∆ E è nota (integrale)
t
P ∆ E
V Cm è più alta dellatensione di picco inuscita dal raddrizzatore(es. 400V)
Si può calcolare C imponendo V ripple (es.20V)
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37
Struttura di un alimentatore da rete
Limitazione della inrush
current
38
Inrush current
Problema sugli alimentatori senza PFC
Sovracorrente nel primo ciclo di rete durantel’accensione
Come limitarla?
Resistenza in serie all’ingresso?
Valutiamo su un esempio
Regolatoredi
tensione
≈
230V
R
39
Inrush current (esempio)
Esempio: si voglia IinrushMAX=10A
R = 325V/10A ≈ 32Ω
Ma se in funzionamento normale I=1A allora:
Su R cadono 32V e R dissipa 32W!
Occorre cortocircuitare R in funzionamentonormale, es. con TRIAC, ma il costo è alto:
Si fa solo su alimentatori per alte potenze
Regolatore
ditensione
≈
230V R
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40
Inrush current - alternativa
In alternativa si può usare resistenza NTC
A regime il valore può scendere fino ad es. a 1Ω
Non può scendere a 0 perché non si scalda più…
Non si può spegnere e riaccendere subitol’alimentatore: l’NTC non ha tempo di raffreddarsi
L’alimentatore non è protetto da “buchi” ditensione.
Regolatoredi
tensione
≈
230V R
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1
Alimentatori
Esempi di progetto dialimentatori
2
Contenuti della lezione
Progetto di alimentatore senza circuito dicorrezione del fattore di potenza (PFC)
Valore del condensatore
Corrente di picco
Scelta diodi
Corrente RMS
Progetto di alimentatore con PFC
3
Introduzione
Esempio di progetto di alimentatore da rete
Specifiche:
Rete: 230Veff
Assorbimento del carico: 200W
Dimensionare C e i diodi nei due casi:
Alimentatore senza PFC
Alimentatore con PFC
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4
Esempi di progetto di alimentatori
Progetto di alimentatoresenza PFC
5
Progetto di un alimentatore classico
Lo schema di riferimento del caso trattato inquesta lezione è il seguente (senza trasformatorea 50Hz)
6
Progetto alimentatore : specifiche
In uscita si avrannocirca 320V
Carico: resistenza R LPer 200W d’uscita=>
Corrente di carico =>
Questi dati permettonodi calcolare il valore di Ca partire da specifica suripple di tensione sulcarico
V Veff L 3202230 ≅⋅=
Ω≅= 500200
)320( 2
W
VR L
A VI L 6,0500 /320 ≅Ω=
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7
Progetto alimentatore : ripple
Scarica delcondensatore:
Esponenziale con τelevata:
Si approssima con
una rettaSi approssima il tempodi scarica con T /2
a 50Hz, T=20ms,T /2 = 10ms
VC
t
VRI
T /2
C
ITI
CC
Q V L
LRIPPLE f 22
1==
∆=∆
8
Progetto alimentatore : condensatore
Per avere basso rippleoccorre C grande:
Costo e ingombro elevati
Occorre soluzione dicompromesso:
Scegliamo VRIPPLE=25V
240µF non è un valorenormalizzato: i più vicinisono 270µF e 330µF
Occorre tenere conto delletolleranze: 270µFpotrebbe essere al limite
RIPPLE
L
V
IC
∆⋅=
f 2
F VHz
A C µ240
25502
6,0=
⋅⋅=
Scelta finale: 270µF400 VL
9
Progetto alimentatore : diodi
Corrente nei diodi
Impulsiva
Si può approssimarecon triangolo oparabola
Quanto dura?
Angolo di conduzioneαC
Intersezione di rettadi scarica delcondensatore con lasinusoide raddrizzata
°≅
−
=
=
−=
23320
25320arccos
arccosPK
RIPPLEPK C
V
V Vα
ID
t
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10
Proget to: calcolo corrente di picco
Come calcolare IPK ?L’integrale di ID dtcoincide con la caricaceduta da C in T/2
Con approssimazionetriangolare:
?Q = IPK ·T1 / 2Con approssimazioneparabolica
?Q = IPK ·T1 ·2 / 3
La secondaapprossimazione è piùvicina ai riscontrisperimentali
ID
t
IPK
T1
12
3
T
QI PK
∆=
11
Progetto alimentatore: corrente di picco
T1 è l’angolo diconduzione
?Q è il prodotto di ILper il semiperiododella tensione di rete
Dunque IPK può essereespressa in funzionedella corrente nel
carico e dell’angolo diconduzione
2
3180
2
3,1360
1
C
LPK
L
C
II
TIQ
msT
α
α
°=
=∆
=°
=
12
Progetto alimentatore: corrente di picco
T1 è l’angolo diconduzione
?Q è il prodotto di ILper il semiperiododella tensione di rete
Dunque IPK può essereespressa in funzionedella corrente nelcarico e dell’angolo diconduzione
Nel nostro caso=>
2
31802
3,13601
C
LPK
L
C
II
TIQ
msT
T
α
α
°=
=∆
=°
=
A I
I LPK 7
2
3
23
180=
°°
=
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13
Progetto alimentatore: scelta diodi
Per scegliere i diodi occorre considerare:
Corrente media
Corrente di picco ripetitiva
Corrente di picco non ripetitiva=> inrush current
Tensione inversa
0=Ci
14
Progetto alimentatore: raddrizzatore
Raddrizzatore a ponte:
Corrente media: 0,3A (ogni diodo conduce in unasemionda)
Corrente di picco ripetitiva: 7A (già calcolata)
Inrush current: ? (dipende dai parametri parassiti)
Tensione inversa: 320V. Per sicurezza: 400V
0=Ci
15
Progetto alimentatore: scelta condensatore
Condensatore:
Tensione ai capi: 320V. Elettrolitico da 400V
Quanto vale la corrente efficace?
Importante per la scelta del condensatore
0=Ci
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16
Progetto alimentatore: corrente di rete
Il valore della correnteRMS nel condensatoreè difficile da calcolaredirettamente. E’ piùfacile partire dallacorrente di rete
Utilizzandol’approssimazioneparabolica, la correnteRMS vale 1,8 A
La potenza apparente èIRMS·VRMS =230 V·1,8 A =414W
IRETE
t
7 A
1,3ms
T /2
21
2
2
011
2
4,315
82
142 1
A TIT
dtT
tt
T
I
TI
PK
TPK
RMS
==
=
−= ∫
17
Alimentatore: corrente n el condensatore
Dall’equazione al nodosi ha:
RMS (S(I ))=0
Se le correnti sonoortogonali(1):
S(I 2)=0
ICRMS2= 3 A 2
ICRMS= 1,73 A
Dunque la corrente nelcondensatore èmaggiore di quella nelcarico
IC
t
(1) nel senso che nel carico vasolo la continua e nelcondensatore solo l’alternata
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1
Esempi di progetto di alimentatori
Esempio di progetto conPFC
2
Progetto PFC: specifiche
Utilizzando il PFC è ovviamente diversa la correntenei diodi, ma che cosa succede al condensatore?
Usiamo le stesse specifiche del progetto precedente:
Potenza sul carico: 200W
Tensione di rete: 230 Veff
3
Proget to PFC: dati carico
In uscita si avranno circa 390V (il PFC hauscita più alta della tensione di piccod’ingresso)
Carico: resistenza R LPer 200W d’uscita=> Ω≅= 760
200
)390( 2
W
VR L
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4
Proget to PFC: dati carico
Corrente di carico =>
Con questi dati si puòdimensionare C, apartire da specifica suripple di tensione sulcarico
A VI L 51,0760 /390 ≅Ω=
Assumiamo ? VRIPPLE =25 Vcome nel caso precedente
5
Proget to PFC: calcolo energia
La potenza fornita dalPFC è di tiposinusoidale, conespressione del tipoindicato a lato
La potenza assorbitadal carico è costante,pari a 200W.
Il valore di picco di
PPFC è 400W.?e è calcolabiledall’integrale =>
t
P ?e
+⋅= tT
k PPFCπ4
sin2
1
2
1
JmsW
dttT
WT
637,052
200
4sin200 4
0
=⋅⋅=
=
⋅=∆
∫ π
πε
T/4
6
La capacità è circa unterzo di quelladell’esempio precedente
Progetto PFC: calcolo condensatore
Il valore di Cdetermina il ripple
Imponendo che ilripple sia di 25 V ,come per il casosenza PFC, si ottiene:
C=0,637J/(25·390) V 2=65,3µF
Tenendo conto delletolleranze:
C=82 µF /450 V L
( )
( )( )
V VC
V V V VC
V VC
390252
12
1
2121
22
21
⋅⋅=
=+−=
=−=∆ε
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PFC: corrente nel condensatore
Se si trascura il ripple, si può supporre VL costante
In questo caso, essendo I=P/V, la corrente diingresso diventa una sinusoide traslata il cui valormedio rappresenta la corrente d’uscita e lecomponenti in frequenza sono assorbite dal
condensatore (+switching)I =P/V IL=0,51 A
IC
8
Proget to PFC: conclusioni
IRMS=(0,51/v 2) A =0,36 A
Sono evidenti i vantaggi:Condensatore più piccolo
Corrente inferiore (=vita più lunga)
Ripple generato da corrente sinusoidale(+switching)
IC0,51 A
9
Progetto P FC: calcolo alternativo ripple
Il fatto che la corrente media in C sia sinusoidaleci suggerisce un metodo più semplice percalcolare il ripple:
La tensione provocata da una corrente sinusoidaleai capi di un condensatore è del tipo:
VC = XC ·IC
Ma XC =1/(? C )=1/(2π·100Hz · 82µF )=19,4Ω VCPK = 19,4Ω · 0,51 A =9,9 V (circa 20 VPP,coerentemente con il progetto)
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1
Elettronica di potenza
Unità: Regolatori ditensione dissipativi
2
Contenuto dell’unità
Regolatori parallelo
Regolatori serieControllo della tensione d’uscita
Regolatori LDOStabilità LDO
3
Introduzione
All’uscita del filtro dell’alimentatore si ha unatensione quasi continua, che però:
È affetta da rippleDipende dalle variazioni della tensione di rete
Occorre rendere questa tensione stabile eprecisa:
Serve un regolatoreQuesta unità si occupa dei regolatori lineari, odissipativi. Questi si dividono in due famiglie:
Regolatori paralleloRegolatori serie
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4
Regolatori di tensione dissipativi
Regolatori di tensionedissipativi parallelo
5
Regolatori parallelo
Sono costituiti da unpartitore in cuil’elemento in paralleloall’uscita varia la propriaresistenza in modo damantenere V
U costante
L’esempio più diffuso ècostituito dai regolatoricon diodo zener
R
R V
V i
V u
R
V i
V u
6
Regolatori con diodo zener
Non sono più usatiperché:
Lo zener è poco precisoIl modello del diodoprevede una r z0 nontrascurabile cheinfluenza la tensioned’uscitaStaccando il carico, lacorrente continua acircolare nel diodo:
Basso rendimento
Alta dissipazione
R
V i
V u
R
V i
V u
v z0
r z0
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Riferimenti di tensione
Esistono dei circuiti integrati a due piedini che sicomportano come zener quasi idealiSi chiamano riferimenti di tensione (voltagereference)Sono basati su circuiti che generano tensionestabile con la temperatura (es. band gap)
A volte dotati di un pin in più per taraturaLa corrente che possono assorbire è limitata: 0,1-20 mA
Si usano come riferimento di tensione, non comeregolatore (MAXIM LM4051)
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1
Regolatori di tensione dissipativi
Regolatori serie
2
Schema di principio
I regolatori serie sono composti daun elemento che svolge le funzioni di resistenzavariabile R, posto in serie tra ingresso e uscita
un sistema che misura la tensione d’uscita emodifica il valore di R in modo da mantenere V u alvalore voluto
R
V i V u
3
Primo schema
Di solito l’elemento serie è un transistor
V u =V REF (1+R 1 /R 2)
V i
V u R
2
R 1
V REF
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4
Primo schema
Il transistor è uno stadio finale di potenza chelavora in linearità (da qui il nome di regolatorilineari)
V i
V u R
2
R 1
V REF
5
Secondo schema
Dovendo gestire molta corrente in uscita, spessosi usa una configurazione Darlington
V i
V u
R 2
R 1
V REF
6
Piedini
Il regolatore ha tre piedini “fisici”: ingresso, uscita e 0V,ma altri 4 “concettuali”:
Alimentazioni dell’operazionale
Ingresso della rete di reazione per la lettura della tensione d’uscita
Su alcuni dispositivi i 7 piedini sono tutti disponibili.
V i
V u
R 2
R 1
V REF
V u
V AL V U V i
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Headroom
Perché un regolatore serie funzioni regolarmenteoccorre che i transistor del darlington funzioninoin linearità: V i >V u +V BE 1+V BE 2
Il transistor di potenza ha circa 1V di V BE , quindiV i >V u +1,7V
La tensione sulla base del primo transistor deveessere però fornita dall’amplificatoreoperazionale, alimentato dalla tensione d’ingressoe la cui dinamica d’uscita non coincide ingenerale con l’alimentazione.
V i >V u +V HR Valori tipici di V HR sono 2-3V
V HR = tensione di HEADROOM è la minima cadutadi tensione (drop-out) ai capi del regolatore chene permette il funzionamento regolare.
8
Potenza dissipata
L’amplificatore operazionale richiede caduta ditensione per operare:
Aumento della potenza dissipata
Soluzione: alimentare l’op-amp con una tensioneesterna più alta
Fattibile solo in casi particolari in cui si abbiano più
tensioni a disposizione. Es: Alimentazione della CPU nei personal computer
Regolazione delle uscite secondarie di regolatori switching
La dissipazione di potenza di un regolatore serie èbassa solo se la tensione d’ingresso è di poco piùalta di quella d’uscita.
9
Regolatori di serie
Controllo della tensione
d’uscita
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Remote sense: due piedini
Se il carico è lontano dal regolatore, la caduta ditensione sui fili d’alimentazione influisce sullaprecisione della regolazione
V u V U
V i R L
I L
11
Remote sense: due piedini
Se il carico è lontano dal regolatore, la caduta ditensione sui fili d’alimentazione influisce sullaprecisione della regolazione
Se sono disponibili i terminali della retroazione, allora sipossono aggiungere dei fili di “sense”, in cui non scorrecorrente significativa, collegati direttamente al carico
V u V U
V i R L
I L
12
Remote sense: piedino singolo
Con un solo piedino di sense disponibile, esisteun’altra soluzione. La corrente che scorre nellaconnessione inferiore provoca una imprecisione,ma, essendo molto piccola, è trascurabile
La resistenza R S serve ad evitare problemi nelcaso si scolleghi il filo di sense
V u
V sense
V i R
L
I L R S
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Sense per regolazione tensione
Se si inserisce un partitore sul carico, si puòregolare (aumentare) la tensione d’uscita
Infatti il regolatore manterrà costante la tensionepresente tra V sense e il proprio ri ferimento
V u
V sense
V i
I L
R 1
R 2
R L
14
Disturbi elettromagnetici
I fili di sense possono raccogliere disturbi dovuti alcampo elettromagnetico a 50Hz :
L’area racchiusa tra i fili di sense costituisce una spira che siconcatena con il campo magnetico e provoca una tensioneaggiuntiva a 50Hz
Soluzione: coppia ritorta: diminuisce area e porta idisturbi sul modo comune
V u
V i R
L
15
Disturbi in alta frequenza
Anche i campi elettromagnetici ad alta frequenzapossono portare disturbi
I fili diventano antenne
Le giunzioni degli elementi attivi hannocaratteristica non lineare e le componenti in altafrequenza provocano spostamento del punto dilavoro (vengono raddrizzate), facendo variare latensione d’uscita
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Protezione da sovracorrenti
Si può rendere ancheregolabile la protezionecontro le sovracorrenti
In questo modo si hanno5 piedini
Vantaggi:
Un solo regolatore perscopi diversi
Svantaggi:
Circuito stampato piùcomplesso (menoaffidabile, ecc.)
R 2
R 1
R S
R L
V ref
17
Regolatori a tensione regolabile
E’ possibile avere unregolatore in cui siamodificabile latensione di uscita,utilizzando solo trepiedini?
I regolatorimantengono costantela tensione tra ilpiedino d’uscita e ilproprio piedino diriferimento
Non necessariamente il
riferimento di tensionedel regolatore deveessere 0V
I Q è la correnteassorbita dai circuitiinterni del regolatore
V u
V i
I Q
18
Regolatori a tensione regolabile
La tensione su R 1 vale V reg La corrente in R 2 è I R 2 =I Q +V reg /R 1
V u
V i
I Q
R 1
R 2
V reg
V R 2
In
Comune
Uscita
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Regolatori a tensione regolabile
La tensione su R 1 valeV reg La corrente in R 2 èI R 2 =I Q +V reg /R 1V u =V reg +R 2I R 2V u =V reg (1+R 2 /R 1) +
+I Q R 2I Q nei regolatori normalinon è costante erappresenta un termined’errore
Esistono regolatoriappositi con I Q costante: LM317
V u V i
I Q
R 1
R 2
V reg
V R 2
In
Comune
Uscita
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1
Regolatori di tensione dissipativi
Regolatori LDO
2
Efficienza
La tensione di headroom crea dei problemi:
Alta potenza dissipata (necessita dissipatore)
Bassa efficienza
3
Efficienza
La tensione di headroom crea dei problemi:
Alta potenza dissipata (necessita dissipatore)
Bassa efficienza
Quanto vale l’efficienza?
η=P u /P i = V u I u /(V i I i )
Ma I u ≈I i η≈ V u /V i
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4
Efficienza
La tensione di headroom crea dei problemi: Alta potenza dissipata (necessita dissipatore)
Bassa efficienza
Quanto vale l’efficienza?
η=P u /P i = V u I u /(V i I i )
Ma I u ≈I i η≈ V u /V i
Efficienza alta può essere ottenuta solo se V i èpoco più alta di V u : servono regolatori chefunzionano con basso drop-out:
LDO (Low Drop Out)
5
Regolatori LDO
I regolatori LDO hanno un drop out minimo dicirca 0,5V . Si usano spesso con sistemialimentati a batteria o per migliorare laregolazione di uscite secondarie di regolatoriswitching (post-regolatore)
Sono difficili da utilizzare per problemi di stabilità.
Quale può essere lo schema di un LDO?
6
Schema LDO?
Nello schema classico cisono due fattorilimitanti il minimo dropout:
OP-AMP. Esistono op-amp rail-to-rail chehanno dinamica ditensione d’uscita pariall’alimentazione.
V BE transistor. E’ necessario 1V dicaduta.
V i
R 2
R 1
V ref
V u
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7
Schema LDO?
Se si usasse un MOS alposto del BJT?Peggiorerebbe ilproblema: la V GSON delMOS è di qualche V!
Il MOS però nonassorbe correntecontinua sul gate
Esistono dei regolatoriin cui l’OP-AMP èalimentato con uncircuito a pompa dicarica per pilotare ilgate del MOS
V i
R 2
R 1
V ref
V u
8
Schema LDO
E un PNP?
Si può fare, ma laconfigurazione èdiversa!
Emettitore comune
E’ una configurazione
invertente, permantenere reazionenegativa occorrescambiare i piedinisull’OP-AMP
E’ stabile?
V i
R 2
R 1
V ref
Z L V u
9
Regolatori LDO
Stabilità LDO
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10
Stabilità LDO
Per verificare la stabilitàoccorre calcolare ilguadagno d’anello.
Il sistema è composto dadue stadi diamplificazione (l’OP-AMPe il transistor) e dallarete di reazione formatadal partitore
L’uscita dello stadio atransistor è presa sulcollettore, quindi èun’uscita in corrente.
V i
R 2
R 1
V ref
Z L V u
11
Stabilità LDO
La tensione d’uscita è data dal prodotto tra lacorrente di collettore e l’impedenza di carico.
Dunque il guadagno d’anello e la stabilità dipendonodal carico.
Senza accorgimenti particolari, il sistema è instabile
Z L V u V
2
g m V
2 A d
β
+
V ref
-
+
12
Uso LDO
Per garantire lastabilità i costruttorispecificano tipo evalore di uncondensatore da porrein parallelo all’uscita
Tale specifica deveessere rispettata inquanto sfrutta sia ilvalore della capacitàsia quello dell’ESR perintrodurre un polo a
frequenza opportuna
La tecnologia delcondensatore deveessere quellaspecificata dalcostruttore
LDOV u
V i
C c
Z L
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Altri problemi LDO
Altri problemi dell’LDO:I PNP hanno basso β, quindi l’Op-Amp assorbe moltacorrente, che scorre nel nodo comune (I Q ) e variacol carico
Questa corrente riduce l’efficienza del regolatore
Se si usa un darlington il regolatore non è più LDO
I Q variabile fa sì che non si possa usare l’LDO comeregolatore a 3 piedini con tensione d’uscitaregolabile con partitore
14
Componenti di supporto
Anche nei regolatorinormali è buonanorma inserire uncondensatoreceramico da 330nF osimili sull’uscita
è opportuno inserireun condensatoreanche sull’ingresso delregolatore percompensarel’induttanza dei cavi
Spesso si inserisce un
diodo tra uscita eingresso per proteggereil regolatore se V e diminuisce molto rapi-damente allo spegni-mento del sistema
V u V i
C 1 C 2