Elettronica = Elaborazione e trasmissione di. Grandezza Fisiche Trasduttori Segnali Elettrici (V,I)

Transcript

1 Elettronica = Elaborazione e trasmissione di Segnale Potenza Grandezza Fisiche Trasduttori Segnali Elettrici (V,I) Informazione contenuta nella variazione rispetto ad un livello di riferimento Segnali Analogici Digitali 1

2 Elettronica per il controllo della potenza Si tratta di controllare forti correnti e/o forti tensioni E richiesto, in genere, elevato rendimento η: Infatti la potenza assorbita dall alimentazione e non fornita al carico si tramuta tutta in calore da smaltire da parte dell elemento attivo. V al I al V u V e I e Controllo potenza sul carico I u η = PL P + P al e Si tratta di regolare la potenza che viene fornita ad un utilizzatore (carico) in funzione di un segnale d ingresso V e, prelevando la potenza fornita al carico da una fonte primaria esterna - P al e la potenza assorbita dall alimentazione - P e è la potenza che entra nell ingresso per il controllo - P L e la potenza fornita al carico, Infatti la potenza assorbita dall alimentazione e non fornita al carico si tramuta tutta in calore da smaltire da parte dell elemento attivo. Il dispositivo che compie l operazione di regolare la potenza fornita, purtroppo, per funzionare deve dissipare esso stesso della potenza, che oltre ad essere sprecata viene tramutata in calore e crea problemi di smaltimento. Pertanto per fornire al carico una potenza P L, occorre prelevare dalla fonte di energia una potenza P al maggiore, e tutta la differenza P D = P al +Pe - P L viene trasformata in calore da dissipare. Il rendimento sopra definito quanto più è prossimo all unità tanto più sta ad indicare che il sistema è in grado di controllare potenza senza sprecarne (risparmio energetico) e minimizzando i problemi di dissipazione del calore. prodotto. 2

3 Potenza dissipata P d da un dispositivo attivo (transistore) I Safe Operating Area I e V e V Pd = VI +V e I e VI La potenza dissipata si trasforma in calore, che eleva la temperatura del transistore al di sopra di quella dell ambiente. Al di sopra di una temperatura massima il transistore si distrugge Esiste quindi, per ogni data temperatura ambiente, una massima potenza dissipabile P max, oltre la quale il trasistore (o il circuito integrato) puo essere danneggiato. Si prende ora in esame un semplice dispositivo di controllo a tre terminali, quale un transistore. Il dispositivo ha due porte: una d ingresso da cui entra una potenza V e I e e una di uscita che riceve una potenza VI, per cui la potenza che entra in totale, e che viene trasformata in calore, è la somma delle due. In genere la potenza V e I e, associata al segnale di controllo d ingresso, è trascurabile rispetto a quella dissipata sull uscita. 3

4 Safe Operating Area (SOA) I VI = P dmax I max V e V Zona proibita V max Ogni dispositivo attivo, adatto a controllare potenza, sul piano I(V) delle sue caratteristiche presenta una massima corrente che puo sopportare (I max ), una massima tensione ai suoi capi oltre la quale puo danneggiarsi (V max ) e una massima potenza dissipabile VI = P dmax, che e rappresentata da un iperbole (XY=cost).La zona in cui il dispositivo puo funzionare senza problemi e quella al di sotto di tali limiti, ed e detta S.O.A. (Safe Operating Area), mentre se il dispositivo va a funzionare nella zona esterna, tratteggiata in figura, rischia di danneggiarsi. 4

5 Modello termico semplificato (linearizzato) Il modello termico adottabile per calcolare l incremento di temperatura del Si (dove si dissipa la potenza P d ) prevede che l incremento della temperatura T j del Si rispetto a quella T a dell ambiente sia proporzionale alla potenza dissipata. T T = K j a Il fattore di proporzinalita K ja e detto resistenza termica tra l interno del dispositivo di regolazione e l ambiente e dipende dal tipo di contenitore dell elemento attivo e dalla presenza eventuale di dissipatori termici. ja P d Per ogni applicazione di potenza occorre controllare che il dispositivo utilizzato, a causa della potenza dissipata, non rischi di danneggiarsi, cosa che succederebbe se la sua T j dovesse superare il valore massimo consentito T jmax. Poiche quindi P dmax = (T jmax -T a )/K ja, la massima potenza dissipabile dipende dalla temperatura ambiente nonche dalla resistenza termica tra il Silicio e l ambiente, cioe anche dalla presenza di dissipatori. 5

6 Controllo analogico della potenza V la potenza nel carico è pari a R L I 2 V e I Sul transistore: V = V al - R L I V al V L =R L I R L P d = VI = V al I R L I 2 La potenza dissipata dal transistore varia al variare di I secondo una parabola, ed ha un max per I = V al / 2R L, che vale P max = V al2 /4R L Vantaggi: Difetti: Controllo molto preciso e veloce, effettuabile sino a frequenze molto alte Rendimento scarso, e per questo difficilmente realizzabile per potenze elevate La tensione sul carico e sempre inferiore alla tensione di alimentazione 6

7 Controllo a commutazione (switching) (esempio) Q 1 A L I V al Q 2 V C A R L V L Q 1 e Q2 sono comandati periodicamente e in controfase tra loro, con periodo T e Duty Cycle T on1 /T= δ L e C costituiscono un filtro passabasso che lascia passare solo il valor medio Si vuole qui schematizzare un possibile circuito che, a partire da una tensione d ingresso fornita da una fonte di alimentazione V al, permetta di ricavare una diversa tensione d uscita V L, con elevato rendimento ed indipendentemente dalla corrente I assorbita dal carico. Cerchiamo quindi un circuito che si comporti come un trasformatore di tensione in continua. I due interruttori schematizzati nel circuito in realtà saranno realizzati da un transistore e un diodo, ma per comprendere il funzionamento del sistema possiamo pensarli due interruttori ideali. 7

8 Forme d onda Q 1 on off t Q 1 V al Q 2 A V A V L Q 2 on off t T = T 1 +T 2 V A V al T 1 T 2 T 1 V L δ = T 1 /T V L = V al x δ t Durante il tempo T 1 Q 1 e on e Q 2 e off, per cui la tensione nel punto A e pari alla V al, come mostrato nella figura. Durante T 2, essendo Q 1 off e Q 2 on, la tensione in A e zero. Nella figura si evidenzia con linea tratteggiata il valor medio della tensione in A, che e quello che e presente sul carico a valle del filtro passabasso che lascia passare solo la componente continua. Il valor medio della tensione in A e dato da V L = V al T 1 /T, e quindi dipende da δ=t 1 /T, che si definisce Duty Cycle dell onda quadre di comando. E quindi possibile regolare la tensione in uscita, e quindi la potenza fornita ad un carico, semplicemente regolando il duty cycle. Questo tipo di regolazione e a rendimento molto alto, in quanto gli interruttori idealmente non dissipano energia, cosi come gli elementi reattivi costituiti dal condensatore e dall induttore. In realta nessun elemento e del tutto ideale, ma comunque il rendimento puo essere notevolmente elevato (80-90%). Con configurazioni diverse, ma basate sullo stesso principio, si puo anche ottenere una tensione di uscita superiore a quella d ingresso. Le frequenze di Switching variano da decine di KHz a qualche MHz: al crescere della frequenza aumentano le perdite ma si riducono le dimensioni dei componenti Questo tipo di regolatore e meno preciso del controllo analogico, e meno pronto alla risposta. Crea notevoli disturbi (problemi di compatibilita elettromagnetica) 8

9 Controllo a commutazione della potenza (switching) Frequenze di switching: da decine di KHz a qualche MHz: al crescere della frequenza aumentano le perdite ma si riducono le dimensioni dei componenti Pregi: Elevato rendimento e quindi risparmio energetico e ridotto calore da smaltire Con diverse configurazioni circuitali la tensione d uscita puo essere maggiore o minore della tensione di alimentazione. Difetti: Meno preciso del controllo analogico, e meno pronto alla risposta Crea notevoli disturbi (problemi di compatibilita elettromagnetica) 9

10 Schema a blocchi di un apparato elettronico Fonte primaria di energia alimentatore In elaborazione out Un generico apparato elettronico riceve informazione sotto forma di segnali elettrici dall esterno, li elabora, e, in funzione dei risultati dell eleborazione, fornisce informazioni e comandi all esterno. Ha quindi una interfaccia d ingresso atta a ricevere ed interpretare i segnali d ingresso, una sezione che effettua le elaborazioni, sia sotto forma analogica sia digitale, e un interfaccia d uscita adatta a fornire i segnali da inviare all esterno. Per poter funzionare, e per poter fornire energia all esterno, occorre disporre di una fonte di energia elettrica che possa alimentare l apparato: questa puo essere la rete di distribuzione elettrica a 230V 50 Hz oppure, per gli apparati portatili, una batteria. In ogni caso l energia prelevata da questa fonte primaria deve essere resa usufruibile dai diversi circuiti dell apparato, cioe deve essere convertita in valori precisi di tensione continua che sono quelli richiesti per il funzionamento delle diverse sezioni. Questo condizionamento delle tensioni di alimentazione dei diversi circuiti viene fatto da un alimentatore stabilizzato il quale converte la fonte primaria di energia in tanti rivoli di tensioni continue, di valore preciso, quanti sono quelli necessari per l intera apparecchiatura. 10

11 Alimentatore stabilizzato Filtro antidisturbi all ingresso 2. Trasformatore (eventualmente con piu secondari) per riportare la tensione, a partire da quella della rete, ai valori desiderati 3. Raddrizzatore per ottenere una forma d onda a valor medio non nullo 4. Filtro per eliminare le componenti alternate e ottenere la sola continua 5. Regolatore di tensione, per ottenere all uscita una tensione precisa, indipendente dal valore di quella di ingresso, dalla corrente assorbita dal carico, e dalla temperatura. Qualunque apparato elettronico, per funzionare, necessita di alimentazione, cioe di ricevere la potenza necessaria da generatori di tensione continua di valore preciso e costante, in grado di fornire tutta la corrente richiesta dalle esigenze di funzionamento. Qualunque apparato dispone pertanto di un alimentatore, che, a partire da una fonte primaria di energia, fornisce tutte le tensioni necessarie per il suo funzionamento, e assicura la disponibilita di potenza che puo essere richiesta anche nelle situazioni di funzionamento piu gravose. La potenza per l alimentazione puo essere prelevata o dalla rete di distribuzione dell energia elettrica (230V, 50Hz) oppure direttamente da una fonte continua (batteria) come accade ad esempio per gli apparati portatili Parametri fondamentali dell alimentatore sono pertanto: Fonte primaria d ingresso (alternata o continua, valore di tensione e sue tolleranze) Potenza totale max da fornire al carico Valori delle tensioni di uscita e delle correnti da fornire al carico e loro tolleranze Rendimento in potenza 11

12 Raddrizzatore a semplice semionda Durante la semionda positiva il diodo conduce e la tensione sul carico è uguale a quella d ingresso meno la piccola caduta sul diodo. Durante la semionda negativa il diodo si interdice e l uscita è a tensione 0. Il raddrizzatore a semplice semionda è usato solo per potenze di piccola entità: infatti esso sfrutta solo una semionda e quindi richiede un filtraggio passabasso pesante per poter ricavare, dalla forma d onda d uscita, un valore continuo. Inoltre nel secondario del trasformatore circola una corrente a valor medio non nullo, cosa che fa sì che il nucleo del trasformatore lavori male e debba essere surdimensionato. 12

13 Raddrizzatori a doppia semionda V u Ponte di Graetz Nel primo circuito viene utilizzato un trasformatore con secondario con presa centrale. Si può notare come, essendo uguale e di egual verso la tensione sui due mezzi secondari, quando Vu è positivo conduce il diodo D1 e si ha V u circa uguale a V u ; quando invece la tensione V u è negativa conduce D2, e la corrente che circola in R L, percorrendola nello stesso verso che nella semionda positiva, provoca una V u circa uguale a V u con lo stesso segno di prima. Questa volta si sfruttano entrambi le semionde, il filtro passabasso che seguirà avrà compito facilitato nel costruire una continua e la corrente che circola nel secondario del trasformatore ha valor medio nullo. Nel secondo circuito, detto ponte di Graez, quando la tensione V u all ingresso del ponte è positiva conducono D4 e D2, quando la tensione è negativa conducono D3 e D1, ma la resistenza che simula il carico è sempre percorsa nello stesso verso e quindi la tensione ai suoi capi ha lo stesso segno in entrambi le semionde. 13

14 Regolatori di tensione A controllo analogico (dissipativi) Molto precisi Basso rendimento A commutazione (Switching) Elevato rendimento Poco precisi 14