Note applicative sulla progettazione di alimentatori switching

Gli alimentatori switching sono una classe particolare dei dispositivi chiamati DC-DC converter, che costituiscono la quasi totalità dei mezzi di alimentazione dei circuiti elettronici. Vediamo il loro funzionamento e alcune note pratiche di progettazione.

In molti sistemi analogici e digitali è richiesto l’utilizzo di alimentatori stabilizzati in continua. Le caratteristiche tipicamente richieste sono:

» Uscita controllata: la tensione di uscita deve mantenersi costante rispetto ad una variazione della tensione di ingresso e del carico di uscita.

» Isolamento

» Uscite multiple Gli alimentatori lineari, a differenza di quelli switching, presentano soluzioni circuitali semplici (raddrizzatore, controllo e amplificazione) e sono per lo più utilizzati per potenze nominali basse e costi molto ridotti. Inoltre, non producono interferenze elettromagnetiche negli altri apparati.

Negli alimentatori switching la conversione viene realizzata utilizzando un convertitore dc-dc impiegando mosfet, transistor ecc… Un esempio può essere rappresentato dal convertitore Fly-Back, una variante del convertitore buck-boost. Un alimentatore switching è caratterizzato da una elevata efficienza con una conseguente riduzione della dissipazione di calore e presenta peso e dimensioni ridotti a circa 1⁄4 dell’equivalente versione lineare. Per contro la complessità costruttiva è sicuramente maggiore ed è bene tener presente che una parte di circuito in una alimentatore switching lavora alla tensione di rete o addirittura superiore. Un alimentatore può essere anche semiswitching, concepito mantenendo il sistema lineare del grosso e pesante trasformatore, ed avvalersi di una regolazione di tipo switching per mantenere costante la tensione sul carico. Il vantaggio  di un siffatto sistema è quello di non lavorare su alte tensioni e di avere comunque un regolatore ad alta efficienza. Lo svantaggio è la presenza del trasformatore, strettamente necessaria, che contribuisce all’aumento del peso e dell’ingombro. Le tipologie degli alimentatori Switching sono le seguenti:

» buck

» boost

» buck-boost

» Cuk converter

» flyback

» flyback quasi-resonant

» forward

La tecnica “switching”, prevede circuiti in cui i  transistor commutano continua mente dall’interdizione alla saturazione riducendo drasticamente la dissipazione di energia a differenza delle soluzioni lineari in cui i transistor  di regolazione-serie operano in zona lineare con conseguente dissipazione tutt’altro che trascurabile. Ci si può a questo punto chiedere come sia possibile che un transistor in continua commutazione possa garantire una regolazione della corrente verso il carico, e quindi della tensione ai suoi capi, fornendo altresì una tensione continua. La risposta viene dalla modulazione PWM (Pulse Width Modulation, ovvero modulazione della larghezza dell’impulso) abbinata ad un filtro passa-basso, in una configurazione quale quella di figura 1, dove è riportata anche la temporizzazione relativa alla modulazione  PWM. Come mostra la figura 1, la presenza del filtro passa-basso L-C fa sì che la sequenza di impulsi presenti sull’emettitore non si ripercuota in uscita, bensì serva a “caricare” i componenti del filtro e ad ottenere in uscita un’onda che può essere variata a piacere da un massimo ad un minimo, semplicemente variando la durata degli impulsi, ovvero il  circuito funge da “integratore”.

Figura 1: Esempio base di Alimentatore Switching.

Figura 1: Esempio base di Alimentatore Switching.

Alcuni progetti di Alimentatori Switching

Vediamo adesso alcuni schemi elettrici di possibili alimentatori switching. Per ciascuno di essi verrà illustrato lo schema elettrico ed una breve descrizione.

Convertitore FlyBack

Il convertitore  di tipo flyback è in grado di invertire la tensione d’ingresso e di elevarla (in valore assoluto) sfruttando l’energia accumulata in un induttore e filtrando il ripple d’uscita con un condensatore; si noti che lo switch K non è attraversato dalla corrente di carico (figura 2).

Figura 2: Convertitore FlyBack.

Figura 2: Convertitore FlyBack.

Il valor medio della tensione di uscita sarà:

Vo=Vin x ton/(T-ton)

Da questa relazione si evince che il circuito può essere un elevatore di tensione (se /T >0.5) oppure riduttore. Questo circuito non isola il carico dalla linea d’ingresso e inverte la tensione d’uscita rispetto a quella d’ingresso.

Convertitore Boost

Il  convertitore Boost converter, invece, può essere realizzato come in figura 3 e 4.

Figura 3: Boost Converter.

Figura 3: Boost Converter.

 

Figura 6: Boost Converter LM3310.

Figura 4: Boost Converter LM3310.

Per questo tipo abbiamo:

Come si può facilmente osservare dalle formule, questo tipo di convertitore è solo elevatore e non inverte la tensione di uscita rispetto a quella di ingresso.

Convertitore Forward

Un altro esempio di convertitore è quello Forward, le cui caratteristiche possono essere riassunte in figura 5 e 6.

Figura 4: Convertitore Forward.

Figura 5: Convertitore Forward.

 

Figura 5: Convertitore Forward

Figura 6: Convertitore Forward

Convertitore Buck

Un altro esempio di convertitore è il Buck (figura 7 e 8).

Figura 7: Convertitore Buck

Figura 7: Convertitore Buck

 

Figura 8: Funzionamento del Convertitore Buck.

Figura 8: Funzionamento del Convertitore Buck.

Questi tipi di convertitori hanno, di fatto, sostituito il più comune trasformatore in numerose applicazioni, non solo per il  minor costo di fabbricazione ma anche, e sopratutto, per la riduzione delle dimensioni  fisiche. Il principio che sta alla base del funzionamento è la presenza di un interruttore in serie al flusso di potenza; mediante la regolazione del tempo di chiusura di tale interruttore si modificano le quantità di energia scambiate e di conseguenza  il livello della tensione nel carico.

L’elettronica di potenza e il fattore termico

L’elettronica di potenza ha il compito di gestire e controllare l’energia elettrica fornendo tensione e corrente in una forma che si addice in modo ottimale ai carichi utilizzatori. L’espansione della domanda riguardante l’elettronica di potenza è stata una conseguenza di diversi fattori:

» alimentatori statici in corrente continua e gruppi di continuità: con lo sviluppo della microelettronica e computer che richiedono sempre di più alimentatori di potenza regolabili e possibilmente continuativi.

» Risparmio energetico: con l’aumento dei costi energetici e l’interesse verso la protezione all’ambiente si è cercato di dare priorità verso il risparmio  energetico.

» Controllo di processi e automazione industriale.

» Applicazioni  elettriche: comprendono apparati per saldatura e riscaldamento ad induzione.

Nell’ambito dell’elettronica di potenza i fattori termici assumono un ruolo fondamentale. V isto che la dissipazione di potenza sui dispositivi è per certi versi ineliminabile, è necessario che comunque la temperatura di esercizio del dispositivo non aumenti più di tanto. In questa esigenza è coinvolto il progetto del package del dispositivo stesso. Per package si intende l’insieme della struttura meccanica che serve a rendere compatto il dispositivo, a proteggerlo dall’ambiente esterno e soprattutto a consentire lo smaltimento del calore in eccesso utilizzando i meccanismi di scambio termico di conduzione del calore ed eventualmente di convezione. Un parametro fondamentale nello studio della qualità di dissipazione del calore nei dispositivi è la resistenza termica che rappresenta la temperatura raggiunta dal dispositivo quando dissipa potenza, dipende ovviamnete da fattori geometrici ed elettrici.  Il progetto meccanico del sistema di assemblaggio del dispositivo di potenza deve tendere ad utilizzare materiali e geometrie tali da minimizzare la resistenza termica. Per poter proteggere un dispositivo dal calore, talvolta è necessario l’utilizzo di un dissipatore. La scelta del dissipatore avviene nelle seguenti fasi:

» Nota la potenza dissipata Pd dal dispositivo, la temperatura  massima Tij sopportabile dalla giunzione e la temperatura ambiente massima Ta, si calcola il valore che può assumere la resistenza termica giunzione-ambiente (massima):

Rja=(Tij-Ta)/Pd

» Successivamente si confronta il valore della resistenza termica calcolata sopra con i valori tecnici, (forniti nei data sheet) di: θjc  (temperatura contenitore-giunzione)e θja (temperatura giunzione-ambiente). Se θjc è minore della resistenza termica allora il dispositivo necessita di un dissipatore. Per il progetto del dissipatore si calcola la sua resistenza termica:

θsa ≤ Rjajc  -θcs

dove θcs  è la resistenza termica fra contenitore e dissipatore (data sheet). Normalmente nei fogli tecnici viene fornito il diagramma relativo alla curva di riduzione, ovvero l’adamento della potenza massima dissipabile nel dispositivo in funzione della temperratura del contenitore o ambiente. La pendenza della curva è proporzionale all’inverso della resistenza termica di giunzione.

 

 

 

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