metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi Alimentatori lineari

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1 Elettronica per l informatica 1 Contenuto dell unità D Conversione dell energia metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi Alimentatori lineari componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri Alimentatori a commutazione tecniche PWM, topologie buck, boost e buck-boost accumulatori e caricabatterie Pilotaggio di carichi tecniche di pilotaggio, attuatori, carichi induttivi Gestione della potenza Sistemi low-power, ottimizzazione potenza/prestazioni 2

2 Lezione D5 Pilotaggio di carichi Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 3 Elettronica per l informatica 4

3 Indice della lezione D5 Pilotaggio di carichi Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 5 Azionare un sistema elettromeccanico significa mettere in relazione tra di loro almeno quattro mondi differenti: Automazione : control system software & firmware Elettronica : signal processing & control system hardware, elettronica di potenza Elettrica : attuatori (motori, elettromagneti, piezo ) Meccanica : sistema da azionare 6

4 Azionamenti elettronici: collegano il mondo delle informazioni con quello elettrico trasformano e dosano l energia in funzione dei segnali di controllo che ricevono ALIMENTAZIONE CONTROL SYSTEM INFORMAZIONE ELECTRONIC POWER DRIVES ENERGIA ELECTRICAL SYSTEM 7 Azionamenti elettronici: Gli azionamenti fanno uso di circuiti elettronici in grado di trasformare l energia assorbita dall alimentazione per fornirla al carico in funzione dei segnali di comando Questi circuiti possono essere lineari, a commutazione e talvolta composti da una combinazione dei due 8

5 Azionamenti elettronici: La scelta del tipo di azionamento dipende da molti fattori, di tipo elettrico e di sistema ambiente di lavoro specifiche del sistema di alimentazione tipo di carico prestazioni desiderate rendimento voluto nella conversione energetica interfacce verso il sistema di controllo 9 Azionamenti elettronici lineari: sono sostanzialmente degli amplificatori lineari in grado di funzionare con tensioni e correnti elevate. Esistono anche amplificatori operazionali di potenza integrati il rendimento della conversione energetica è piuttosto basso il segnale di uscita è di ottima qualità richiedono conversioni D/A-A/D come interfaccia verso circuiti digitali 10

6 Azionamenti elettronici a commutazione: esistono svariate topologie, le più diffuse sono il parzializzatore ed il ponte intero il rendimento è generalmente molto elevato il segnale di uscita (salvo filtraggio) è rumoroso la natura dei loro comandi è intrinsecamente digitale (switch on/off) 11 Elettronica per l informatica 12

7 Indice della lezione D5 Pilotaggio di carichi Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 13 Motori elettrici I motori elettrici sono un tipico esempio di carico elettrico che richiede un azionamento complesso Compito dell azionamento (opportunamente comandato dal sistema di controllo) è in genere quello di controllare una o più variabili del motore: coppia erogata velocità posizione 14

8 Motori elettrici: classificazione DC Brushless-DC Brushless-AC Asincroni Stepper In seguito verrà analizzato il principio di funzionamento del motore DC 15 Motore elettrico DC E costituito da tre parti fondamentali Statore: realizzato con magneti permanenti Commutatore: contatti striscianti calettati sull albero del rotore, commutano in modo opportuno la polarità degli avvolgimenti del rotore Rotore (o armatura): avvolgimento rotante composto da numerose spire attraversate da corrente elettrica 16

9 Il campo generato dall armatura interagisce con quello generato dai magneti dando luogo ad una coppia disponibile sull albero motore Il motore in continua a spazzole è il più semplice da pilotare e per questo molto impiegato 17 Motore elettrico DC La corrente che scorre negli avvolgimenti del rotore produce un campo magnetico in grado di interagire con il campo di statore: il risultato è una coppia sull albero motore La tensione applicata ai capi del rotore è costante, e così si può dire anche della corrente, almeno in prima approssimazione. 18

10 Motore elettrico DC La progressiva rotazione dell albero porterà ad affacciarsi i poli opposti di rotore e statore Affinchè il motore non rallenti, è opportuno invertire la corrente nell avvolgimento del rotore 19 Motore elettrico DC In questo modo il campo indotto continuerà a portare il motore in una condizione di instabilità L inversione si ottiene scambiando la polarità della tensione imposta all avvolgimeto del rotore mediante appositi commutatori detti spazzole 20

11 Motore elettrico DC Le spazzole sono realizzate mediante contatti striscianti opportunamente disposti sull albero del rotore Questo permette di evitare l impiego di un commutatore esterno associato ad un sensore di posizione (è infatti necessario conoscere con una certa precisione quando invertire la tensione) Ai morsetti esterni è quindi sufficiente fornire una tensione continua, il motore stesso provvederà a commutare i suoi avvolgimenti 21 Elettronica per l informatica 22

12 Indice della lezione D5 Pilotaggio di carichi Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 23 Pilotaggio in linearità Esempio: amplificatore audio Riproduce ai capi di un altoparlante una tensione proporzionale ad un segnale di riferimento in ingresso ENERGIA INFORMAZIONE A ENERGIA + INFORMAZIONE 24

13 Pilotaggio in linearità Esempio: amplificatore audio Uno schema di principio classico è lo stadio di uscita in classe A-B MIC A LEVEL SHIFTER V OUT 25 Pilotaggio in linearità Esempio: amplificatore audio L uscita in classe A-B, se ben progettata, presenta ottime qualità di precisione e dinamica, ma il rendimento risulta piuttosto scarso La causa principale è dovuta al fatto che gran parte della V AL -V OUT cade ai capi dei transistori finali, mentre questi sono percorsi dalla corrente desinata al carico, e non potrebbe essere altrimenti, visto che lo stadio è lineare V AL I OUT V OUT 26

14 Pilotaggio in linearità Esempio: amplificatore audio Volendo migliorare il rendimento dell amplificatore sarebbe necessario diminuire la V CE dei transistori ad un valore tale da tenerli accesi in linearità (pochi volt), ma per fare questo devo poter variare la V AL mentre l amplificatore funziona Chiaramente non posso farlo con un altro amplificatore lineare, sposterei unicamente il problema altrove I OUT V AL V OUT 27 Pilotaggio in linearità Esempio: amplificatore audio classe H Si può invece usare un convertitore DC-DC a commutazione (alto rendimento) per variare dinamicamente l alimentazione, e minimizzare così le perdite sui transistori finali SWITCHING DC-DC MIC A LEVEL SHIFTER V OUT 28

15 Elettronica per l informatica 29 Indice della lezione D5 Pilotaggio di carichi Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 30

16 Pilotaggio in commutazione Motore DC: modello elettrico Da un punto di vista elettrico un motore DC si può modellare con il circuito qui rappresentato R a L a I MOT E BEMF V MOT + E = BEMF K E Ω T = K T I MOT R 31 Pilotaggio in commutazione R a ed L a dipendono dall avvolgimento del rotore, mentre E BEMF rappresenta la forza controelettromotrice, proporzionale alla variazione di flusso e quindi alla velocità di rotazione del motore, la coppia erogata è invece funzione della corrente R a L a I MOT E BEMF V MOT + E = BEMF K E Ω T = K T I MOT R 32

17 Pilotaggio in commutazione Motore DC Viste le equazioni precedenti, si possono identificare 4 zone di funzionamento in funzione dei segni di V ed I I MOT ROT. INDIETRO FRENO ROT. AVANTI MOTORE ROT. INDIETRO MOTORE ROT. AVANTI FRENO V MOT 33 Pilotaggio in commutazione Pilotaggio motore 2-Q +V DC Facendo uso della cella base, è possibile pilotare un motore con tensione unicamente GND positiva, quindi lavorando solo sul primo e sul secondo quadrante Questo semplice azionamento è sufficiente per molte applicazioni che non prevedono l inversione di rotazione D 1-D V OUT V OUT V = D OUT V DC 34

18 Pilotaggio in commutazione Pilotaggio motore 4-Q +V DC D 1-D Usando due celle base, è possibile pilotare un motore in ogni condizione di lavoro, come si può vedere dall espressione di V OUT V OUT 1-D D GND A fronte di un maggior costo si ottiene il controllo completo del motore V OUT D 1-D V OUT ( 2D ) VDC = 1 35 Sommario lezione D5 Pilotaggio di carichi Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 36

19 Verifica lezione D5 Cosa si intende per azionamento? Quali fattori influenzano la scelta di un azionamento? Azionamenti lineari e a commutazione: quali differenze? Azionamenti lineari: pregi e difetti Azionamenti a commutazione: pregi e difetti 37