Elettronica per l'informatica 21/10/03

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1 Unità D: Gestione della potenza D.1 D.2 D.3 Alimentatori a commutazione D.4 Pilotaggio di carichi D.5 Gestione della potenza 1 2 componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri 3 4 componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri Alimentatori a commutazione tecniche PWM, topologie buck e boost accumulatori e caricabatterie componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri Alimentatori a commutazione tecniche PWM, topologie buck e boost accumulatori e caricabatterie Pilotaggio di carichi tecniche di pilotaggio, attuatori, carichi induttivi 5 6 MC 2003 Lez D1 1

2 Prerequisiti per l unità D componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri Alimentatori a commutazione tecniche PWM, topologie buck e boost accumulatori e caricabatterie Pilotaggio di carichi tecniche di pilotaggio, attuatori, carichi induttivi Gestione della potenza Comportamento di sistemi del I e II ordine nel dominio del tempo Elettrotecnica Sistemi low-power, ottimizzazione potenza/prestazioni 7 8 Lezione D1 Riferimenti nel testo MC 2003 Lez D1 2

3 A cosa serve un convertitore? Un convertitore di energia è un dispositivo in grado di assorbire energia da una o più fonti nella forma in cui sono in grado di fornirla ed erogarla ad uno o più utilizzatori nella forma in cui questi sono in grado di assorbirla Convertitore di Energia A cosa serve un convertitore? A cosa serve un convertitore? I convertitori di cui ci occuperemo trasformano una forma di energia elettrica in un altra con l impiego di circuiti elettronici, sono quindi detti statici perché non hanno parti meccaniche in movimento L energia elettrica è disponibile sostanzialmente in due forme differenti, secondo il tipo di sorgente: AC Sorgente alternata (tensione sinusoidale) Alternatori, Dinamo, ecc. DC Sorgente continua (tensione costante) Batterie, Fuel-cell, Celle solari, ecc. Convertitore di Energia 15 Un convertitore di energia elettrica deve quindi poter trasformare una forma di energia nell altra, o nella stessa per valori nominali differenti, perdendo nel processo di conversione la minima quantità possibile di energia 16 A cosa serve un convertitore? Ogni convertitore di energia è caratterizzato da un parametro fondamentale: il rendimento della conversione, definito come η = P P OUT IN η < 1 SEMPRE! Più alto è il rendimento energetico, migliore sarà il convertitore, a pari condizioni di funzionamento MC 2003 Lez D1 3

4 L energia elettrica viene distribuita e fornita all utenza finale sotto forma di tensione sinusoidale Gamma di tensione Da 90Vac (Giappone) a 265Vac (Australia) Gamma di frequenze Da 47Hz (Europa) a 63Hz (USA) 440Hz su aerei La maggior parte dei circuiti elettronici deve essere alimentata con una o più tensioni continue 19 È necessario un convertitore 20 Convertitori di tensione AC-DC Raddrizzatore di tensione alternata e forniscono una tensione continua Questo genere di circuiti può essere anche molto complesso, ma generalmente lo stadio di ingresso contiene un raddrizzatore di tensione alternata bipolare e forniscono una tensione alternata unipolare Esistono due tipi di raddrizzatori: Raddrizzatore a singola semionda Raddrizzatore a doppia semionda Raddrizzatore a singola semionda: Raddrizzatore a singola semionda filtrato: = La corrente può essere solo positiva C f + τ = C f Vout t MC 2003 Lez D1 4

5 Raddrizzatore a doppia semionda filtrato: Raddrizzatore a doppia semionda: Modifico lo schema aggiungendo un altra coppia di diodi per condurre anche quando Vin è negativa Se aggiungo un diodo in serie non cambia nulla t Raddrizzatore a doppia semionda filtrato: Vin C f + t La frequenza del disturbo raddoppia, e l ondulazione diminuisce Regolatori di tensione continua e forniscono una o più tensioni continue di buona qualità MC 2003 Lez D1 5

6 Esistono due tipi di regolatori: Regolatori Lineari o Dissipativi Standard LDO (Low Drop Out) Regolatori a Commutazione A onda quadra Risonanti A capacità commutate Regolatori di tensione lineari continua e forniscono una tensione continua di buona qualità, sempre di intensità inferiore In funzione della topologia e delle conseguenti prestazioni si classificano in Standard LDO (Low Drop Out) Quasi tutti i ciruiti elettronici ne contengono almeno uno Regolatori di tensione lineari I regolatori si comportano come una resistenza variabile in serie alla sorgente di energia Al loro interno possiedono un sistema di controllo in grado di variare questa resistenza equivalente per mantenere costante la tensione di uscita al variare delle condizioni di carico V drop continua e forniscono una tensione continua di buona qualità + I leak REG In funzione della topologia e delle conseguenti prestazioni si classificano in Regolatori ad onda quadra Regolatori risonanti Regolatori a capacità commutate I regolatori a commutazione hanno un rendimento in generale molto elevato, che tende idealmente all unità, ed in ogni caso dipende molto debolmente dal salto di tensione V drop I regolatori ad onda quadra sono quelli più usati, sia nelle topologie standard che derivate Buck - < Boost - > Buck-Boost - Polarità invertita MC 2003 Lez D1 6

7 Diamo una definizione: Duty-Cycle ON T ON T OFF TSW T SW T D = Regolatori risonanti I regolatori ad onda quadra presentano delle perdite dovute alle commutazioni degli elementi attivi del circuito, che passando dallo stato ON (V=0, I qualunque) a quello OFF (I=0, V qualunque) dissipano una certa quantità di potenza ad ogni transizione, in quanto per un breve istante si trovano percorsi da corrente con tensione ai loro capi I regolatori risonanti sfruttano degli elementi reattivi (L e C) anche parassiti, per effettuare delle commutazioni con andamento sinusoidale Questo genere di convertitori presenta un rendimento molto elevato ed una densità di potenza trattata notevole Molti alimentatori per pc portatili sono a tecnologia risonante, ed erogano circa 100W pur essendo poco più grandi di un mazzo di carte 39 Regolatori a capacità commutate Esiste una famiglia di regolatori che non necessita di componenti magnetici, ma solo di condensatori Questi regolatori trovano impiego in applicazioni di bassa potenza perché non hanno rendimento elevato, ma sono estremamente versatili perché possono innalzare o invertire la polarità della tensione di ingresso, caratteristica che semplifica molto la progettazione di circuiti di bassa potenza. 40 Tutto ciò sarebbe infatti impossibile con i regolatori lineari, mentre i regolatori a commutazione standard sono più adatti per trattare potenze medie e alte, mentre possono risultare inefficienti o troppo ingombranti per applicazioni very-low-power MC 2003 Lez D1 7

8 Invertitori di tensione (Inverter) continua e forniscono una o più tensioni alternate di intensità e frequenza variabili Esistono due tipi di inverter, entrambi possono avere uscita monofase o trifase: Voltage Source Inverter Invertitori di tensione Current Source Inverter Invertitori di corrente Gli inverter sono essenziali per il controllo dei motori elettrici alimentati in AC 45 Invertitori di tensione (Inverter) cella base +V D 1-D DC D 1-D GND V = D OUT V DC Se si calcola la tensione media V OUT = D V + ( 1 D) 0 DC Si ottiene che 46 Invertitori di tensione (Inverter) cella base Invertitori di tensione (Inverter) monofase +V DC GND D 1-D () t Ѐ possibile variare dinamicamente il parametro D ciclo dopo ciclo per ottenere un valor medio di di forma sinusoidale. La cella base è un generatore unipolare, si noti che D varia tra 0 e 1, quindi è compresa tra 0 e V DC V OUT () t = D() t VDC Partendo dalla cella base è possibile ottenere dei generatori di tensione bipolari monofase e trifase, pilotando opportunamente gli interruttori di ciascuna cella base +V DC AC AC 47 GND 48 MC 2003 Lez D1 8

9 Sommario lezione D1 Verifica lezione D1 Esercizio D1.1: Quali parametri determinano l ampiezza del ripple di uscita in un alimentatore convertitore AC-DC? Quali tipologie di convertitori DC-DC esistono normalmente in commercio? A cosa servono gli inverter? Prossima lezione (D2) Componentistica e tecnologie Filtri Regolatori integrati Riferimenti di tensione 51 MC 2003 Lez D1 9