Elettronica applicata/Sistemi di alimentazione

Indice del libro
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 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;
  • 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 / 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 ondulazioneModifica

Raddizzatore a una semiondaModifica

 
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 ( ): la tensione di uscita   segue quella del generatore di ingresso  , mentre il condensatore   si carica;
  • diodo in interdizione ( ): il generatore di ingresso   viene scollegato, e la tensione di uscita   risulta dalla scarica del condensatore   sul carico  .

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)   è inversamente proporzionale alla capacità  :
     
  • la componente continua   "taglia" a metà il ripple:
     
dove   è la caduta di tensione diretta sul diodo (0,2÷1 V), che abbassa leggermente la tensione che raggiunge il carico.

Raddrizzatore a doppia semiondaModifica

 
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
 
Componente continua
 

Regolatori lineari attiviModifica

Il regolatore fornisce in uscita   una tensione costante:

  • regolazione di carico: la tensione di uscita   viene mantenuta costante indipendentemente dalle variazioni della corrente assorbita dal carico  :
     
dove   è la resistenza equivalente di uscita;
  • regolazione di linea: la tensione di uscita   viene mantenuta costante indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso   (che sono costituite dalle ondulazioni della tensione quasi continua prodotta dal filtro di ondulazione):
 

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

Regolatore paralleloModifica

 
Regolatore parallelo

Il regolatore parallelo (shunt) crea un partitore di corrente variabile: un diodo Zener in parallelo compensa le variazioni della corrente di carico   assorbendo più o meno corrente (ma sempre al di sopra della corrente di breakdown   per mantenere costante la tensione di uscita  ) 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 serieModifica

 
Regolatore serie

Il regolatore serie crea un partitore di tensione variabile:

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

Il regolatore serie è a caduta: il corretto funzionamento del transistore necessita di una caduta di tensione   minima (1÷2 V) → la tensione di uscita   è sempre minore di quella d'ingresso  . I regolatori LDO 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   fanno da limitatore di corrente in caso di guasti: quando la corrente   richiesta dal carico aumenta troppo, la tensione   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: