Elettronica applicata/Regolatori a commutazione

Schema a blocchi di un sistema di alimentazione a commutazione

Il sistema di alimentazione a commutazione è simile a quello lineare, ma con alcune differenze:

• il regolatore è a commutazione, ovvero l'elemento base è l'interruttore;
• il trasformatore è posto dopo il regolatore per poter lavorare a frequenze più alte → più piccolo;
• nella parte di controllo in retroazione, il segnale a onda quadra che commuta l'interruttore è fornito da un oscillatore digitale.

Svantaggi

• l'uscita non è continua ma è un'onda triangolare, che deriva dalle commutazioni dell'interruttore, e variando il duty cycle dell'interruttore si può alzare o abbassare il valor medio $V_{DC}$;
• le interferenze elettromagnetiche (EMI) verso le altre apparecchiature sono più basse rispetto ai sistemi di alimentazione lineari, ma sono pur sempre presenti.

Regolatori a commutazione

I regolatori a commutazione hanno un rendimento $\eta$ pari a 0,8÷0,9 V e più alto dei regolatori lineari, grazie alle basse perdite dell'interruttore e della cella LC.

È necessario un filtro passa-basso verso l'uscita perché l'energia è fornita tramite il segnale di comando dell'interruttore che è un'onda rettangolare → fronti ripidi e forte contenuto di armoniche.

Topologie

• buck: fornisce una tensione di uscita $V_{o}$ minore di quella d'ingresso $V_{i}$;
• boost: fornisce una tensione di uscita $V_{o}$ maggiore di quella d'ingresso $V_{i}$;
• buck-boost: fornisce una tensione di uscita $V_{o}$ con polarità opposta rispetto a quella d'ingresso $V_{i}$;
• flyback: integra un trasformatore (due masse separate) fornendo isolamento galvanico (ad es. per applicazioni medicali).

Regolatore buck

Regolatore a commutazione buck stabilizzato con controllo di retroazione

Nel regolatore buck l'induttore si trova dalla parte del carico: la variazione graduale della corrente imposta dall'induttore produce una sequenza di rampe di corrente, che grazie al condensatore si traduce in una sequenza di rampe di tensione sul carico:

${\begin{cases}I_{L}={\frac {1}{L}}\int _{-\infty }^{t}V_{L}\left(t\right)dt\\V_{L}{\text{ costante}}\end{cases}}\Rightarrow \Delta I_{L}={\frac {V_{L}\Delta T}{L}}$

• all'accensione con interruttore chiuso: la corrente inizia a circolare normalmente dal generatore al carico, mentre il diodo è in interdizione;
• all'apertura dell'interruttore (stato OFF): la corrente non diventa subito nulla, ma siccome la corrente che scorre attraverso l'induttore non può variare bruscamente grazie all'energia accumulata nell'induttore il diodo entra in conduzione e la corrente continua a circolare attraverso il diodo, in modo che la corrente che va verso il carico possa diminuire gradatamente:

  $\Delta I={\frac {-V_{o}\cdot T_{\text{OFF}}}{L}}$

• alla chiusura dell'interruttore (stato ON): non inizia subito a circolare tutta la corrente proveniente dal generatore, ma per lo stesso motivo di cui sopra la corrente che va verso il carico aumenta gradatamente:

$\Delta I={\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\cdot T_{\text{ON}}}{L}}$

Le variazioni di corrente negli stati ON e OFF sono bilanciate → il rapporto di trasferimento è controllato dal duty cycle $D$ di commutazione:

${\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {T_{\text{ON}}}{T_{\text{ON}}+T_{\text{OFF}}}}=D>0$

Regolatore boost

Regolatore a commutazione boost

Nel regolatore boost l'induttore si trova verso l'ingresso:

• stato OFF (interruttore aperto): la corrente circola normalmente dal generatore al carico, mentre il diodo è in conduzione, e la caduta di tensione $V_{L}$ sull'induttore fa diminuire la corrente perché è negativa ($V_{L}=V_{i}-V_{o}<0$):

  $\Delta I={\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\cdot T_{\text{OFF}}}{L}}$

• stato ON (interruttore chiuso): la corrente verso il carico viene bloccata dal diodo in interdizione, quindi la corrente circola solo nella maglia generatore-induttore, e la caduta di tensione $V_{L}$ sull'induttore positiva ($V_{L}=V_{i}$) fa aumentare la corrente:

  $\Delta I={\frac {V_{i}\cdot T_{\text{ON}}}{L}}$

Le variazioni di corrente negli stati ON e OFF sono bilanciate → il rapporto di trasferimento è controllato dal duty cycle $D$ di commutazione:

${\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {1}{1-D}}<1$

Regolatore buck-boost

Regolatore a commutazione buck-boost

Nel regolatore buck-boost l'induttore è posto in parallelo tra due interruttori:

• stato ON (interruttore verso l'ingresso chiuso, interruttore verso il carico aperto): l'induttore preleva corrente dal generatore;
• stato OFF (interruttore verso l'ingresso aperto, interruttore verso il carico chiuso): l'induttore continua a prelevare corrente, che può provenire solo dal carico, determinando una tensione di uscita negativa.