Appunti di Tecnologie per l'automazione e la robotica sui convertitori

ZERO

• Durante la conduzione del diodo (assimilabile ad un cortocircuito) la tensione ai capi

dell’induttore è u =-u e risulta negativa: sotto l’azione di questa tensione la corrente i dovrà

L 2 L

diminuire (vedi figura intervalli t -t , t -t , …)

1 2 3 4

Primi periodi di avviamento del convertitore

caratterizzati da una crescita lenta, ma continua,

della tensione u del carico, e da una crescita, meno

2

regolare ma altrettanto apprezzabile, della corrente i L

Convertitori c.c.-c.c. abbassatori di tensione (buck converters)

• È lecito chiedersi se il convertitore si porti a un funzionamento di regime stabile oppure se la

crescita di i e u proceda indefinitamente

L 2

• Più cresce u più energica diventa l’azione di opposizione alla crescita della corrente i ; si

2 L

noti infatti che in ambo le equazioni u =U -u e u =-u che danno l’espressione della tensione

L 1 2 L 2

u durante le fasi di chiusura e di apertura dell’interruttore, la tensione u del carico appare

L 2

come termine di contrasto alla crescita della corrente

• È allora evidente che la situazione di regime si ottiene quando la crescita della corrente

durante la fase di chiusura dell'interruttore è esattamente controbilanciata da una equivalente

riduzione durante la fase di apertura (vedi figura)

Funzionamento a regime del convertitore c.c.- c.c.

riduttore di tensione

a) Corrente nell'induttore i L

b) Tensione di ingresso U e d'uscita U

1 2

c) Tensione ai capi dell'induttore u L

Convertitori c.c.-c.c. abbassatori di tensione (buck converters)

• La corrente i cresce, durante T , dal valore I al valore I ; durante T essa torna a

L ON Lmin Lmax off

diminuire da I a I

Lmax lmin

• La tensione del carico u risulta ben livellata, a causa dell’azione filtrante operata dal

2

condensatore C, e si può dunque assumere che a regime essa sia costante di valore U

2

• Il convertitore attua dunque l’operazione richiesta, erogando ai suoi morsetti di

uscita una tensione continua U 2

Funzionamento a regime del convertitore c.c.- c.c.

riduttore di tensione

a) Corrente nell'induttore i L

b) Tensione di ingresso U e d'uscita U

1 2

c) Tensione ai capi dell'induttore u L

Convertitori c.c.-c.c. abbassatori di tensione (buck converters)

• Resta ora da determinare la relazione intercorrente tra le ampiezze della tensione di ingresso

U e della tensione di uscita U .

1 2

• Durante la fase di chiusura di S ai capi dell'induttore è applicata la tensione costante

U = U - U , e la corrente i cresce linearmente, a partire dal valore I , raggiungendo il

L 1 2 L Lmin

valore I alla fine dell'intervallo di durata T . Per la legge dell'autoinduzione si può quindi

Lmax on

scrivere Incrementale

RAPPORTO

Induttore: pag. 17

St

• Durante la fase di apertura di S la tensione ai capi dell'induttore vale U = - U , e dunque la

L 2

corrente i diminuisce linearmente, a partire dal valore I raggiungendo il valore I alla

L Lmax Lmin

fine dell'intervallo di durata T . Si avrà perciò la relazione

off

• Dall’uguaglianza della variazione di corrente (I - I ) nei due intervalli:

Lmax Lmin duty-cycle

Convertitori c.c.-c.c. abbassatori di tensione (buck converters)

• Questa relazione esprime la tensione di uscita del convertitore U , in funzione della

2

tensione d'ingresso U del tempo di chiusura T e del periodo di funzionamento T; con

1 on

è stato indicato il rapporto adimensionale tra il tempo T di chiusura dell'interruttore e il

δ on

periodo T di operazione del convertitore: ET fai

Ton D o

duty-cycle d

Tonttore

• duty-cycle: determina univocamente l'ampiezza della tensione di uscita, assegnata che sia la

tensione d'ingresso del convertitore Convertitore abbassatore di tensione,

dato che in uscita non è possibile ottenere

una tensione superiore a quella d'ingresso

Caratteristica di regolazione del convertitore riduttore

di tensione. Fornisce la tensione di uscita U in

2

funzione del duty-cycle Con questo tipo di

δ.

convertitore è possibile regolare la tensione d’uscita

controllando la durata del tempo di chiusura T

ON

dell’interruttore S

Convertitori c.c.-c.c. elevatori di tensione (boost converters)

• Lo schema di un convertitore boost è riportato in figura 7

• I componenti impiegati sono gli stessi che per un convertitore buck, ma cambia la posizione

dell'interruttore S, del diodo D e dell'induttore L

• Anche in questo caso il funzionamento del circuito è governato dalle aperture e chiusure

dell'interruttore S.

• Quando S è chiuso (T ), l'induttore L è direttamente sottoposto alla tensione di

on

alimentazione U e quindi la sua corrente cresce: si ha dunque un accumulo di energia

1

magnetica in L.

• Quando S viene aperto (T ), la corrente dell'induttore si chiude attraverso il diodo D e il

off

cappio costituito dal condensatore di filtro C e il carico R, che anche qui è stato

considerato (per semplicità) resistivo. Si ha dunque trasferimento di energia dalla

sorgente di alimentazione e dall'induttore L verso il carico.

Convertitori c.c.-c.c. elevatori di tensione (boost converters)

• Le varie fasi relative all'avviamento del circuito sono del tutto simili al caso precedente.

Interessa invece studiare la situazione di regime che viene a costituirsi, per determinare le

caratteristiche di regolazione del convertitore

• A tal fine si supponga innanzitutto che il circuito funzioni a frequenza costante, cioè che

valga anche in questo caso la relazione • T : conduzione interruttore

on

• T : interdizione interruttore

off

• Una possibile situazione di funzionamento di regime è allora mostrata in figura:

• La variazione subita da i durante T deve essere

L on

uguale e contraria a quella riscontrabile durante T

off

• Supponendo, come nel caso precedente, che il

filtraggio operato dal condensatore C sia adeguato, la

tensione di uscita del convertitore può ritenersi

costante e pari a U 2

Convertitori c.c.-c.c. elevatori di tensione (boost converters)

• Si osservi ora che durante la fase di chiusura dell'interruttore (T ) la tensione applicata

on

all'induttore risulta: positiva

È

COLLEGATA

L'INDUTTANZA

QUANTO DI

ALLATENSIONE ALIMENTAZIONE

RETTAMENTE

• Corrispondentemente la corrente i è indotta a crescere linearmente, a partire dal valore I

L Lmin

fino a raggiungere il valore I dopo un tempo uguale a T :

lmax ON

RAPPORTO

INCREMENTALE

• Durante la fase di apertura dell’interruttore invece la corrente i fluisce attraverso il diodo D e

L

dunque l’induttore è assoggettato alla tensione

• Durante questa fase la corrente deve diminuire dal valore

I al valore I ; ne consegue che la tensione u deve

Lmax lmin L

essere negativa, e quindi la tensione d’uscita U deve

2

risultare maggiore di U : il convertitore agisce dunque da

1

elevatore di tensione

• In questa fase, di durata T , vale la relazione

off

Convertitori c.c.-c.c. elevatori di tensione (boost converters)

• Dal confronto tra: Quanto

in

1

• Si ottiene la condizione di equilibrio store duty-cycle

dell'interruttore

• La tensione di uscita U può teoricamente

2

essere regolata nell'intervallo da U a ∞

1

• Naturalmente in pratica la massima

tensione erogabile al carico è limitata e il

valore massimo di U effettivamente

2

ottenibile viene a dipendere dalle inevitabili

resistenze presentate dall’induttore e dal

condensatore qui supposti di tipo ideale

1 11

U Va

Ue g

1

Caratteristica di regolazione del

convertitore elevatore di tensione YI

Ua Eton

Tiristori

I tiristori sono dei dispositivi per la commutazione di potenze elevate, costituiti da quattro strati

alternati di semiconduttori. Il più usato è l’SCR (silicon controller rectifier) detto anche diodo

controllato.

I tiristori trasformano la corrente alternata in corrente continua. IL

PER

DESCRIVERE

DETTAGLIATAMENTE

SCR

DI

UN

FUNZIONAMENTO

TRATTO Vacca

Vac

RATTO o

Un effetto indesiderato che deve essere evitato è quello dell’autoinnesco: a causa delle correnti

parassite si potrebbe avere iniezione di corrente nel gate che genera quindi un innesco. Per evitare

questo problema si inserisce nel circuito una resistenza tra anodo e catodo, che funziona in un

certo senso da filtro non facendo passare le correnti parassite.

Esistono due tipologie di SCR:

• SCR lenti: usati con spegnimento naturale (in corrispondenza dell’istante in cui l’onda di tensione

diventa negativa—>SCR si apre e non arriva tensione al carico) che presenta tempi di

spegnimento fino a diverse centinaia di microsecondi

• SCR veloci: usati con spegnimento forzato (mediante un condensatore caricato in modo

opportuno con polarità opposta a quella che innesca il dispositivo. Si collega poi il condensatore

ad anodo e catodo in modo da forzare lo spegnimento) che presentano tempi di spegnimento

fino a 50 microsecondi di

PORZIONE

UNA

AMANDO

go ALGAT

ALL'SCR

POSITIVA

SEMIONDA regolare

Modo

da

IN

IMPULSO

COME

L

IEEE AL

E CARICO

L'INNESCO LA POTENZA

LA SEMIONDA

CONSIDERO

Ptf ALTRIMENTIARRIVEREI

POSITIVA INVERSA

ZONA

NELLA

Quando si compra un SCR, vengono forniti anche dei grafici con cui è possibile dimensionare i

dispositivi di dissipazione: un grafico presenta delle curve con la massima temperatura in funzione

dell’angolo di innesco, mentre un altro la potenza dissipata in funzione dell’angolo di innesco.

Un altro grafico importante per una buona accensione dell’SCR è quello delle caratteristiche di

gate: o arrezeettataft

Ia

8 caratteristiche

le dispersione

di

curve

sono

e LE UN'ACCENSIONE

FRA QUALI

ESTREME HO

CARATTERISTICHE

CURVE SCR

DEL MIO

ASSICURATA più

funzione di

in dell'impulso Gate omeno

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Possiamo è

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