Convertitori elettronici, diodi e tiristori

Classificazione

Per poter classificare il convertitore elettronico si fa riferimento al verso del flusso di energia. Esistono quindi:

• Raddrizzatori a diodi
• Convertitori AC/DC o raddrizzatori controllati

Per questi il flusso di potenza va dalla parte in alternata a quella in continua, tipicamente dalla rete ad un utilizzatore DC come per esempio i caricabatteria. In questo caso però non è possibile invertire il flusso di potenza.

• Inverter (DC/AC) vengono utilizzati per le tutte quelle applicazioni dove la corrente viene generata da un generatore a corrente continua come i motori delle auto elettriche e i pannelli solari
• Regolatori di tensione in AC (AC/AC) vengono utilizzati per alimentare motori sincroni, generatori eolici, gruppi di continuità
• Convertitori DC/DC utilizzate come dei raddrizzatori ma la fonte di energia è a corrente continua

Con queste macchine è possibile interfacciare diversi tipi di rete.

In rosso i possibili flussi di

potenza.Componentistica del convertitore elettronico- Interruttori di potenza (statici) realizzati in silicio monocristallino drogato(semiconduttori di tipo p e di tipo n) (praticamente sono deitransistor)

Il semiconduttore è un materiale tale per cui le bande diconduzioni atomiche sono vicine (a differenza degli isolanti) e aseconda dell'energia a cui vengono sottoposti.

Inoltre il drogaggio permette di modificare il comportamentoelettrico del materiale, infatti se nel reticolo viene immesso unatomo del gruppo successivo (antimonio o fosforo, drogaggio ditipo n ovvero di tipo negativo (elettrone in più) ) abbiamo unelettrone in più nel reticolo che è disponibile in banda diconduzione. Similmente se droghiamo il silicio con del boro o gallio questo diventerà un semiconduttore di tipo p (positivo) per via della mancanza di un elettrone nelcomplesso del reticolo cristallino.

Per costruire quindi l'interruttore si interfacciano 2 o più

strati di questo tipo diconduttori.

Nell'esempio che vediamo sopra capiamo che nel momento in cui applico una corrente nella parte rossa e saturo il conduttore positivo, l'oggetto può trasmettere corrente attraverso i 2 poli (collettore e emettitore.)

Bisogna fare attenzione ai livelli di corrente e tensione che applichiamo ai vari capi, infatti non è difficile sfondare un transistor come non è difficile sfondare un interruttore di potenza.

A differenza degli interruttori ideali, gli interruttori di potenza hanno delle perdite di conduzione e commutazione, ovvero scaldano parecchio e hanno delle perdite relative al loro funzionamento.

- Diodi il diodo è un componente lineare e non controllabile

A sinistra vediamo che se una corrente scorre nel senso opposto a quella dettata dal diodo c'è un valore in cui il diodo salta e diventa conduttivo anche dall'altra parte. A destra vediamo il comportamento ideale del diodo.

Nel mondo reale la

tensione di innesco del diodo è di circa 0.2-1.2 volt- e altri componenti controllabili come MOSFET , BJT ecc Raddrizzatore a diodo singolo con un resistore Vediamo che quello che fa questo tipo di raddrizzatore è prendere solo la tensione positiva della sinusoide creando quindi una tensione a semionda e pulsata. Il circuito è non lineare, invariante nel tempo senza memoria (nel caso solo resistivo.) Il valore della corrente è determinato dal resistore. Raddrizzatore a diodo singolo con carico ohmico induttivo Circuito non lineare tempo invariante con memoria. In questo caso il periodo di conduzione del diodo aumenta per via della corrente generata dall'induttore nel momento in cui viene a mancare la tensione. Quindi ora la tensione di uscita andrà oltre il semiperiodo avendo quindi una parte negativa. Ma questo perché? L'induttore durante il semiperiodo positivo si carica, ma nel momento in cui la tensione del circuito va a 0 per via del diodo,solito, la corrente scorre attraverso il diodo di ricircolo e l'induttore si carica. Nel semiperiodo negativo, invece, il diodo si polarizza inversamente e si apre un percorso per la corrente attraverso l'induttore, permettendo di mantenere la tensione positiva ai capi dell'induttore. In questo modo, la tensione di uscita del raddrizzatore rimane costante e indipendente dal carico. Questo è particolarmente importante quando si utilizza il raddrizzatore in applicazioni in cui la tensione di uscita deve essere stabile, come ad esempio nell'alimentazione di dispositivi elettronici. Quindi, l'aggiunta del diodo di ricircolo permette di migliorare le prestazioni del raddrizzatore, garantendo una tensione di uscita costante e indipendente dal carico.solito e il diodo di ricircolo non fa nulla. Ma nel semiperiodo negativo abbiamo il diodo di ricircolo che, essendo direttamente polarizzato, è aperto e la corrente residua nell'induttore verrà fatta circolare nel diodo e scaricata per effetto joule nella resistenza. La corrente quindi si comporterà allo stesso modo del caso visto prima, mentre la tensione si comporterà allo stesso modo del caso solo resistivo. Full Bridge Rectifier Ha una tensione di uscita doppia rispetto al singolo diodo. Il funzionamento lo facciamo spiegare a MEHDI. Vediamo una configurazione tipica delle macchine elettriche in cui l'alternatore va a caricare la batteria quando si accelera, mentre quando si frena la batteria si oppone al moto. Ma vediamo che altri componenti all'interno del circuito, come per esempio il condensatore che riduce lo sbalzo di tensione da una a un picco all'altro, ovvero il ripple. Nel caso trifase abbiamo: Notiamo che la

La tensione in uscita è più alta di quella in ingresso e il ripple (la differenza di potenziale della tensione in uscita tra il picco e la valle) è già molto piccolo, rendendo superfluo l'utilizzo di un condensatore di filtro.

Tiristore (SCR)

Il tiristore è un diodo controllato, composto fisicamente come se fosse un diodo attaccato ad un transistor. La principale differenza tra i due è che nel tiristore la potenza può seguire un'unica direzione, mentre il transistor è più simile ad un interruttore controllato.

Funzionamento:

• Il gate, come nel caso del transistor, comanda l'accensione dell'interruttore;
• Ma a differenza del transistor, non è detto che ne comandi lo spegnimento;
• Se viene applicata una tensione ai capi del tiristore, questo non si apre solo alla

La direzione corretta della tensione, ma è necessario che venga applicata una corrente al gate (G), è sufficiente un impulso per poter tenere aperta la linea. Per spegnere il tiristore sarà sufficiente farlo funzionare in polarizzazione inversa. Se utilizziamo il tiristore al posto del diodo nei circuiti raddrizzatori possiamo regolare la tensione di uscita a seconda di quando viene acceso il tiristore.

Raddrizzatore controllato monofase a semionda. La tensione di uscita si regola andando a variare l'angolo di ritardo o di accensione (α). Se l'angolo è nullo allora è come se fosse il diodo, mentre posso annullare la tensione con l'angolo a 180°. In poche parole taglia la semionda in un punto stabilito. A seconda del tipo di raddrizzatore (partial, semi, full) abbiamo una caratteristica di conversione diversa, ma sempre dipendente dall'angolo di accensione o ritardo.

I raddrizzatori che abbiamo visto si utilizzano ancora per impianti ad

alte potenze persvariate ragioni:

Sono passivi, economici e ad alte potenze è possibile avere un'uscita più o meno stabilizzata con qualche accorgimento.

Inoltre è possibile con il convertitore a doppio ponte per esempio rigenerare da energia meccanica a energia elettrica grazie alla possibilità di supportare correnti e tensioni negative.

Per applicazioni a più bassa potenza sono utilizzabili convertitori con degli interruttori più facilmente controllabili.

Inverter

All'interno degli inverter si utilizzano degli interruttori elettronici completamente controllabili ad alta velocità come i MOSFET e BJT.

L'inverter ha come input tensioni continue provenienti tipicamente da batterie o impianti fotovoltaici.

In output, grazie agli interruttori controllati, la tensione, la corrente e anche la frequenza sono completamente controllabili.

L'ideale per questo tipo di meccanismo è quello di avere come output una funzione sinusoidale.

ma vedremo che in realtà sarà solo una approssimazione di quest'ultima ottenuta tramite dei convertitori PWM e degli amplificatori operazionali. Più il circuito è sensibile al contenuto armonico della corrente (ovvero per esempio i motori sincroni che devono seguire l'onda della sinusoide) più sarà necessario che l'output dell'inverter sia simile ad una sinusoide. D'altra parte è vero che per applicazioni semplici o a basse potenze sarà sufficiente l'onda quadra (PWM). Questo è un esempio di utilizzo di un inverter. Questo ha la possibilità di essere regolato in ampiezza e frequenza. Inoltre il flusso di potenza è reversibile e in frenatura l'inverter si comporta come raddrizzatore. In caso che la frenatura sia frequente è possibile restituirla alla rete di alimentazione tramite un convertitore a commutazione o con 2 raddrizzatori controllati in antiparallelo. Inverter amezzo ponte (Onda Quadra)

Ho 2 condensatori che stabilizzano la tensione in ingresso, 2 diodi in serie e 2 interruttori elettronici che permettono di alternare la corrente. Infatti vediamo che la V viene prelevata oltre i diodi e gli interruttori.

Infatti vediamo che se Q è chiuso allora la V (punto di intersezione resistenza-diodo) sarà uguale a V, mentre la V (punto di intersezione resistenza-condensatori) sarà V/2.

Quindi V = V/2 out.

Nel caso abbiamo Q chiuso allora vediamo che viene V = -V e di conseguenza avremo che V = -V/2 out.

Quindi alternando la chiusura e l'apertura degli interruttori ottengo l'onda quadra che oscilla tra +V/2 e -V/2 in.

La frequenza con cui vario l'apertura e la chiusura degli interruttori regola di conseguenza la frequenza dell'onda.

La tensione istantanea è u