Elettronica applicata/Sistemi di alimentazione

Schema a blocchi di un sistema di alimentazione lineare

Unità funzionali

• 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 Template:Tooltip: 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;
• 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);
• regolatore: fornisce una tensione costante rimuovendo il residuo di alternata (ripple);
  • 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

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

Raddizzatore a una semionda

Raddrizzatore a una semionda

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 $R_L$.

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.

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

Raddrizzatore a doppia semionda con ponte di Graetz

Raddrizzatore a doppia semionda con trasformatore a doppio secondario

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:

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;
• 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.

Tensione di ondulazione

$V_R=\frac{I_o\cdot \frac{T}{2}}{C}=\frac{I_o}{2f\cdot C}$

Componente continua

$V_{DC}=V_{\text{picco}}-2V_d-\frac{V_R}{2}$

Regolatori lineari attivi

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 $I_L$:

  $S_L=\mathrm{\Delta }{V}_o\mathrm{\Delta }{I}_L=R_o{\left(\mathrm{\Delta }{I}_L\right)}^2$

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):

$S_i=\frac{\mathrm{\Delta }{V}_o}{\mathrm{\Delta }{V}_i}$

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

Regolatore parallelo

Regolatore parallelo

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. Template:Clear

Regolatore serie

Regolatore serie

Il regolatore serie crea un partitore di tensione variabile:

• 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;
• l'amplificatore operazionale confronta la frazione $\beta$ della tensione di uscita $V_o$ con la tensione di riferimento $V_r$;
• 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 $V_r$.

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 Template:Tooltip abbassano questa tensione di caduta al di sotto di 0,5 V per una maggiore efficienza (ovvero minore potenza dissipata).

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.

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

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