ElapE2 23/11/ DDC 1 ELETTRONICA APPLICATA E MISURE. Ingegneria dell Informazione. E2: Sistemi di alimentazione

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1 Ingegneria dell Informazione E2: Sistemi di alimentazione ELETTRONICA APPLICATA E MISURE Dante DEL CORSO Leonardo REYNERI E2 SISTEMI DI ALIMENTAZIONE» Parametri e struttura» Zener e regolati parallelo» Regolatori serie» Regolatori integrati AA Tipi di alimentatore e loro parametri Regolatori parallelo: Diodi Zener Regolatori serie Circuiti a transistori Circuiti con amplificatori operazionali (e transistori) Regolatori di tensione integrati Regolatori a bassa caduta (Low DropOut, LDO) Riferimenti: M. Zamboni: Elettronica dei sistemi di interc. e acq.: cap. 6 F.Maloberti: Understanding Microelectronics, Cap 13 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Convertitori di energia elettrica Quadro complessivo convertitori Energia elettrica: forme differenti AC (Alternate Current): tensione alternata (sinusoidale) Fornita da alternatori, rete di distribuzione, inverter, DC (Direct Current): tensione continua (V costante) Fornita da batterie, celle solari, fuel-cell, alimentatori DC Convertitore di energia (elettrica): Trasforma una forma di energia (elettrica) nell altra, o nella stessa con altri parametri Obbiettivi:» Minime perdite / alto rendimento» Parametri di uscita ben controllati (V, F, )» Protezioni (no danni a carico e sorgente) AC AC Trasformatori Convertitori (AC DC AC) AC DC Alimentatori (Power Supply) DC AC Inverter DC DC Regolatori Convertitori (DC AC DC) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Sistemi di alimentazione Parametri di ingresso Specifiche Tensione/corrente di ingresso, tipo, Tensione e corrente in uscita (campi) Regolazione, stabilità, rendimento,. Esigenze particolari (precisione, fail-safe, ) Unità funzionali Protezioni di ingresso Isolamento galvanico (se richiesto) Conversione AC-DC (con eventuale filtro) Regolatore Protezione in uscita Tipo: AC, DC, batteria, dinamo, pannello solare, Valore nominale e campo V AC, 12V DC ± 10%, Frequenza (se AC) 50 Hz, Hz, 400 Hz, Rumore e spurie Armoniche Transitori 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 1

2 Parametri di uscita Sicurezza e protezioni Valori nominali (su etichetta!) e tolleranze Tensione di uscita Vo : 12 V, 5 V - 10%,. Corrente Io (min, max, ) : 0,1 A, 0-50 A, Ondulazione (variaz. periodiche) e rumore (variaz. casuali) Stabilità Regolazione al variare del carico: Ro = ΔVo/ΔIo Regolazione per variazioningresso (line): Sv = ΔVo/Δ Altri parametri Foldback, fail safe, protezioni, Temperatura: max, min, derating, Segnalazione power-off anticipata I OMAX I O Non danneggiare altre parti del sistema Utente (safety) no scossa! Isolamento galvanico Carico Non avere sovratensioni in uscita Sorgente di ingresso (rete o batteria) Limitatore corrente ingresso (fusibile) EMC Non generare disturbi verso esterno Fail-safe Non fare danni in caso di guasto Protezione del sistema di alimentazione Limitatore di corrente in uscita (in caso di guasto o corto) Proteggere da sovratensioni di ingresso Temperatura (esterna e riscaldamento per dissipazione) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Schema a blocchi di PSU classica Maglia di ingresso Interr. rete e fusibile F Filtro EMC di ingresso Trasformatore: cambia la tensione, garantisce isolamento galvanico Raddrizzatore: tensione alternata (AC) tensione unipolare (con ripple) Filtro: tensione unipolare ~ DC (o quasi) Regolatore di tensione Regolatore tensione di uscita L interruttore ON/OFF di rete isola l alimentazione Non sempre presente; spesso OFF è in realtà uno standby Filtro di ingresso Blocca interferenze condotte È un filtro passivo Fusibile: apre per correnti eccessive (protezione da guasti) Trasformatore Porta la tensione a valore comodo, con buona resa (η) Garantisce isolamento galvanico (sicurezza!) Grosso, pesante, costoso, passare ad alimentatori a commutazione 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Conversione AC-DC Raddrizzatore a singola semionda La conversione AC-DC richiede due elementi base Raddrizzatore Trasforma AC bipolare in tensione unipolare Usa diodi standard o (per alte potenze) diodi controllati La tensione raddrizzata ha una componente DC e numerose componenti AC (armoniche dell AC di rete) I in I IN C R load Filtro anti-ronzio La componente DC passa senza attenuazione Rimuove o riduce le componenti AC Circuito passivo: filtro passa-basso RC, LC Circuito attivo: regolatore di tensione 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 2

3 Raddrizzatore a onda intera Altro circuito AC DC a onda intera ~ I IN C R load C R load I IN I in t Vantaggio: Singola caduta su diodo Svantaggio: Trasformatore più pesante e costoso 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Flusso di corrente Ondulazione in uscita Primo ciclo: Carica completa del condensatore di filtro Corrente Inrush V C A regime Corrente di picco molto più alta della corrente media in uscita ( x 5) Caduta sui diodi (alta corrente, 1V) Corrente non sinusoidale armoniche, emissione di disturbi I T Inrush current Impulsi di corrente a regime Angolo di conduzione α C Ipotesi semplificative Scarica lineare di C (corrente costante nel carico) Ondulazione (ripple) a dente di sega (C caricato a K T/2) Tensione di ripple V RI V RI = (I O x T/2) / C IO VRI 2fC Tensione di uscita V DC V DC = V picco V RI /2 Con caduta Vd sul diodo: V DC = V picco 2 Vd V RI /2 V C V DC 2V d T/2 V picco V RI t 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Svantaggi della struttura classica Regolatore di tensione in uscita Trasformatore alla frequenza di rete (50/60 Hz) Ingombrante, pesante, costoso Per ottenere bassa ondulazione: Alte capacità di filtro ingombranti e costose Forti correnti impulsive perdite nei diodi, interferenze (EMI)» etato da regole EC per potenze > 10 W Strutture alternative: Regolatori attivi per ridurre l ondulazione Alimentatori a commutazione spostano il trasformatore a frequenze alte alto rendimento, dimensioni ridotte Scelta obbligata se P > 10W Il regolatore di tensione fornisce costante Variazioni della corrente nel S L = Δ ΔI L» Resistenza equivalente di uscita Ro = S I Variazioni della tensione di ingresso V I :» Regolazione ingresso/uscita Si = Δ /ΔV I» Riduzione dell ondulazione (vista come variazione di V I ) V I REGOLATORE DI TENSIONE I L L 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 3

4 Regolatore attivo (lineare) Regolatori serie e parallelo Regolatori parallelo (shunt) Diodo Zener Riferimenti di tensione Obbiettivo: costante per variazioni di V i, L Due tecniche base R S Regolatori serie Circuiti con transistori e operazionali Permettono limitazione di corrente Regolatori integrati Standard 3-terminali A bassa caduta (Low DropOut, LDO) Partitore di corrente: cambiare il rapporto di partizione agendo sui ramo parallelo R P regolatore parallelo Partitore di tensione: cambiare il rapporto agendo sul ramo serie R S regolatore serie V i R P R S L L 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Regolatore parallelo (diodo Zener) Esercizio E2.1: regolatore con Zener Regolatore parallelo base: diodo Zener Molto semplice Bassa efficienza, adatto per basse potenze I riferimenti di tensione sono regolatori parallelo (a bassa corrente) Correnti nei diodi Zener Maggiori di I zmin (~ 5 ma) Minori di I zmax (per limitare la potenza dissipata) Corrente di ingresso costante Caratteristica sfruttata in applicazioni particolari (Smart Card) V dc R V z Progettare un regolatore parallelo con: = V Vo = 5 V (per quanto possibile) Io = ma Diodo Zener disponibile: Vzo = 5 V, Rz = 10 ohm, Izmin = 5 ma Pdmax = 2 W Calcolare Resistenza di caduta R (min/max) Vo min/max (varie combinazioni di, Io, R) Pdmax per R e per lo Zener R Vo 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Regolatore serie schema base Regolatori Serie Il regolatore serie si comporta come una resistenza variabile La resistenza variabile è un BJT o MOS Il controllore CNT confronta l uscita Vo con un riferimento Vr Richiedono una resistenza variabile controllata Possono usare BJT o MOS Amplificatore di corrente dal riferimento di tensione Realizzabile con riferimento di tensione e A.O. V i R L V i Vr R CNT R L Sempre Vo < Tutti i regolatori richiedono una caduta (V) minima (Vdrop) fonte di perdite, riduce l efficienza LDO (Low Drop Out) regolatori a bassa caduta/alta efficienza Disponibili come integrati standard (commodity), per Tensioni fissa (5, 6, 9, 12, V) Tensione variabile 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 4

5 Esempio di regolatore serie Regolatore con reazione Regolatore base Resistenza-Zener Regolazione ripartendo la corrente tra Zener e carico Basso rendimento, correnti gestibili limitate V Z e Amplificatore di corrente con Emitter follower (CC) Tensione di uscita: = V Z V BE stesso Sv Possibili ampie variazioni della corrente nel carico: ΔI O = ΔI Z β R O più bassa Limiti a R O legati a g m (h ie ) V BE Generatore di riferimento e amplificatore Confronta una frazione β della tensione di uscita con la tensione di riferimento V R Pilota l elemento di controllo per mantenere β = V R V S1 Occorre un riferimento di tensione (V R, diodo Zener o altro) V R βv U β I O 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Regolatore con Amp Op e BJT Limitatore di corrente BJT usato come stadio di potenza Collettore Comune Se > V REF : β = V REF Se < V REF : = β V REF Caduta da V I a : V AO (entro l operazionale) V BE V I V AO V BE V REF R 1 β R 2 R 1 βv REF R V REF 2 Transistore di potenza Q1Q2 (Darlington) Current sense: Rs Se Vs sale sopra 0,7V, Q3 toglie corrente dalla base di Q1 Corrente ridotta in Q1 e Q2, Q2. V ref I Omax = 0,7/R S R 2 Q3 Q1 R 1 Vs Q2 R S I O R L 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Rendimento di regolatori serie Regolatori di tensione commerciali Perdite da caduta di tensione e correnti di perdita Normalmente I LEAK << I OUT I POUT VOUT IN ILEAK PIN VIN IIN Per migliorare il rendimento Ridurre la caduta V regolatori Low Drop-Out (LDO) Ridurre le correnti di perdita I Q tensione di riferimento Vr a bassa potenza Passare ai regolatori a commutazione VOUT VIN Sono disponibili numerosi regolatori integrati Regolatori lineari: famiglia 78xx (positivi) XX = tensione di uscita Contenitori per alte potenze Corrente Max in base» 50 ma 5 A Altri dispositivi Famiglia 79xx : tensioni negative Famiglia 317: tensione di uscita variabile LM9076 LDO shutdown reset ritardato. 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 5

6 78xx data sheet 78xx data sheet 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Tensioni variabili con regolatori 3-pin Esercizio E2.2: progetto di regolatore I regolatori a 3-pin mantengono una tensione prefissata Vp tra i piedini OUT e COMUNE. Trascurando la corrente Iq: Vp = Vo R1/(R1 R2) Vo = Vp (R1 R2)/R1 Sostituendo I Q R2 con l equivalente Thevenin si aggiunge nella maglia di uscita una caduta I Q R2: Vo = Vp (R1 R2)/R1 I Q R2 IN OUT R1 COMMON I Q R2 Vc Vp Vo Specifiche: PSU da 5V, 1A con regolatore lineare Tracciare lo schema a blocchi con e senza regolatore Definire le caratteristiche di trasformatore, diodi, C Valutare Sv (stabilizzazione) e Ro (resistenza di uscita) Aggiungere un regolatore a Zener; Definire i parametri dello Zener Valutare i nuovi Sv e Ro Aggiungere un transistore di potenza (CC) Valutare i nuovi Sv e Ro Individuare (su catalogo) un regolatore 3-pin adatto Confrontare i valori di Sv e Ro con i risultati precedenti 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Lezione E2 verifica finale Quali parametri definiscono le caratteristiche di un regolatore? Tracciare lo schema a blocchi di un alimentatore con regolatore, descrivendo le funzioni di ogni modulo. Tracciare le forme d onda di tensioni e correnti per un raddrizzatore a doppia semionda (caricato). Descrivere come calcolare e come misurare l ondulazione in uscita di un alimentatore non stabilizzato. Descrivere le differenze tra regolatori parallelo e regolatori serie. Quali sono i vantaggi dei regolatori di tensione con reazione? Descrivere un circuito limitatore di corrente. Spiegare come ottenere da un regolatore a tre terminali (a tensione fissa) una tensione diversa da quella predisposta. 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 6