D = Elettronica per l'informatica 11/11/03. Lezione D3 - MC Contenuto dell unità D. Lezione D3. Indice della lezione D3

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1 Contenuto dell unità 1 Conversione dell energia metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi Alimentatori lineari componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri 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 ezione 3 Riferimenti nel testo 3 4 Indice della lezione 3 E stato definito in precedenza il uty-cycle Regolatori Buck e Boost 5 T = T SW Questa è la più semplice delle modulazioni PWM, il contenuto di informazione di questa è appunto codificato nel duty-cycle T T SW T OFF 6 ezione 3 - MC

2 ediamo alcuni tipi di modulazioni PWM tra le più usate: Modulazione A-SE: A-SE (2 livelli, Single Edge) Questo genere di modulazione muove solo il fronte di chiusura Il tipo appena visto, unipolare, si modula l istante di dell onda quadra, è la più usata negli alimentatori a commutazione transizione da 1 a 0 o viceversa (solo uno dei due), l altro fronte è fisso A-E (2 livelli, ouble Edge) Unipolare, il.c. modula sia l istante di accensione che quello di spegnimento AB (3 livelli) Bipolare a 3 livelli, include lo 0, si modulano entrambi i fronti 7 8 Modulazione A-E: Modulazione AB: Questo genere di modulazione muove entrambi i fronti dell onda quadra, è usata negli azionamenti a commutazione Questo genere di modulazione è bipolare e muove entrambi i fronti dell onda quadra, è la più usata negli azionamenti a commutazione per via del suo basso contenuto armonico 9 10 Indice della lezione ezione 3 - MC

3 Comportamento di un induttore ideale, + quindi con R serie trascurabile, pilotato in tensione a corrente nell induttore evolverà secondo la legge: t ( τ ) I = dt Se la (t) è un onda quadra, la corrente avrà un andamento di tipo triangolare 13 + C GN Si può ottenere un onda quadra usando la cosiddetta cella base, su cui sono basati tutti i convertitori 1- = C Se si calcola la tensione media = + ( 1 ) 0 C Si ottiene che 14 al punto di vista tecnologico la cella base costituita da due interruttori può essere realizzata con due MosFet collegati come in figura + C Convertitori senza induttori (inductor-less) I convertitori che non fanno uso di induttori usano per accumulare e trasportare l energia dall ingresso verso l uscita dei condensatori, vengono pertanto detti convertitori a capacità commutate. esempio più semplice di regolatore di questo tipo è il duplicatore di tensione 1- GN S2 S1 2 C1 C2 1- S1 è chiuso, C1 si carica alla tensione 2- Si apre S1 e si chiude S2, C1 non può scaricarsi su 1 e quindi lo fa attraverso 2 3- a carica di C1 si ripartisce ora tra C1 e C2 in funzione delle loro capacità 4- S1 ed S2 commutano nuovamente, la carica di C2 resta intrappolata da 2, e C1 recupera la carica persa su C2 caricandosi attraverso 1 a tensione di uscita dopo un certo numero di commutazioni tende a 2 a meno delle cadute sui diodi ezione 3 - MC

4 Indice della lezione 3 Come detto in precedenza, i regolatori ad onda quadra sono quelli più impiegati, sia nelle topologie standard (convertitori C-C) che in quelle derivate, specialmente quelle che permettono l isolamento galvanico tra ingresso e uscita (alimentatori da rete elettrica) ediamo ora le topologie standard per convertitori di tensioni continue Buck Boost Buck-Boost - out < in - out > in - Polarità invertita Regolatore Buck out < in in 1- out Regolatore Buck FASE Regolatore Buck FASE OFF in 1- out in 1- out Calcolo la variazione di corrente nell induttore durante la fase ( ) = I 23 I = Imponendo l equilibrio della corrente si ottiene che il rapporto di trasformazione è uguale al duty-cycle degli interruttori ( ) = = OFF 24 ezione 3 - MC

5 Regolatore Boost out > in 1- Regolatore Boost in IB 1- FASE out in out = I 25 Calcolo la variazione di corrente nell induttore durante la fase 26 Regolatore Boost 1- FASE OFF Regolatore Buck-Boost in IB out = OFF in out Imponendo l equilibrio della corrente si ottiene il rapporto di trasformazione in funzione del duty-cycle 1 = Regolatore Buck-Boost FASE Regolatore Buck-Boost FASE OFF in I out in I out = I = OFF Calcolo la variazione di corrente nell induttore durante la fase 29 Imponendo l equilibrio della corrente si ottiene che il rapporto di trasformazione è uguale al duty-cycle degli interruttori N.B.: la tensione generata è negativa! = 1 30 ezione 3 - MC

6 31 32 I dispositivi elettronici portatili devono disporre di un sistema di alimentazione dotato di una riserva di energia autonoma e ripristinabile al minor costo possibile: si impiegano a questo scopo delle batterie ricaricabili, che a fronte di un costo unitario più elevato delle batterie comuni, consentono di ripristinare la loro carica senza dover essere sostituite Oltre a indubbi vantaggi pratici ed economici questo sistema ha un limitato impatto ambientale, specialmente se si pensa che una cella trattata in modo corretto può essere ricaricata fino ad un migliaio di volte e batterie conservano l energia elettrica trasformandola in energia chimica: durante la fase di carica avvengono delle reazioni chimiche che assorbono energia elettrica trasformando alcuni composti presenti nella batteria stessa, una parte dell energia fornita alla batteria si trasforma in calore e viene quindi persa urante la fase di scarica la reazione avviene all inverso, restituendo energia elettrica: non tutte le specie che hanno preso parte alle reazioni avvenute durante la carica saranno in grado di ri-convertirsi nella fase di scarica, quindi la batteria non restituisce tutta l energia chimica con cui viene caricata, in più durante la scarica si genera anche del calore ezione 3 - MC

7 Alcuni parametri fondamentali degli accumulatori: Tensione nominale (): tensione della batteria quando è carica al 50% della sua capacità Capacità (Ah): corrente che una batteria potrebbe erogare per 1 ora (appunto Ah), raggiungendo al termine la minima tensione operativa, questa corrente solitamente si indica con c ESR (Ohm): impedenza serie equivalente che la batteria presenta ai suoi morsetti di uscita 37 Alcuni parametri fondamentali degli accumulatori: ensità di energia (Wh/kg o Wh/l): può essere definita al kg o al litro, varia molto in funzione dei composti impiegati Curva di carica/scarica: descrive come la tensione di uscita cambi (in modo più o meno consistente secondo il tipo di batteria) in funzione della carica accumulata Auto-scarica (%carica/mese): le batterie si scaricano da sole anche se inutilizzate 38 Alcuni composti impiegati per conservare l energia: Pb (ead Acid) a tecnologia più anziana, viene impiegata per batterie di grandi capacità, ad es. nelle automobili o come backup per gruppi di continuità (UPS) Ni-Cd (Nichel-Cadmium) Tra le prime batterie ricaricabili a sostituire quelle tradizionali anche nei rispettivi formati standard Alcuni composti impiegati per conservare l energia: Ni-MH (Nichel Metal Hydride) Presentano caratteristiche elettriche simili alle Ni-Cd, ma con una densità di energia leggermente maggiore, inoltre non contengono cadmio, agente inquinante i-ion (ithium Ion) Tecnologia più recente, ha densità di energia al kg circa doppia rispetto alle Ni-xx, per questo trova largo impiego per telefoni cellulari e pc portatili, nonostante il costo relativo sia più alto Caricabatterie Ni-Cd e Ni-MH Ci sono più modi per caricare le batterie: alcuni tra i più usati sono a corrente costante o a tensione costante o ad impulsi. Ogni batteria ha caratteristiche elettrotermiche a cui si devono adattare i vari metodi di ricarica e batterie Ni-Cd e Ni-MH vengono caricate a corrente costante, cioè si applica dall esterno una tensione tale da far passare la corrente desiderata nella batteria (da 1c ad 1,2c). In linea di principio il valore di tensione applicata non è importante. Quando la batteria è carica (si può calcolare la carica iniettata Q=I*t) si prosegue con una carica di mantenimento (da c/10 a c/40). la corrente massima dipende molto dalle specifiche dei singoli produttori ezione 3 - MC

8 Caricabatterie i-ion e batterie i-ion vanno trattate con attenzione: la cella deve essere caricata a tensione costante di circa 4,2 (tensione nominale a vuoto di circa 3,6), salvo limitare la corrente ad un dato valore massimo (non più di 1c, generalmente c/5) I batt ESR modello batteria All inizio della ricarica la cella sarà caricata a corrente costante, fino a quando I max *ESR+ batt non avrà raggiunto 4,2. A quel punto i morsetti della batteria saranno mantenuti a quella tensione e la corrente di carica diminuirà all aumentare della batt I batt ESR modello batteria ch batt cell ch batt cell Sommario lezione 3 erifica lezione 3 Quali sono le differenze salienti tra alimentatori BUCK e BOOST? Cos è un segnale PWM? Quali sono le differenze tra le modulazioni PWM A-SE e AB? Quali sono le batterie a più alta densità energetica? Per una batteria da 2200mAh, quanto vale C? Se la carico a C/5 (corrente costante) quanto tempo ci metto a caricarla? Prossima lezione (3) Pilotaggio di carichi Attuatori: interfacciamento Motori: un esempio di carico Pilotaggio in linearità Pilotaggio in commutazione 47 ezione 3 - MC