Alimentatori. Specifiche degli alimentatori. Struttura di un alimentatore da rete. Esempi di progetto di alimentatori. Elettronica di potenza

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1 Elettronica di potenza 1 Alimentatori Struttura di un alimentatore da rete Esempi di progetto di alimentatori Politecnico di Torino 1

2 Introduzione Gli alimentatori sono apparati che trasformano l 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 che caratterizzano un alimentatore Studiare la struttura tipica di un alimentatore da rete Verificare, mediante esempi, i vantaggi e gli svantaggi delle diverse strutture esaminate 3 Alimentatori Politecnico di Torino 2

3 Specifiche elettriche Tensioni e correnti d ingresso/uscita Potenza, protezioni Altre specifiche: ambientali, meccaniche, di affidabilità e sicurezza 5 Introduzione Nel progetto di alimentatori occorre tenere conto di diversi tipi di specifiche: Elettriche EMC Ambientali Meccaniche Affidabilità Sicurezza Design for production Aderenza a normative Qualità Documentazione COSTO! Politecnico di Torino 3

4 7 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 Politecnico di Torino 4

5 Tensione di ingresso Tensione di ingresso Valore nominale e intervallo Variazioni (rumore e ripple) Frequenza (in caso di AC) Transitori (sag, brown out, microinterruzioni) 9 Tensione di ingresso Esempio: per un alimentatore universale da rete Tensione efficace fra 90V e 265V Frequenza fra 47 Hz e 63 Hz Esempio: per un alimentatore automobilistico Tensione fra 6V e 18V con picchi al di fuori di questi valori Politecnico di Torino 5

6 Tensioni di uscita Tensioni di uscita Precisione Stabilità Regolazione di carico e impedenza di uscita Regolazione di linea e suscettibilità audio Crossregolazione Temperatura Invecchiamento Rumore e ripple (PARD: periodic and random deviation) Valori rms, medi, picco 11 Regolazione di carico Due modi di misurare la variazione di V u al variare 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 u per 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 Politecnico di Torino 6

7 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 linea La regolazione di linea specifica le variazioni della tensione di uscita entro il campo di variabilità della tensione di rete (o comunque di ingresso) 13 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 in mv/mese, oppure in mv/(mese) 1/2 (fenomeno statistico) Politecnico di Torino 7

8 Tensioni di uscita Caratteristiche dinamiche Scostamento della tensione in seguito a uno stimolo Tempo di recupero, per avere la tensione di nuovo entro una fascia prefissata 15 Comportamento dinamico Comportamento dinamico: analisi in transitorio Es: variazione carico. Come cambia V u? V u Politecnico di Torino 8

9 Comportamento dinamico Comportamento diverso in transitorio Legato alla dinamica del dispositivo Si considerano gli elementi reattivi Poli e zeri della funzione di trasferimento Stabilità dell uscita nei transitori V u? V u t 17 Tensioni d uscita Altre caratteristiche Campo di regolazione e taratura Hold up time: per quanto tempo si garantisce l uscita in seguito a mancanza di energia all ingresso Politecnico di Torino 9

10 Corrente di uscita Corrente di uscita Valore minimo (spesso 0 A, ma non sempre) Valore massimo Continuo Picco Variazioni di carico (di /dt ) Comportamento in caso di cortocircuito Tipo di carico accettabile (capacitivo, induttivo...) Politecnico di Torino 10

11 Altre caratteristiche elettriche: potenza Consideriamo la potenza: P u <P i in ogni caso Efficienza: η =P u /P i <1 Potenza dissipata (normalmente in calore): P d =P i -P u P i P u Si cerca di avere η alta: L energia costa! Il calore è un problema! Sistemi a batteria: aumenta l autonomia 21 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 in cui I i èmolto piùalta: INRUSH CURRENT Parametro importante per sistemi di grande potenza o con autonomia limitata Politecnico di Torino 11

12 Protezioni L alimentatore non deve danneggiare il sistema in cui è inserito. Ci devono essere protezioni su: Carico. Non deve essere danneggiato da sovratensioni d uscita: circuito separato che controlla V u e stacca il circuito in caso di anomalie. Sorgente. Se l alimentatore richiede troppa corrente si deve interrompere l erogazione dell energia. 23 Protezioni Alimentatore. Deve proteggersi da richieste fuori specifica da parte del carico (es cortocircuito) o da tensioni fuori range sull ingresso e da surriscaldamento. Specifiche di fail safe e di diagnostica/comando remoti Politecnico di Torino 12

13 Compatibilità elettromagnetica Norme piuttosto stringenti sulla compatibilità irradiata e condotta In Italia è obbligatorio il marchio CE che specifica anche questi aspetti. Il marchio CE si appone per autocertificazione, a seguito di prove in camera anecoica o per analisi del progetto Politecnico di Torino 13

14 Specifiche ambientali Per le caratteristiche ambientali si seguono delle normative. Caratteristiche principali: Temperatura. Sono definiti dei campi standard: Civile: 0 C +70 C Industriale: -40 C +85 C Militare: -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 condensatori elettrolitici 27 Caratteristiche meccaniche Caratteristiche principali: Dimensioni e forma Massa Resistenza a vibrazioni, urti, accelerazioni Posizione di fori di fissaggio, connettori e collegamenti Orientamento di montaggio, metodo di raffreddamento (aria naturale, aria forzata, liquido) Marchiature e scritte sull alimentatore e sulla scatola Politecnico di Torino 14

15 Affidabilità L affidabilità dipende da quanto sono stressati i componenti. Per avere alta affidabilità bisogna usare i componenti molto al di sotto dei limiti: DERATING In alcuni casi si devono fare sistemi ridondanti, in modo che il guasto su una parte del sistema non ne comprometta il funzionamento globale 29 Sicurezza La sicurezza è un parametro molto importante. Dipende da: Isolamento elettrico: bisogna tener conto anche delle tensioni di modo comune. Incendio: i materiali non devono infiammarsi. Esistono normative apposite. Scintille (per funzionamento in ambienti con polveri o gas esplosivi) Politecnico di Torino 15