Elettronica applicata e misure/Regolatori a commutazione

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Schema a blocchi di un sistema di alimentazione a commutazione

27 Il sistema di alimentazione a commutazione è simile a quello lineare, ma con alcune differenze:

  • il regolatore è a commutazione, ovvero l'elemento base è l'interruttore;
  • il trasformatore è posto dopo il regolatore per poter lavorare a frequenze più alte → più piccolo;
  • 7 nella parte di controllo in retroazione, il segnale a onda quadra che commuta l'interruttore è fornito da un oscillatore digitale.
8 Svantaggi
  • l'uscita non è continua ma è un'onda triangolare, che deriva dalle commutazioni dell'interruttore, e 5 variando il duty cycle dell'interruttore si può alzare o abbassare il valor medio <math>V_{DC}</math>;
  • le interferenze elettromagnetiche (EMI) verso le altre apparecchiature sono più basse rispetto ai sistemi di alimentazione lineari, ma sono pur sempre presenti.

Regolatori a commutazione[modifica | modifica sorgente]

3-8-14 I regolatori a commutazione hanno un rendimento <math>\eta</math> pari a 0,8÷0,9 V e più alto dei regolatori lineari, grazie alle basse perdite dell'interruttore e della cella LC.

4 È necessario un filtro passa-basso verso l'uscita perché l'energia è fornita tramite il segnale di comando dell'interruttore che è un'onda rettangolare → fronti ripidi e forte contenuto di armoniche.

8 Topologie
  • buck: fornisce una tensione di uscita <math>V_o</math> minore di quella d'ingresso <math>V_i</math>;
  • boost: fornisce una tensione di uscita <math>V_o</math> maggiore di quella d'ingresso <math>V_i</math>;
  • buck-boost: fornisce una tensione di uscita <math>V_o</math> con polarità opposta rispetto a quella d'ingresso <math>V_i</math>;
  • flyback: integra un trasformatore (due masse separate) fornendo isolamento galvanico (ad es. per applicazioni medicali).

Regolatore buck[modifica | modifica sorgente]

7 Regolatore a commutazione buck stabilizzato con controllo di retroazione

6-10-13 Nel regolatore buck l'induttore si trova dalla parte del carico: 11 la variazione graduale della corrente imposta dall'induttore produce una sequenza di rampe di corrente, che grazie al condensatore si traduce in una sequenza di rampe di tensione sul carico:

Buck switching regulator behaviour.png
<math>\begin{cases} I_L = \frac{1}{L} \int_{- \infty}^t V_L \left( t \right) dt \\ V_L \text{ costante} \end{cases} \Rightarrow \Delta I_L = \frac{V_L \Delta T}{L}</math>
  • all'accensione con interruttore chiuso: la corrente inizia a circolare normalmente dal generatore al carico, mentre il diodo è in interdizione;
  • 12 all'apertura dell'interruttore (stato OFF): la corrente non diventa subito nulla, ma siccome la corrente che scorre attraverso l'induttore non può variare bruscamente grazie all'energia accumulata nell'induttore il diodo entra in conduzione e la corrente continua a circolare attraverso il diodo, in modo che la corrente che va verso il carico possa diminuire gradatamente:
    <math>\Delta I = \frac{- V_o \cdot T_{\text{OFF}}}{L}</math>
  • 11 alla chiusura dell'interruttore (stato ON): non inizia subito a circolare tutta la corrente proveniente dal generatore, ma per lo stesso motivo di cui sopra la corrente che va verso il carico aumenta gradatamente:
<math>\Delta I = \frac{\left( V_i - V_o \right) \cdot T_{\text{ON}}}{L}</math>

Le variazioni di corrente negli stati ON e OFF sono bilanciate → il rapporto di trasferimento è controllato dal duty cycle <math>D</math> di commutazione:

<math>\frac{V_o}{V_i} = \frac{T_{\text{ON}}}{T_{\text{ON}} + T_{\text{OFF}}} =D >0</math>

Regolatore boost[modifica | modifica sorgente]

18 Regolatore a commutazione boost

15 Nel regolatore boost l'induttore si trova verso l'ingresso:

  • 17 stato OFF (interruttore aperto): la corrente circola normalmente dal generatore al carico, mentre il diodo è in conduzione, e la caduta di tensione <math>V_L</math> sull'induttore fa diminuire la corrente perché è negativa (<math>V_L = V_i - V_o < 0</math>):
    <math>\Delta I = \frac{\left( V_i - V_o \right) \cdot T_{\text{OFF}}}{L}</math>
  • 16 stato ON (interruttore chiuso): la corrente verso il carico viene bloccata dal diodo in interdizione, quindi la corrente circola solo nella maglia generatore-induttore, e la caduta di tensione <math>V_L</math> sull'induttore positiva (<math>V_L = V_i</math>) fa aumentare la corrente:
    <math>\Delta I = \frac{V_i \cdot T_{\text{ON}}}{L}</math>

Le variazioni di corrente negli stati ON e OFF sono bilanciate → il rapporto di trasferimento è controllato dal duty cycle <math>D</math> di commutazione:

<math>\frac{V_o}{V_i} = \frac{1}{1-D} <1</math>

Regolatore buck-boost[modifica | modifica sorgente]

21 Regolatore a commutazione buck-boost

22 Nel regolatore buck-boost l'induttore è posto in parallelo tra due interruttori:

  • stato ON (interruttore verso l'ingresso chiuso, interruttore verso il carico aperto): l'induttore preleva corrente dal generatore;
  • stato OFF (interruttore verso l'ingresso aperto, interruttore verso il carico chiuso): l'induttore continua a prelevare corrente, che può provenire solo dal carico, determinando una tensione di uscita negativa.
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