Definizione e caratteristiche dell'elettronica di potenza

Il compito dell'elettronica di potenza è quello di gestire e controllare il flusso di energia elettrica tornando tensioni e correnti in una forma che si adice in modo ottimale ai carichi utilizzatori.

La figura rappresenta lo schema a blocchi di un sistema di elettronica di potenza. L'alimentazione proviene, di solito, da una linea elettrica monofase o trifase avente una frequenza di 50 o 60 Hz [......] filtrano la tensione e la corrente di ingresso dipende dalla topologia del sistema di controllo del sistema di conversione. L'uscita è adattata alle esigenze del carico.

Considerando l'uscita dei sistemi di potenza come un generatore di tensione, la corrente d'uscita ed il suo sfasamento con la tensione dipendono dalle caratteristiche del carico. Normalmente un controllore controlla l'uscita del sistema di conversione con un valore desiderato (riferimento). Il flusso delle potenze attraverso questo sistema può essere reversibile, in modo da scambiare ruoli di ingresso ed uscita. Il regolatore è composto da un circuito integrato lineare o da un DSP (Digital Signal Processor). In ogni processo di conversione di potenza è importante limitare le perdite, quindi avere un elevato rendimento energetico per il costo dell'energia non utilizzata e la difficoltà di smaltire il calore dovuto dall'energia dissipata.

Pr prendiamo in considerazione l'alimentatore in continua che fornisce ad un carico una tensione regolata V_o. La tensione di ingresso può avere un valore tipico di 120 o 240 V_e quelle di uscita può essere di 5V. Si richiede un isolamento elettrico tra ingresso e uscita. In un alimentatore lineare, un trasformatore a frequenza di rete provvede a tale isolamento e abbassa la tensione della linea. Il raddrizzatore converte la corrente alternata di uscita dell'avvolgimento a bassa tensione del trasformatore in corrente continua. Il condensatore di filtro riduce il ripple della tensione continua V_d.

La figura mostra la forma d'onda di V_d che dipende dall'ampiezza della tensione di linea. Il rapporto spire del trasformatore deve essere scelto in modo tale che il valore minimo della tensione di ingresso V_d sia più grande di quello V_o dedotto il ul ululuso. In relazione al campo di variazione della tensione di ingresso mostrato in figura, un transistor è pilotato per sostenere la differenza di tensione tra V_d e V_o. Il transistor funziona nella zona attiva come un resistore variabile e ne consegue un basso rendimento energetico.

La regolazione della tensione e l'isolamento elettrico sono ottenuti mediante il circuito in figura. La tensione di linea è convertita in una tensione di uscita continua senza usare un trasformatore alla frequenza di rete. Facendo funzionare il transistor come un interruttore (completamente on e completamente off) ad una frequenza di commutazione f_s

piuttosto elevato per esempio a 300 kHz, la tensione continua Va è convertita in una tensione alternata

con la frequenza uguale a quella di commutazione. Posso usare un trasformatore ad alta freq. per abbassare la tensione e avere

l'isolamento.

Per semplificare il circuito, abbiamo un circuito equivalente.

Si può riusare ponendo all'ingresso una tensione continua Vi

traslando il trasformatore.

È sufficiente affermare che l'insieme transistore e diodo può

essere rappresento come un ipotetico interruttore a due posizioni

(a condizione che iL(t) > 0) o

l'interruttore è in posizione a

durante il tempo ton, quando il transistore è in stato on, e in posizione b durante il tempo toff quando è in stato off. Di conseguenza

_J0 = Vd/t_on e _J0 = 0    (b)

Poniamo: v_ol(t) = V_o1 + v_ripple(t)

dove V_o1 il valore medio (componente continua) di voi e v_ripple(t)

e la tensione istantanea di ripple, che in un valore medio uguale a zero (c)

Gli elementi: L-C (induttore e condensatore) formano un filtro passa-basso che riduce il ripple della tensione di

uscita e lasciano passare solo il valore medio della tensione di ingresso per cui si ha V_o = V₀₁, dove V_o è il valore

medio della tensione di uscita. Dalla (b) si vede che

V_oi = 1/T v_dt, J₀c.dt = t_on/T_s V_d

Si regola il valore della tensione in uscita agendo sul rapporto t_on/T_s (duty cycle) mantenedo Ts costante.

Piché il transistore lavora come an interruttore, completamente on o completamente off, la potenza pass di minima.

L'efficienza della cella di commutazione è direttamente proporzionale alla frequenza di commutazione. Questo perché

la commutazione è normalmente molto inferiore a quella che in noi convertitori in regolazione lineare.

Con frequenze talmente elevate, il trasformatore, i componenti del filtro hanno poco i dimensioni molto

inferiore a quelli dei conversioni a frequenza di rete. La scelta della frequenza di commutazione è determinata da

una competizione tra le perdite commutazionale nel transistore, che crescono con l'aumento della frequenza e

costi del trasformatore e del filtro, che invece diminuisce.

Noto analogici per carichi attivi elettronici a potenza ingresso porzione da un linea elettrica. In funzione

delle applicazioni, l'uscita verso il carico può essere una delle seguenti forme:

1. CONTINUA

• Impulso regolare (costante)
• ampiezza regolabile

2. ALTERNATA

• frequenza costante, ampiezza regolabile
• ampiezza e frequenza regolabile

Il generatore di corrente continua

La corrente che dovrebbe rimanere fluisce dovuta all’energia induttiva immagazzinata nel diodo e, considerando ideale, scorrente in questo ultimo, della corrente inversa di ripristino può comportare sollecitazioni nell’interruttore.

- Quando l’interruttore è CHIUSO, tutta la corrente lo attraversa e il diodo è polarizzato inversamente.

- Quando l’interruttore è aperto, la posta attraversa il diodo e si capi dell’interruttore è presente tutta la tensione del generatore perché si considera uguale a zero la caduta di tensione sul diodo ideale.

La figura (b) mostra la forma d’onda della corrente attraverso l’interruttore quando funziona con una velocità di rotazione e frequenza di commutazione f_s=1/T_s essendo T_s il suo periodo.

Dopo che l’interruttore è rimasto aperto per un certo tempo, può essere chiuso mediante un segnale di controllo positivo. Durante il passaggio verso lo stato di chiusura, l’andamento della corrente ha un tempo di ritardo t_d(on) seguito dal tempo di salita t_r Stretto dopo che la corrente ha già tutta attraverso l’interruttore, il diodo rimane aperto polarizzato inversamente. La tensione ai capi dell’interruttore è portata ad essere il piccolo valore di conduzione, in un tempo t_c(on). Gran parte dei valori di tensione e corrente sono persi nello loro intervallo di transizione t_c(on) , dove t_c(on) = t_r + t_fv

L’energia dissipata durante la commutazione verso la chiusura è ¹/₂ V_dc I_o t_c(on) Si vede che non c’è dispersione di energia durante il tempo di ritardo t_d(on)

Dissipazione di energia durante l’intervallo di chiusura: V_on Io I_on dove t_on >> t_c(on t_cd

Per aprire l’interruttore, viene applicato un segnale negativo al terminale di comando. Durante il transitorio di apertura, la crescita della tensione ha breve tempo di ritardo t_d(off) seguito da un tempo di salita della tensione t_fv Dopo che la tensione ha raggiunto valore finale V_i il diodo può essere polarizzato esternamente e inizia a condurre la corrente. La corrente si annulla nell’interruttore nel tempo t_f e passa dall’interruttore stesso al diodo, Tutti i valori elevati di tensione e corrente nell’interruttore durante tutto il tempo di transizione t_c(off) tra t_f. Potenzio istante durante, ¹/₂ e sono per gran parte della potenza viene dissipata durante i transitori di apertura e chiusura.

Potenza media ai presenti durante alle transitori: P_r = ¹/₂ V_dfs I_os f_s t_c(on + t_c(off) che varia proporzionalmente alla frequenza così si può lavorare a frequenza elevate per ridurre la necessità di filtro.