Alimentatori e Regolatori Dissipativi

5/13/2018 Alimentatori e Regolatori Dissipativi - slidepdf.com

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1

Elettronica di potenza

Alimentatori

2

Contenuto dell’unità

Specifiche degli alimentatori

Struttura di un alimentatore da rete

Esempi di progetto di alimentatori

3

Introduzione

Gli alimentatori sono apparati che trasformanol’energia elettrica proveniente da una sorgente(rete di distribuzione dell’energia elettrica,batteria), nel formato richiesto da un utilizzatore.Compiti dell’unità sono:

Descrivere le specifiche e le normative checaratterizzano un alimentatore.Studiare la struttura tipica di un alimentatore darete. Verificare, mediante esempi, i vantaggi e gli

svantaggi delle diverse strutture esaminate.



4

Alimentatori

Specifiche degli

alimentatori

5

Contenuto della lezione

Specifiche elettriche

Tensioni e correnti d’ingresso/uscita

Potenza, protezioni

Altre specifiche: ambientali, meccaniche, diaffidabilità e sicurezza

6

Introduzione

Nel progetto di alimentatori occorre tenere contodi diversi tipi di specifiche:

ElettricheEMC AmbientaliMeccaniche AffidabilitàSicurezza

Design forproduction Aderenza anormative

QualitàDocumentazione

COSTO!



7


Tensioni e correnti d’uscita

8

Principali specifiche elettriche

Tensione e corrente d’ingresso: V i , I

i (P

i )

Tensioni e correnti d’uscita: V u , I

u (P

u )

Eventuali uscite multiple

Stabilità e precisione di V u

Quadranti di lavoro

Impedenza d’uscita: Z u

9

Tensione di ingresso


Valore nominale e intervallo Variazioni (rumore e ripple)Frequenza (in caso di AC)Transitori (sag, brown out, microinterruzioni)



10


Esempio: per un alimentatore universale da reteTensione efficace fra 90V e 265VFrequenza fra 47 Hz e 63 Hz

Esempio: per un alimentatore automobilisticoTensione fra 6V e 18V con picchi al di fuori diquesti valori

11

Tensioni di uscita

Tensioni di uscitaPrecisioneStabilità

Regolazione di carico e impedenza di uscitaRegolazione di linea e suscettibilità audioCrossregolazioneTemperaturaInvecchiamento

Rumore e ripple (PARD: periodic and randomdeviation)

Valori rms, medi, picco

12

Regolazione di carico

Due modi di misurare la variazione di V u

alvariare di I u :

Differenziale:(∂V

u / ∂I

u )|I

u =r

u (impedenza d’uscita)

È una curva funzione di I u

Per ampio segnale: ∆ V

u / ∆ I

u = Regolazione di carico

La regolazione di carico specifica la variazione di V uper una variazione di I

u da I

uMIN a I

uMAX (V

u a vuoto;

V u

a pieno carico) o per una percentuale di tali

valori.



13

Regolazione di linea

Consideriamo la variazione di V u

al variare di V i :

Differenziale:∂V

u / ∂V

i = Suscettibilità audio

Per ampio segnale:

∆ V u / ∆ V i = Regolazione di lineaLa regolazione di linea specifica le variazioni dellatensione di uscita entro il campo di variabilità dellatensione di rete (o comunque di ingresso)

14

Altre sorgenti di variazione di V u

Stabilità in temperatura:∂V u /∂T (ppm/°C)

Invecchiamento:variazione di V u nel tempo, a volte indicata inmV/mese, oppure in mV/(mese)1/2 (fenomenostatistico)

15

Tensioni di uscita

Caratteristiche dinamicheScostamento della tensione in seguito a unostimoloTempo di recupero, per avere la tensione di nuovoentro una fascia prefissata



16

Comportamento dinamico

Comportamentodinamico:

analisi in transitorioEs: variazionecarico. Come cambiaV u ?

V u

17

Comportamento dinamico

Comportamento diverso in transitorioLegato alla dinamica del dispositivoSi considerano gli elementi reattiviPoli e zeri della funzione di trasferimentoStabilità dell’uscita nei transitori

V u

t

∆V u

?

18

Tensioni d’uscita

Altre caratteristicheCampo di regolazione e taraturaHold up time: per quanto tempo si garantiscel’uscita in seguito a mancanza di energiaall’ingresso



19

Corrente di uscita

Corrente di uscita Valore minimo (spesso 0 A, ma non sempre) Valore massimo

ContinuoPicco

Variazioni di carico (di /dt )

Comportamento in caso di cortocircuitoTipo di carico accettabile (capacitivo, induttivo...)

20


Potenza e protezioni

21

Altre caratteristiche elettriche: potenza

Consideriamo la potenza:P u <P i in ogni casoEfficienza: η =P u /P i <1Potenza dissipata(normalmente in calore):P d =P i -P u

Si cerca di avere η alta:

P u P i

L’energia costa!Il calore è un problema!

Sistemi a batteria:aumenta l’autonomia



22

Transitorio di corrente

A regime, se P u

costante: P i =P

u /η = costante

Supponendo V i ≈ costante, anche I i ≈ costante

All’accensione invece può esserci un transitorio incui I

i è molto più alta:

INRUSH CURRENT

Parametro importante per sistemi di grandepotenza o con autonomia limitata

23

Protezioni

L’alimentatore non deve danneggiare il sistema incui è inserito. Ci devono essere protezioni su:

Carico. Non deve essere danneggiato dasovratensioni d’uscita: circuito separato checontrolla V u e stacca il circuito in caso di anomalie.

Sorgente. Se l’alimentatore richiede troppa

corrente si deve interrompere l’erogazionedell’energia.

24

Protezioni

Alimentatore. Deve proteggersi da richieste fuorispecifica da parte del carico (es cortocircuito) o datensioni fuori range sull’ingresso e dasurriscaldamento.

Specifiche di fail safe e di diagnostica/comandoremoti



25

Compatibilità elettromagnetica

Norme piuttosto stringenti sulla compatibilitàirradiata e condotta

In Italia è obbligatorio il marchio CE che specificaanche questi aspetti.

Il marchio CE si appone per autocertificazione, aseguito di prove in camera anecoica o per analisidel progetto.

26


Altre specifiche

27

Specifiche ambientali

Per le caratteristiche ambientali si seguono dellenormative. Caratteristiche principali:

Temperatura. Sono definiti dei campi standard:Civile: 0°C ÷ +70°CIndustriale: -40°C ÷ +85°CMilitare: -50°C ÷ +125°C Automotive: -40°C ÷ +125°C

Umidità, acqua, agenti chimici

Quota: aumentando la quota: Aria più rarefatta: peggiora dissipazione

Pressione più bassa: problemi con condensatorielettrolitici



28

Caratteristiche meccaniche

Caratteristiche principali:Dimensioni e formaMassaResistenza a vibrazioni, urti, accelerazioniPosizione di fori di fissaggio, connettori ecollegamenti

Orientamento di montaggio, metodo diraffreddamento (aria naturale, aria forzata, liquido)Marchiature e scritte sull’alimentatore e sullascatola

29

Affidabilità

L’affidabilità dipende da quanto sono “stressati” icomponenti. Per avere alta affidabilità bisognausare i componenti molto al di sotto dei limiti:

DERATING

In alcuni casi si devono fare sistemi ridondanti, inmodo che il guasto su una parte del sistema nonne comprometta il funzionamento globale

30

Sicurezza

La sicurezza è un parametro molto importante.Dipende da:

Isolamento elettrico: bisogna tener conto anchedelle tensioni di modo comune.Incendio: i materiali non devono infiammarsi.Esistono normative apposite.Scintille (per funzionamento in ambienti conpolveri o gas esplosivi)



1

Alimentatori

Struttura di un

alimentatore da rete

2

Contenuti della lezione

Alimentatori con regolatore lineare

Tensione sul condensatore di filtro

Potenza attiva e apparente

Distorsione

Alimentatori con regolatore switching

Condensatore di filtro

Limitazione della “inrush current”

3

Introduzione

Alimentatori da rete o off-line

Struttura diversa per alimentatori con:

Regolatore dissipativo o lineare

Regolatore a commutazione

Diversità principale: modo di ottenerel’isolamento galvanico



4


Alimentatori con regolatore

lineare

5

Alimentatore con regolatore lineare

Struttura base di un alimentatore con regolatorelineare

Regolatoredi

tensione

F

T

N

50 Hz

6

Regolatoredi

tensione

F

T

N

50 Hz

Sezione d’ingresso da rete

L’ingresso comprende: interruttore, fusibile e filtro

Filtro passa-basso, può includere anche:

Varistori o scaricatori a gas, per proteggere dasovratensioni di rete



7

Trasformatore

Il trasformatore garantisce isolamento galvanicoe adeguati livelli di tensione sul secondario.Possibili uscite multiple

Regolatoredi

tensione

F

T

N

50 Hz

8

Raddrizzatore e filtro

Raddrizzatore e filtro (spesso un solocondensatore) convertono l’uscita deltrasformatore in una tensione continua

Regolatoredi

tensione

F

T

N

50 Hz

9

Regolatore di tensione

Il regolatore di tensione genera la V u voluta apartire da quella presente sul filtro. Può includereun ulteriore filtro in uscita.

Regolatoredi

tensione

F

T

N

50 Hz



10

Problemi della struttura classica

Quali sono i punti deboli della strutturaanalizzata?

Il trasformatore funziona alla frequenza di rete(50-60Hz): è ingombrante e pesante

Raddrizzatore e filtro creano assorbimento dicorrente dalla rete di tipo impulsivo:

VIETATO DALLE NORME PER ASSORBIMENTISUPERIORI A QUALCHE DECINA DI WATT

Soluzione: struttura alternativa con regolatore acommutazione

11


Tensione sul condensatoredi filtro

12

Tensione sul filtro

Studiamo tensione e corrente sul filtro:

Senza filtro la tensione in uscita dal raddrizzatore èuna sinusoide raddrizzata (curva grigia)

Con filtro si ha la curva blu

V C

t

V RI

T /2



13

Tensione di ripple

Quanto vale V RI?

Il tratto rettilineo è lascarica di C ad operadi I u (consideratacostante in un ciclo)

Se V RI è piccola, si

può approssimare ladurata del trattorettilineo con T/2

Se f è la frequenzadi rete, allora:

V C

t

V RI

T /2

C

I V U

RI ⋅

≅ f 2

14

Tensione sul condensatore di filtro

Corrente d’ingresso

15

Corrente di ingresso

La corrente nei diodi e nel trasformatore scorresolo quando il condensatore viene ricaricato

V C

tI T INRUSH

current



16

Espressione della corrente

A regime la corrente è apicchi, periodica confrequenza pari a quelladi rete (50Hz)

Lo spettro della correntepuò essere sviluppato in

serie di Fourier, confondamentale a 50Hz earmoniche paripraticamente nulle

Tensione in ingressocirca sinusoidale

∑

∞

=+=

1)sin()(

n

n n t n I t i ϕ ω

)sin()( t V t v PK ω =

t

I T

17


Potenza attiva e apparente

18

Potenza media

La potenza media assorbita dall’alimentatore èl’integrale (diviso per T ) su un periodo delprodotto tra tensione e corrente.

∫ ∑∞

=

+=T

n

n n PK i dt t n I t V T

P 0

1

)sin()sin(1

ϕ ω ω



19

Potenza media

Espandendo la sommatoria si ottiene

++

++=

∫

∫ Kdt t t I

dt t t I

T

V P

T

T

PK i

0 22

0 11

)2sin()sin(

)sin()sin(

ϕ ω ω

ϕ ω ω

20

Potenza media

L’unico termine della corrente che dà contributonon nullo all’integrale è quello relativo allafondamentale

++

++

= ∫

∫ Kdt t t I

dt t t I

T

V

P T

T

PK i

022

0 11

)2sin()sin(

)sin()sin(

ϕ ω ω

ϕ ω ω

21

Potenza media

Calcolando l’unico termine non nullo si ottiene

11 cos

2ϕ

I V P PK

i =



22

Power Factor

La potenza attiva è dunque

P ATTIVA =V RMS · I 1RMS · cosφ 1

La potenza apparente, che transita nella rete, èinvece

P APPARENTE = V RMS · I RMS

23

Power Factor

Il fattore di potenza o POWER FACTOR èdefinito come

PF = P ATTIVA / P APPARENTE = cosφ 1 · I 1RMS / I RMS

Il rapporto I 1RMS / I RMS è denominatoDISTORTION FACTOR

24


Distorsione armonica



25


Si può esprimere I RMS

in funzionedell’ampiezza dellearmoniche di I,

ricordandol’espressione di i (t )

∑

∫ ∞

=

=

==

1

2

0

2)(1

n

nRMS

T

RMS

I

dt t i T

I

26


Il distortion factorallora diventa

∑

∑

∞

=

∞

=

+=

==

221

2

21

1

2

1

1

1

1

n RMS

nRMS

RMS

n

nRMS

RMS

RMS

I

I

I

I I

I

27

Power Factor e distorsione

La sommatoria a fiancorappresenta ladistorsione armonicatotale della corrente(THD )

Il Power Factor puòallora essere espresso infunzione di THD e dellosfasamento della

fondamentale di I rispetto a V

∑∞

=

=2

21

2

n RMS

nRMS

I

I THD

12cos

1

1ϕ

THD PF

+=



28


Alimentatori con regolatore

switching

29

Alternative allo schema classico

Problemi evidenziati:

Trasformatore ingombrante e pesante

Power Factor molto basso (contro normative)

Soluzioni

Eliminare il trasformatore a 50Hz

Utilizzare un circuito di correzione del Power Factor

30

Eliminazione trasformatore a 50Hz (1)

Eliminando il trasformatore si hanno tre problemi:

Tensione in ingresso al regolatore molto elevata

Mancato isolamento galvanico dalla rete

Inrush current dovuta al condensatore di filtro

Regolatoredi

tensione

≈

230V=

320V



31


Soluzione ai primi due problemi:

Regolatore a commutazione (switching) per avererendimento elevato

Topologia isolata (con trasformatore ad altafrequenza, leggero e di piccole dimensioni)

Regolatoredi

tensione

≈

230V=

320V

32


Questo schema risolve il problema dell’ingombro epeso del trasformatore, ma non quello

dell’assorbimento di corrente impulsivo.

Come fare per rispettare le norme sulla corrente?

Occorre eliminare il raddrizzatore o il condensatore

Regolatoredi

tensione

≈

230V=

320V

33

Alimentatore con PFC

Tra raddrizzatore e filtro si inserisce un Power FactorCorrector (PFC).

Il PFC presenta impedenza d’ingresso resistiva:Corrente sinusoidale e in fase con la tensione

Circuito switching per avere rendimento elevato

Regolatoredi

tensione

≈

230VPFC

P i P r



34

Alimentatore con regolatore switching

Condensatore di filtro

35

Funzioni del condensatore di filtro

Potenza assorbita dalla rete: sinusoidale

P i

=V 2sin2(ω t )/R

Potenza usata dal regolatore: costante

Se η =1, P r =V 2 /2R

Funzione di C: assorbire energia quando P i >P r erilasciarla quando P i <P r

t

PP i

P r

∆ ε

36

Rippple sul condensatore di filtro

Per accumulare energiaoccorre avere ripple suC:

∆ E = C (V 12-V 2

2)/2

V ripple=V 1-V 2V Cm =(V 1+V 2)/2

(tensione media su C)

Svolgendo i conti

∆ E = C V Cm V ripple

∆ E è nota (integrale)

t

P ∆ E

V Cm è più alta dellatensione di picco inuscita dal raddrizzatore(es. 400V)

Si può calcolare C imponendo V ripple (es.20V)



37


Limitazione della inrush

current

38

Inrush current

Problema sugli alimentatori senza PFC

Sovracorrente nel primo ciclo di rete durantel’accensione

Come limitarla?

Resistenza in serie all’ingresso?

Valutiamo su un esempio

Regolatoredi

tensione

≈

230V

R

39

Inrush current (esempio)

Esempio: si voglia IinrushMAX=10A

R = 325V/10A ≈ 32Ω

Ma se in funzionamento normale I=1A allora:

Su R cadono 32V e R dissipa 32W!

Occorre cortocircuitare R in funzionamentonormale, es. con TRIAC, ma il costo è alto:

Si fa solo su alimentatori per alte potenze

Regolatore

ditensione

≈

230V R



40

Inrush current - alternativa

In alternativa si può usare resistenza NTC

A regime il valore può scendere fino ad es. a 1Ω

Non può scendere a 0 perché non si scalda più…

Non si può spegnere e riaccendere subitol’alimentatore: l’NTC non ha tempo di raffreddarsi

L’alimentatore non è protetto da “buchi” ditensione.

Regolatoredi

tensione

≈

230V R



1

Alimentatori

Esempi di progetto dialimentatori

2

Contenuti della lezione

Progetto di alimentatore senza circuito dicorrezione del fattore di potenza (PFC)

Valore del condensatore

Corrente di picco

Scelta diodi

Corrente RMS

Progetto di alimentatore con PFC

3

Introduzione

Esempio di progetto di alimentatore da rete

Specifiche:

Rete: 230Veff

Assorbimento del carico: 200W

Dimensionare C e i diodi nei due casi:

Alimentatore senza PFC

Alimentatore con PFC



4


Progetto di alimentatoresenza PFC

5

Progetto di un alimentatore classico

Lo schema di riferimento del caso trattato inquesta lezione è il seguente (senza trasformatorea 50Hz)

6

Progetto alimentatore : specifiche

In uscita si avrannocirca 320V

Carico: resistenza R LPer 200W d’uscita=>

Corrente di carico =>

Questi dati permettonodi calcolare il valore di Ca partire da specifica suripple di tensione sulcarico

V Veff L 3202230 ≅⋅=

Ω≅= 500200

)320( 2

W

VR L

A VI L 6,0500 /320 ≅Ω=



7

Progetto alimentatore : ripple

Scarica delcondensatore:

Esponenziale con τelevata:

Si approssima con

una rettaSi approssima il tempodi scarica con T /2

a 50Hz, T=20ms,T /2 = 10ms

VC

t

VRI

T /2

C

ITI

CC

Q V L

LRIPPLE f 22

1==

∆=∆

8

Progetto alimentatore : condensatore

Per avere basso rippleoccorre C grande:

Costo e ingombro elevati

Occorre soluzione dicompromesso:

Scegliamo VRIPPLE=25V

240µF non è un valorenormalizzato: i più vicinisono 270µF e 330µF

Occorre tenere conto delletolleranze: 270µFpotrebbe essere al limite

RIPPLE

L

V

IC

∆⋅=

f 2

F VHz

A C µ240

25502

6,0=

⋅⋅=

Scelta finale: 270µF400 VL

9

Progetto alimentatore : diodi

Corrente nei diodi

Impulsiva

Si può approssimarecon triangolo oparabola

Quanto dura?

Angolo di conduzioneαC

Intersezione di rettadi scarica delcondensatore con lasinusoide raddrizzata

°≅

−

=

=

−=

23320

25320arccos

arccosPK

RIPPLEPK C

V

V Vα

ID

t



10

Proget to: calcolo corrente di picco

Come calcolare IPK ?L’integrale di ID dtcoincide con la caricaceduta da C in T/2

Con approssimazionetriangolare:

?Q = IPK ·T1 / 2Con approssimazioneparabolica

?Q = IPK ·T1 ·2 / 3

La secondaapprossimazione è piùvicina ai riscontrisperimentali

ID

t

IPK

T1

12

3

T

QI PK

∆=

11

Progetto alimentatore: corrente di picco

T1 è l’angolo diconduzione

?Q è il prodotto di ILper il semiperiododella tensione di rete

Dunque IPK può essereespressa in funzionedella corrente nel

carico e dell’angolo diconduzione

2

3180

2

3,1360

1

C

LPK

L

C

II

TIQ

msT

α

α

°=

=∆

=°

=

12

Progetto alimentatore: corrente di picco

T1 è l’angolo diconduzione

?Q è il prodotto di ILper il semiperiododella tensione di rete

Dunque IPK può essereespressa in funzionedella corrente nelcarico e dell’angolo diconduzione

Nel nostro caso=>

2

31802

3,13601

C

LPK

L

C

II

TIQ

msT

T

α

α

°=

=∆

=°

=

A I

I LPK 7

2

3

23

180=

°°

=



13

Progetto alimentatore: scelta diodi

Per scegliere i diodi occorre considerare:

Corrente media

Corrente di picco ripetitiva

Corrente di picco non ripetitiva=> inrush current

Tensione inversa

0=Ci

14

Progetto alimentatore: raddrizzatore

Raddrizzatore a ponte:

Corrente media: 0,3A (ogni diodo conduce in unasemionda)

Corrente di picco ripetitiva: 7A (già calcolata)

Inrush current: ? (dipende dai parametri parassiti)

Tensione inversa: 320V. Per sicurezza: 400V

0=Ci

15

Progetto alimentatore: scelta condensatore

Condensatore:

Tensione ai capi: 320V. Elettrolitico da 400V

Quanto vale la corrente efficace?

Importante per la scelta del condensatore

0=Ci



16

Progetto alimentatore: corrente di rete

Il valore della correnteRMS nel condensatoreè difficile da calcolaredirettamente. E’ piùfacile partire dallacorrente di rete

Utilizzandol’approssimazioneparabolica, la correnteRMS vale 1,8 A

La potenza apparente èIRMS·VRMS =230 V·1,8 A =414W

IRETE

t

7 A

1,3ms

T /2

21

2

2

011

2

4,315

82

142 1

A TIT

dtT

tt

T

I

TI

PK

TPK

RMS

==

=

−= ∫

17

Alimentatore: corrente n el condensatore

Dall’equazione al nodosi ha:

RMS (S(I ))=0

Se le correnti sonoortogonali(1):

S(I 2)=0

ICRMS2= 3 A 2

ICRMS= 1,73 A

Dunque la corrente nelcondensatore èmaggiore di quella nelcarico

IC

t

(1) nel senso che nel carico vasolo la continua e nelcondensatore solo l’alternata



1


Esempio di progetto conPFC

2

Progetto PFC: specifiche

Utilizzando il PFC è ovviamente diversa la correntenei diodi, ma che cosa succede al condensatore?

Usiamo le stesse specifiche del progetto precedente:

Potenza sul carico: 200W

Tensione di rete: 230 Veff

3

Proget to PFC: dati carico

In uscita si avranno circa 390V (il PFC hauscita più alta della tensione di piccod’ingresso)

Carico: resistenza R LPer 200W d’uscita=> Ω≅= 760

200

)390( 2

W

VR L



4

Proget to PFC: dati carico

Corrente di carico =>

Con questi dati si puòdimensionare C, apartire da specifica suripple di tensione sulcarico

A VI L 51,0760 /390 ≅Ω=

Assumiamo ? VRIPPLE =25 Vcome nel caso precedente

5

Proget to PFC: calcolo energia

La potenza fornita dalPFC è di tiposinusoidale, conespressione del tipoindicato a lato

La potenza assorbitadal carico è costante,pari a 200W.

Il valore di picco di

PPFC è 400W.?e è calcolabiledall’integrale =>

t

P ?e

+⋅= tT

k PPFCπ4

sin2

1

2

1

JmsW

dttT

WT

637,052

200

4sin200 4

0

=⋅⋅=

=

⋅=∆

∫ π

πε

T/4

6

La capacità è circa unterzo di quelladell’esempio precedente

Progetto PFC: calcolo condensatore

Il valore di Cdetermina il ripple

Imponendo che ilripple sia di 25 V ,come per il casosenza PFC, si ottiene:

C=0,637J/(25·390) V 2=65,3µF

Tenendo conto delletolleranze:

C=82 µF /450 V L

( )

( )( )

V VC

V V V VC

V VC

390252

12

1

2121

22

21

⋅⋅=

=+−=

=−=∆ε



7

PFC: corrente nel condensatore

Se si trascura il ripple, si può supporre VL costante

In questo caso, essendo I=P/V, la corrente diingresso diventa una sinusoide traslata il cui valormedio rappresenta la corrente d’uscita e lecomponenti in frequenza sono assorbite dal

condensatore (+switching)I =P/V IL=0,51 A

IC

8

Proget to PFC: conclusioni

IRMS=(0,51/v 2) A =0,36 A

Sono evidenti i vantaggi:Condensatore più piccolo

Corrente inferiore (=vita più lunga)

Ripple generato da corrente sinusoidale(+switching)

IC0,51 A

9

Progetto P FC: calcolo alternativo ripple

Il fatto che la corrente media in C sia sinusoidaleci suggerisce un metodo più semplice percalcolare il ripple:

La tensione provocata da una corrente sinusoidaleai capi di un condensatore è del tipo:

VC = XC ·IC

Ma XC =1/(? C )=1/(2π·100Hz · 82µF )=19,4Ω VCPK = 19,4Ω · 0,51 A =9,9 V (circa 20 VPP,coerentemente con il progetto)



1

Elettronica di potenza

Unità: Regolatori ditensione dissipativi

2

Contenuto dell’unità

Regolatori parallelo

Regolatori serieControllo della tensione d’uscita

Regolatori LDOStabilità LDO

3

Introduzione

All’uscita del filtro dell’alimentatore si ha unatensione quasi continua, che però:

È affetta da rippleDipende dalle variazioni della tensione di rete

Occorre rendere questa tensione stabile eprecisa:

Serve un regolatoreQuesta unità si occupa dei regolatori lineari, odissipativi. Questi si dividono in due famiglie:

Regolatori paralleloRegolatori serie



4

Regolatori di tensione dissipativi

Regolatori di tensionedissipativi parallelo

5

Regolatori parallelo

Sono costituiti da unpartitore in cuil’elemento in paralleloall’uscita varia la propriaresistenza in modo damantenere V

U costante

L’esempio più diffuso ècostituito dai regolatoricon diodo zener

R

R V

V i

V u

R

V i

V u

6

Regolatori con diodo zener

Non sono più usatiperché:

Lo zener è poco precisoIl modello del diodoprevede una r z0 nontrascurabile cheinfluenza la tensioned’uscitaStaccando il carico, lacorrente continua acircolare nel diodo:

Basso rendimento

Alta dissipazione

R

V i

V u

R

V i

V u

v z0

r z0



7

Riferimenti di tensione

Esistono dei circuiti integrati a due piedini che sicomportano come zener quasi idealiSi chiamano riferimenti di tensione (voltagereference)Sono basati su circuiti che generano tensionestabile con la temperatura (es. band gap)

A volte dotati di un pin in più per taraturaLa corrente che possono assorbire è limitata: 0,1-20 mA

Si usano come riferimento di tensione, non comeregolatore (MAXIM LM4051)



1


Regolatori serie

2

Schema di principio

I regolatori serie sono composti daun elemento che svolge le funzioni di resistenzavariabile R, posto in serie tra ingresso e uscita

un sistema che misura la tensione d’uscita emodifica il valore di R in modo da mantenere V u alvalore voluto

R

V i V u

3

Primo schema

Di solito l’elemento serie è un transistor

V u =V REF (1+R 1 /R 2)

V i

V u R

2

R 1

V REF



4

Primo schema

Il transistor è uno stadio finale di potenza chelavora in linearità (da qui il nome di regolatorilineari)

V i

V u R

2

R 1

V REF

5

Secondo schema

Dovendo gestire molta corrente in uscita, spessosi usa una configurazione Darlington

V i

V u

R 2

R 1

V REF

6

Piedini

Il regolatore ha tre piedini “fisici”: ingresso, uscita e 0V,ma altri 4 “concettuali”:

Alimentazioni dell’operazionale

Ingresso della rete di reazione per la lettura della tensione d’uscita

Su alcuni dispositivi i 7 piedini sono tutti disponibili.

V i

V u

R 2

R 1

V REF

V u

V AL V U V i



7

Headroom

Perché un regolatore serie funzioni regolarmenteoccorre che i transistor del darlington funzioninoin linearità: V i >V u +V BE 1+V BE 2

Il transistor di potenza ha circa 1V di V BE , quindiV i >V u +1,7V

La tensione sulla base del primo transistor deveessere però fornita dall’amplificatoreoperazionale, alimentato dalla tensione d’ingressoe la cui dinamica d’uscita non coincide ingenerale con l’alimentazione.

V i >V u +V HR Valori tipici di V HR sono 2-3V

V HR = tensione di HEADROOM è la minima cadutadi tensione (drop-out) ai capi del regolatore chene permette il funzionamento regolare.

8

Potenza dissipata

L’amplificatore operazionale richiede caduta ditensione per operare:

Aumento della potenza dissipata

Soluzione: alimentare l’op-amp con una tensioneesterna più alta

Fattibile solo in casi particolari in cui si abbiano più

tensioni a disposizione. Es: Alimentazione della CPU nei personal computer

Regolazione delle uscite secondarie di regolatori switching

La dissipazione di potenza di un regolatore serie èbassa solo se la tensione d’ingresso è di poco piùalta di quella d’uscita.

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Regolatori di serie

Controllo della tensione

d’uscita



10

Remote sense: due piedini

Se il carico è lontano dal regolatore, la caduta ditensione sui fili d’alimentazione influisce sullaprecisione della regolazione

V u V U

V i R L

I L

11

Remote sense: due piedini

Se il carico è lontano dal regolatore, la caduta ditensione sui fili d’alimentazione influisce sullaprecisione della regolazione

Se sono disponibili i terminali della retroazione, allora sipossono aggiungere dei fili di “sense”, in cui non scorrecorrente significativa, collegati direttamente al carico

V u V U

V i R L

I L

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Remote sense: piedino singolo

Con un solo piedino di sense disponibile, esisteun’altra soluzione. La corrente che scorre nellaconnessione inferiore provoca una imprecisione,ma, essendo molto piccola, è trascurabile

La resistenza R S serve ad evitare problemi nelcaso si scolleghi il filo di sense

V u

V sense

V i R

L

I L R S



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Sense per regolazione tensione

Se si inserisce un partitore sul carico, si puòregolare (aumentare) la tensione d’uscita

Infatti il regolatore manterrà costante la tensionepresente tra V sense e il proprio ri ferimento

V u

V sense

V i

I L

R 1

R 2

R L

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Disturbi elettromagnetici

I fili di sense possono raccogliere disturbi dovuti alcampo elettromagnetico a 50Hz :

L’area racchiusa tra i fili di sense costituisce una spira che siconcatena con il campo magnetico e provoca una tensioneaggiuntiva a 50Hz

Soluzione: coppia ritorta: diminuisce area e porta idisturbi sul modo comune

V u

V i R

L

15

Disturbi in alta frequenza

Anche i campi elettromagnetici ad alta frequenzapossono portare disturbi

I fili diventano antenne

Le giunzioni degli elementi attivi hannocaratteristica non lineare e le componenti in altafrequenza provocano spostamento del punto dilavoro (vengono raddrizzate), facendo variare latensione d’uscita



16

Protezione da sovracorrenti

Si può rendere ancheregolabile la protezionecontro le sovracorrenti

In questo modo si hanno5 piedini

Vantaggi:

Un solo regolatore perscopi diversi

Svantaggi:

Circuito stampato piùcomplesso (menoaffidabile, ecc.)

R 2

R 1

R S

R L

V ref

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Regolatori a tensione regolabile

E’ possibile avere unregolatore in cui siamodificabile latensione di uscita,utilizzando solo trepiedini?

I regolatorimantengono costantela tensione tra ilpiedino d’uscita e ilproprio piedino diriferimento

Non necessariamente il

riferimento di tensionedel regolatore deveessere 0V

I Q è la correnteassorbita dai circuitiinterni del regolatore

V u

V i

I Q

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La tensione su R 1 vale V reg La corrente in R 2 è I R 2 =I Q +V reg /R 1

V u

V i

I Q

R 1

R 2

V reg

V R 2

In

Comune

Uscita



19


La tensione su R 1 valeV reg La corrente in R 2 èI R 2 =I Q +V reg /R 1V u =V reg +R 2I R 2V u =V reg (1+R 2 /R 1) +

+I Q R 2I Q nei regolatori normalinon è costante erappresenta un termined’errore

Esistono regolatoriappositi con I Q costante: LM317

V u V i

I Q

R 1

R 2

V reg

V R 2

In

Comune

Uscita



1


Regolatori LDO

2

Efficienza

La tensione di headroom crea dei problemi:

Alta potenza dissipata (necessita dissipatore)

Bassa efficienza

3

Efficienza

La tensione di headroom crea dei problemi:

Alta potenza dissipata (necessita dissipatore)

Bassa efficienza

Quanto vale l’efficienza?

η=P u /P i = V u I u /(V i I i )

Ma I u ≈I i η≈ V u /V i



4

Efficienza

La tensione di headroom crea dei problemi: Alta potenza dissipata (necessita dissipatore)

Bassa efficienza

Quanto vale l’efficienza?

η=P u /P i = V u I u /(V i I i )

Ma I u ≈I i η≈ V u /V i

Efficienza alta può essere ottenuta solo se V i èpoco più alta di V u : servono regolatori chefunzionano con basso drop-out:

LDO (Low Drop Out)

5

Regolatori LDO

I regolatori LDO hanno un drop out minimo dicirca 0,5V . Si usano spesso con sistemialimentati a batteria o per migliorare laregolazione di uscite secondarie di regolatoriswitching (post-regolatore)

Sono difficili da utilizzare per problemi di stabilità.

Quale può essere lo schema di un LDO?

6

Schema LDO?

Nello schema classico cisono due fattorilimitanti il minimo dropout:

OP-AMP. Esistono op-amp rail-to-rail chehanno dinamica ditensione d’uscita pariall’alimentazione.

V BE transistor. E’ necessario 1V dicaduta.

V i

R 2

R 1

V ref

V u



7

Schema LDO?

Se si usasse un MOS alposto del BJT?Peggiorerebbe ilproblema: la V GSON delMOS è di qualche V!

Il MOS però nonassorbe correntecontinua sul gate

Esistono dei regolatoriin cui l’OP-AMP èalimentato con uncircuito a pompa dicarica per pilotare ilgate del MOS

V i

R 2

R 1

V ref

V u

8

Schema LDO

E un PNP?

Si può fare, ma laconfigurazione èdiversa!

Emettitore comune

E’ una configurazione

invertente, permantenere reazionenegativa occorrescambiare i piedinisull’OP-AMP

E’ stabile?

V i

R 2

R 1

V ref

Z L V u

9

Regolatori LDO

Stabilità LDO



10

Stabilità LDO

Per verificare la stabilitàoccorre calcolare ilguadagno d’anello.

Il sistema è composto dadue stadi diamplificazione (l’OP-AMPe il transistor) e dallarete di reazione formatadal partitore

L’uscita dello stadio atransistor è presa sulcollettore, quindi èun’uscita in corrente.

V i

R 2

R 1

V ref

Z L V u

11

Stabilità LDO

La tensione d’uscita è data dal prodotto tra lacorrente di collettore e l’impedenza di carico.

Dunque il guadagno d’anello e la stabilità dipendonodal carico.

Senza accorgimenti particolari, il sistema è instabile

Z L V u V

2

g m V

2 A d

β

+

V ref

-

+

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Uso LDO

Per garantire lastabilità i costruttorispecificano tipo evalore di uncondensatore da porrein parallelo all’uscita

Tale specifica deveessere rispettata inquanto sfrutta sia ilvalore della capacitàsia quello dell’ESR perintrodurre un polo a

frequenza opportuna

La tecnologia delcondensatore deveessere quellaspecificata dalcostruttore

LDOV u

V i

C c

Z L



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Altri problemi LDO

Altri problemi dell’LDO:I PNP hanno basso β, quindi l’Op-Amp assorbe moltacorrente, che scorre nel nodo comune (I Q ) e variacol carico

Questa corrente riduce l’efficienza del regolatore

Se si usa un darlington il regolatore non è più LDO

I Q variabile fa sì che non si possa usare l’LDO comeregolatore a 3 piedini con tensione d’uscitaregolabile con partitore

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Componenti di supporto

Anche nei regolatorinormali è buonanorma inserire uncondensatoreceramico da 330nF osimili sull’uscita

è opportuno inserireun condensatoreanche sull’ingresso delregolatore percompensarel’induttanza dei cavi

Spesso si inserisce un

diodo tra uscita eingresso per proteggereil regolatore se V e diminuisce molto rapi-damente allo spegni-mento del sistema

V u V i

C 1 C 2

Alimentatori e Regolatori Dissipativi

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