ELETTRONICA CdS Ingegneria Biomedica

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Aurelia Rostagno
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1 ELEONICA CdS Ingegneria Biomedica LEZIONE A.03 Circuiti a diodi: configurazioni, analisi, dimensionamento addrizzatori a semplice e doppia semionda addrizzatori a filtro (L, C e LC) Moltiplicatori di tensione egolatori a zener A03.1

2 Parte 1 addrizzatori Definizioni Circuito a semplice semionda Circuiti a doppia semionda Circuiti per sistemi trifasi A03.

3 Ondulazione ed efficienza (1) addrizzatore Sistema che, alimentato da una sinusoide a valore medio nullo, presenta una tensione di uscita formata da una componente continua e una a valore medio nullo detta ondulazione residua o ripple Fattore di ondulazione F apporto tra valore efficace dell ondulazione e componente continua dell uscita (idealmente 0) Efficienza di raddrizzamento η apporto tra potenza di uscita dovuta alla tensione continua e potenza totale (idealmente 100%) A03.3

4 Ondulazione ed efficienza () Dalle definizioni Si possono ricavare le formule necessarie per ottenere le prestazioni delle varie configurazioni v t) = + v ( t) = + r( t) ( u 1 = v ( t) dt 1 1 ueff = ) = ueff v( t) ( + r( t) ) dt = + r ( t dt = + 0 dt eff F eff ueff = = η = (con carico resistivo) ueff A03.4

5 addrizzatore a semplice semionda Problema: corrente continua nel secondario Può saturare il nucleo del trasformatore ac + + Diodo Carico = m sin(π f t ) 0 < t < / - - rasformatore t A03.5

6 addrizzatore a semplice semionda m m sin( ωt) dt = = = π 0 m 1 1 ueff = m sin ( ωt) dt = m m [ 1 cos(ωt )] dt = = m F = ueff = π 4 1 = 1.11 η = 4 = = π ueff A03.6

7 addrizzatore a doppia semionda D1 ac Carico = m sin(π f t ) rasformatore a presa centrale D t A03.7

8 addrizzatore a doppia semionda m m sin( ωt) dt = = = π 0 m 1 ueff = m sin ( ωt) dt = m m [ 1 cos(ωt )] dt = = m F = ueff = π 8 1 = η = 8 = = π ueff A03.8

9 addrizzatore a ponte di Graetz Semplificazione del doppia semionda Non richiede trasformatore a presa centrale Miglior impiego del rame Massima tensione inversa acmax per ogni diodo Contro un valore doppio nella versione precedente ac D1A DA rasformatore D1B DB Carico A03.9

10 addrizzatore esafase ac1 ac ac3 1 D1A DA 3 D3A Carico D1B DB D3B τ 1 D3A, DB τ 1 τ τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ τ 3 D1A, DB D1A, D3B τ 4 DA, D3B t τ 5 τ 6 DA, D1B D3A, D1B A03.10

11 addrizzatore esafase M 3 M π π 3 M u = sin( t) dt cos cos = = ω = π 3 3 π 1 M v eff = M sin ( t) dt M ω = 1 1 ( 1 cos(ωt )) dt = = M ω = M π = M veff u F = = η = u = v eff u A03.11

12 Osservazioni Le prestazioni aumentano all aumentare delle fasi La tensione di uscita non è mai nulla Ma i sistemi polifase sono disponibili solo per grandi potenze Conclusione Per le applicazioni comuni è difficile andare oltre al raddrizzatore a doppia semionda Occorrono sistemi di filtraggio per aumentare l efficienza di raddrizzamento A03.1

13 Parte Filtri per alimentatori Generalità Filtro induttivo Filtro capacitivo Filtro LC A03.13

14 Generalità Per aumentare l efficienza di conversione occorre sare almeno un sistema a doppia semionda sare almeno un elemento per immagazzinare energia Induttore, condensatore o entrambi Erogano corrente al carico quando i diodi sono interdetti Per modellare il carico si può ricorrere A una resistenza di carico A un generatore di corrente costante A un generatore di corrente costante Questo caso si verifica di frequente nei circuiti elettronici, dove i sistemi a valle dell alimentatore sono progettati per assorbire una corrente costante A03.14

15 Modello Modello per la valutazione del funzionamento rasformatore e diodi ideali (doppia semionda) In uscita resistenza o generatore di corrente = m sin(π f t ) Diodo Filtro Carico Carico t A03.15

16 addrizzatore a filtro L iene posto un induttore in serie al carico ende a garantire la costanza della corrente nel carico Esiste un legame tra L, (o i ), e ondulazione residua I diodi si scambiano di ruolo con correnti non nulle per v IN = 0 Non adatto per carichi digitali A causa delle brusche variazioni di assorbimento D L v vin = vu + v jω) L u ( in dv dt u = v ( jω) + jωl A03.16

17 A03.17

18 addrizzatore a filtro C (1) iene posto un condensatore in parallelo al carico Si carica quando la tensione di ingresso è massima Alimenta il carico quando il diodo si interdice Il diodo cambia stato periodicamente Attenzione: : il sistema non è lineare! D D I C v C v A03.18

19 Funzionamento addrizzatore a filtro C () Fase di carica Dal generatore al condensatore e al carico (da t 1 a t ) Fase di scarica Dal condensatore al carico, con diodo interdetto (da t 1 a /) = m sin(π f t ) v t 1 t / t A03.19

20 addrizzatore a filtro C (3) Analisi approssimata Carica istantanea e scarica di durata / Si assume (t t 1 ) trascurabile rispetto a / Entità della scarica pari a v = I / C con corrente costante Oppure v = M (1 - e -/C ) con carico resistivo = m sin(π f t ) v / t A03.0

21 A03 A addrizzatore a filtro C (4) addrizzatore a filtro C (4) m m m 4 I I C v = = = = + = = / 0 m m / 0 m ueff dt C t I C t I dt C t I ( ) m ueff 3 I I F = = ( ) m m 3 4 I I + =

22 Progetto di un raddrizzatore a filtro C opologia circuitale Specifiche Specifiche Condizioni dell ingresso ensione e massima corrente di uscita Parametri sulla qualità dell uscita Massimo fattore di ondulazione ammesso Minimo valore assoluto della tensione di uscita (in alternativa) Dimensionamento Analisi delle prestazioni, ottimizzazione Convalida del progetto A03.

23 addrizzatore a filtro LC Sfrutta le caratteristiche positive dei precedenti Corrente quasi costante nei diodi iduzione dei picchi di assorbimento per caricare la capacità idotta influenza dalle variazioni dell ingresso Bassa resistenza equivalente di uscita sato per gli alimentatori di potenza maggiore D L C v jω) = v u ( in ( jω) + jωl ( 1+ jωc ) A03.3

24 Parte 3 Moltiplicatore di tensione Descrizione Schema Funzionamento A03.4

25 Moltiplicatori di tensione (1) Cascata di fissatori e rivelatori di inviluppo Fissatore a zero ivelatore di picco (( 1 = inpp ) Fissatore a 1 ivelatore di picco (( = inpp ) Fissatore a ivelatore di picco (( 3 = 3 inpp ) Si perdono γ per ogni stadio A03.5

26 Moltiplicatori di tensione () C1 10u D1 D1N4001 C 10u D3 D1N4001 D D1N4001 OFF = 0 AMPL = 5 FEQ = C3 10u D5 D1N4001 D6 D1N4001 D4 D1N4001 C4 10u C5 10u C6 10u 1 10k 0 A03.6

27 30 Moltiplicatori di tensione (3) s 0ms 40ms 60ms 80ms 100ms (1:) (D3:) (C4:) (D1:1) (C:) (D6:) ime A03.7

28 Parte 5 egolatore di tipo parallelo (shunt regulator) Definizioni Circuito Dimensionamento A03.8

29 Definizione di regolatore Sistema per generare una tensione costante Adatta per alimentare sistemi elettronici Caratteristiche ideali Indipendente dalle variazioni della tensione di ingresso ipicamente per un intervallo pari al ± 10% del valore nominale Indipendente dalle variazioni di temperatura In tutto l intervallo di funzionamento (per esempio 50 C 70 C) Indipendente dalle variazioni della corrente nel carico Da 0 alla corrente massima erogabile I MAX A03.9

30 Parametri di prestazione Fattore di regolazione S Quantifica l effetto delle variazioni della tensione di ingresso sull uscita Coefficiente di temperatura S esistenza di uscita r esistenza differenziale dell uscita S = dv dv IN S = dv d r = u dv di A

31 egolatore parallelo Sfrutta il tratto ripido della caratteristica i-v di un diodo zener in polarizzazione inversa La giunzione polarizzata in inversa deve andare in parallelo al carico La Z presenta solo piccole variazioni nelle diverse condizioni di funzionamento antaggi e svantaggi Semplice Prestazioni mediocri Dissipa energia anche a vuoto Dissipa energia anche a vuoto Deve scorrere sempre corrente nel diodo per rimanere in breakdown A

32 Circuito del regolatore 1 1k 0dc 1ac AN = 0dc 1 D1 1N460 I1 0Adc A03.3 3

33 Prestazioni del regolatore Si determina il punto di lavoro Se è disponibile la caratteristica i-v,, si usa il metodo grafico, con la retta di carico in funzione di IN e I Oppure si usa il modello dello zener per grandi segnali Si trova l effettivo valore di r z Inverso della pendenza della i-v,, se disponibile Si ricavano i parametri di prestazione nel circuito per piccoli segnali S r z = r u = rz + rz A

34 Progetto di un regolatore opologia circuitale Specifiche Esempio: v = 1 I MAX = 50 ma IN = 15 ± 10% cioè 13.5 IN 16.5 Dimensionamento Analisi delle prestazioni, ottimizzazione Convalida del progetto Simulazione in varie condizioni A

35 Fatto & Da fare Caratteristica di trasferimento ivelatori, fissatori addrizzatori egolatore a zener Circuiti amplificatori Modelli per amplificatori Equivalenza dei modelli isposta in frequenza A

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