Elettronica applicata e misure/Sistemi di alimentazione

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9 Schema a blocchi di un sistema di alimentazione lineare
Unità funzionali
  • 10 interruttore principale: isola il sistema di alimentazione dalla corrente elettrica; può essere un comando meccanico o elettrico, e nel secondo caso lo stato di OFF è in realtà uno standby per sentire il comando di accensione;
  • fusibile: è un pezzo di filo sottile che, quando la corrente diventa troppo alta, fonde e diventa un circuito aperto;
  • filtro EMC: blocca i disturbi elettromagnetici provenienti dall'esterno e dall'interno;
  • trasformatore: diminuisce l'ampiezza della tensione e fornisce l'isolamento galvanico tra rete e apparecchiatura;
  • 11 raddrizzatore: converte una tensione alternata bipolare in unipolare, cioè le tensioni negative vengono riportate positive;
  • filtro di ondulazione: fa passare la componente continua (DC) e riduce la alternata (AC);
  • 18 regolatore: fornisce una tensione costante rimuovendo il residuo di alternata (ripple);
    • 7 circuito di protezione: se il carico inizia a richiedere troppa corrente occorre spegnere tutto per sicurezza, mentre se richiede meno corrente di quella usuale si può diminuire gradatamente la tensione in uscita fornita (foldback):
Grafico V_o/I_o con corrente illimitata, limitata e limitata con foldback
17 Svantaggi rispetto ai sistemi di alimentazione a commutazione
  • il trasformatore opera a una frequenza bassa (50÷60 Hz) → è di grandi dimensioni e pesante;
  • serve un condensatore di elevata capacità nel filtro di ondulazione per avere un ripple piccolo;
  • durante la fase di carica hanno luogo elevati picchi di corrente che attraversano i diodi nel raddrizzatore → elevate dissipazioni di energia, disturbi elettromagnetici ad altre apparecchiature (oltre 10 W).

Raddrizzatore e filtro di ondulazione[modifica]

Raddizzatore a una semionda[modifica]

Raddrizzatore a una semionda

12-7 Il raddrizzatore a una semionda riceve una tensione alternata in ingresso e riporta in uscita una tensione quasi continua:

  • diodo in conduzione (V_d > 0): la tensione di uscita V_o segue quella del generatore di ingresso V_i, mentre il condensatore C si carica;
  • diodo in interdizione (V_d < 0): il generatore di ingresso V_i viene scollegato, e la tensione di uscita V_o risulta dalla scarica del condensatore C sul carico R_L.

15 All'accensione è richiesta più corrente per la carica completa del condensatore. L'angolo di conduzione è l'intervallo di tempo in cui il diodo si trova in conduzione e il condensatore è in fase di carica.

Single-wave rectifier approximated behaviour.svg

16 Assumendo che:

  • la scarica del condensatore è lineare (non esponenziale);
  • l'ondulazione è a dente di sega, cioè l'angolo di conduzione è infinitesimo (il condensatore continua a scaricarsi fino a quando la tensione di ingresso raggiunge il picco, quindi si carica istantaneamente);

allora:

  • la tensione di ondulazione (o ripple) V_R è inversamente proporzionale alla capacità C:
    V_R = \frac{I_o \cdot T}{C} = \frac{I_o}{f \cdot C}
  • la componente continua V_{DC} "taglia" a metà il ripple:
    V_{DC} = V_{\text{picco}} - V_d - \frac{V_R}{2}
dove V_d è la caduta di tensione diretta sul diodo (0,2÷1 V), che abbassa leggermente la tensione che raggiunge il carico.

Raddrizzatore a doppia semionda[modifica]

Raddrizzatore a doppia semionda con ponte di Graetz
Raddrizzatore a doppia semionda con trasformatore a doppio secondario

13 Il raddrizzatore a doppia semionda permette di sfruttare anche la semionda negativa della tensione di ingresso, permettendo di caricare il condensatore a una frequenza doppia:

Smoothed ripple.svg
Realizzazioni
  • con ponte di Graetz (4 diodi): la corrente di carica durante l'onda positiva attraversa una coppia di diodi, e durante l'onda negativa attraversa l'altra coppia di diodi;
  • 14 con trasformatore a doppio secondario (2 diodi): genera due tensioni alternate con polarità l'una opposta all'altra, che passano alternativamente durante l'onda positiva.
16 Tensione di ondulazione
V_R = \frac{I_o \cdot \frac{T}{2}}{C} = \frac{I_o}{2 f \cdot C}
Componente continua
V_{DC} = V_{\text{picco}} - 2 V_d - \frac{V_R}{2}

Regolatori lineari attivi[modifica]

18 Il regolatore fornisce in uscita V_o una tensione costante:

  • regolazione di carico: la tensione di uscita V_o viene mantenuta costante indipendentemente dalle variazioni della corrente assorbita dal carico I_L:
    S_L = \Delta V_o \Delta I_L = R_o {\left( \Delta I_L \right)}^2
dove R_o è la resistenza equivalente di uscita;
  • regolazione di linea: la tensione di uscita V_o viene mantenuta costante indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso V_i (che sono costituite dalle ondulazioni della tensione quasi continua prodotta dal filtro di ondulazione):
S_i = \frac{\Delta V_o}{\Delta V_i}

30 I regolatori sono disponibili come circuiti integrati standard (es. famiglia 78xx).

Regolatore parallelo[modifica]

20 Regolatore parallelo

21 Il regolatore parallelo (shunt) crea un partitore di corrente variabile: un diodo Zener in parallelo compensa le variazioni della corrente di carico I_L assorbendo più o meno corrente (ma sempre al di sopra della corrente di breakdown {I_z}_{\text{min}} per mantenere costante la tensione di uscita V_o) per mantenere costante la corrente che esce dal filtro di ondulazione.

Il regolatore parallelo ha una bassa efficienza: la corrente assorbita dal diodo Zener infatti va sprecata in dissipazione.

Regolatore serie[modifica]

28 Regolatore serie

Il regolatore serie crea un partitore di tensione variabile:

  • 25 elemento di regolazione: un diodo Zener in reazione fornisce la tensione di riferimento V_r che è pari alla sua tensione di breakdown V_z, e non viene più attraversato da una corrente alta come nel regolatore parallelo → bassa dissipazione;
  • 26 l'amplificatore operazionale confronta la frazione \beta della tensione di uscita V_o con la tensione di riferimento V_r;
  • 23 elemento di controllo: il transistore Q2 (BJT o MOS) in serie compensa le variazioni della tensione di uscita V_o rispetto alla tensione di riferimento V_r.

24 Il regolatore serie è a caduta: il corretto funzionamento del transistore necessita di una caduta di tensione V_{CE} minima (1÷2 V) → la tensione di uscita V_o è sempre minore di quella d'ingresso V_i. I regolatori LDO abbassano questa tensione di caduta al di sotto di 0,5 V per una maggiore efficienza (ovvero minore potenza dissipata).

28 Ottimizzazioni
  • due transistori combinati in configurazione Darlington forniscono un guadagno totale pari approssimativamente al prodotto dei loro singoli guadagni → il transistore Q1 è in coppia Darlington con il transistore Q2 per amplificare maggiormente la ridotta corrente proveniente dall'uscita dell'amplificatore operazionale;
  • il transistore Q3 e la resistenza di sense R_s fanno da limitatore di corrente in caso di guasti: quando la corrente I_L richiesta dal carico aumenta troppo, la tensione V_{BE} del transistore, pari alla tensione sulla resistenza di sense, supera il valore soglia e fa entrare il transistore Q3 in conduzione, che preleva corrente dalla base del transistore Q1 riducendo la sua corrente di emettitore.

29 Le correnti e soprattutto le tensioni di perdita nel regolatore serie causano una perdita di potenza:

\eta = \frac{P_o}{P_i} = \frac{V_o \cdot I_o}{V_i \cdot I_i} = \frac{\left( V_i - V_{\text{leak}} \right) \cdot \left( I_i - I_{\text{leak}} \right)}{V_i \cdot I_i} \approx \frac{V_i - V_{\text{leak}}}{V_i} < 1
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