Progettazione di Alimentatori ad alta tensione

Alimentatori alta tensione

Gli alimentatori ad alta tensione (High Voltage Power Supply) sono utilizzati nei laboratori di analisi di routine e per varie apparecchiature di prova. Tutti i nuovi HVPS sono progettati utilizzando la tecnologia switching, al fine di ottenere prestazioni elevate mantenendo piccole dimensioni e bassi costi. Gli HVPS appartengono ad una famiglia diversa dai semplici dispositivi che forniscono energia elettrica ai circuiti elettronici; l’isolamento elettrico e il raffreddamento sono alcuni dei fattori che guidano il loro design. Il metodo di raffreddamento ricade su scelte quali aria, acqua o olio, dielettrico,  piattaforma, la quantità di calore da dissipare, la tensione di uscita e considerazioni infrastrutturali relative all’installazione. Alcune delle più comuni interfacce permettono di controllare il dispositivo da remoto, esempi sono la RS232, USB, Ethernet e GPIB. In questo articolo analizzeremo alcuni aspetti progettuali di alimentatori HV con esempi circuitali.

1. Introduzione

Lo schema a blocchi generale di un alimentatore ad alta tensione è visualizzato nella figura 1. La potenza di ingresso è inizialmente fornita attraverso un filtro EMI e uno stadio raddrizzatore per produrre un segnale DC e per filtrare il rumore spurio. Il raddrizzatore incorpora anche un circuito di rifasamento per ridurre al minimo l'angolo di fase tra le forme d'onda di corrente e tensione e per raggiungere un buon fattore di potenza (potenza reale divisa la potenza apparente) superiore a 0,84. La correzione del fattore di potenza (PFC) può essere passiva o attiva. I circuiti passivi sono costituiti da una rete formata da induttori e condensatori, e spesso possono produrre un fattore di potenza pari a 0,94 misurato a piena potenza. I PFC attivi, invece, possono produrre un fattore di potenza superiore a 0,98 su tutta la gamma di potenza del HVPS.

figura1

Figura 1: Schema a blocchi generale di un HVPS

Con riferimento  alla figura 1, la conseguente uscita di tensione DC dal filtro è successivamente inviata ad un convertitore risonante, che, quindi, produce un segnale in corrente alternata ad alta frequenza. Nella fase successiva, l'inverter aziona gli avvolgimenti primari del trasformatore "step up" ad alta tensione. L'inverter può rappresentare un aspetto formidabile del progetto di alimentazione, in quanto deve essere garantita elevata affidabilità ed efficienza, per raggiungere il grado desiderato di margine, ovvero la differenza tra la capacità massima di un componente e l'effettiva necessità di "utilizzazione" di un circuito. 
Sebbene la figura 1 può rappresentare una buona schematizzazione, le topologie reali possono essere complicate e impegnative per l'ingegnere nella creazione di una uscita di alimentazione stabile che soddisfi le esigenze del cliente e l'applicazione. Il trasformatore, per esempio, comporta un'attenta considerazione di fattori quali la geometria di base, il numero di spire primarie e secondarie, come esse sono avvolte, tipo e il metodo di strato isolante. E' qui che i problemi si possono verificare in termini di capacità, rottura dell'isolamento, degradazione termica e altre condizioni indesiderate.  La fase successiva è il circuito moltiplicatore in tensione, che consiste in una rete di diodi ad alta tensione e condensatori per il raddrizzamento, filtraggio e moltiplicanzione della tensione del trasformatore. Il processo di progettazione prevede l'analisi del circuito, prototipazione e test per garantire i risultati desiderati. Il circuito deve essere protetto dalla elevata energia liberata quando i condensatori di carico vengono scaricati (inversione di tensione) e, in generale, l'alimentazione deve essere in grado di sopportare transitori di corrente e tensioni elevate. La progettazione di un HVPS per l'alimentazione di un tubo a raggi X è un esempio della necessità di un circuito di protezione, in quanto gli effetti relativi a transitori di archi elettrici devono essere tollerati dal HVPS mentre gestisce la risposta del sistema complessivo.
 La fase finale, per la maggior parte dei requisiti, è compensata dal divisore di alta tensione con un anello di retroazione. Il divisore richiede un'attenta progettazione per ottenere la corretta risposta transitoria, ed è molto importante progettarlo correttamente per consentire un accurato monitoring in real time  dell’uscita.

2. Design

I requisiti di alimentazione per la strumentazione analitica sono vari. Mentre la maggior parte dei requisiti di tensione possono essere soddisfatti con prodotti "off the shelf", i requisiti di alta tensione sono normalmente affrontati da un design personalizzato per una specifica applicazione. Gli alimentatori ad alta tensione progettati su misura possono essere trovati in strumenti per la spettroscopia, elettroforesi capillare, la spettrometria di massa, laser, spettrometri, diffrazione di raggi X, fluorescenza a raggi X e molte altre applicazioni di imaging e di analisi. 
Ogni applicazione di High Power Voltage richiederà particolare attenzione alle variabili critiche: ripple della tensione, la stabilità a lungo e breve termine, la ripetibilità e la precisione sono fattori importanti nella considerazione di dati scientifici affidabili. Inoltre, l'affidabilità e la qualità sono ugualmente considerati importanti [...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2291 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici e potrai fare il download in formato PDF eBook e Mobi per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.

Scarica subito una copia gratis

4 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 16 Dicembre 2015
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 16 Dicembre 2015
      • Fabrizio Indiveri 11 Maggio 2016
        • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 13 Maggio 2016

Scrivi un commento

Seguici anche sul tuo Social Network preferito!

Send this to a friend