Elettronica applicata/Regolatori a commutazione

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Indice del libro
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 ;
  • 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[modifica]

I regolatori a commutazione hanno un rendimento 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 minore di quella d'ingresso ;
  • boost: fornisce una tensione di uscita maggiore di quella d'ingresso ;
  • buck-boost: fornisce una tensione di uscita con polarità opposta rispetto a quella d'ingresso ;
  • flyback: integra un trasformatore (due masse separate) fornendo isolamento galvanico (ad es. per applicazioni medicali).

Regolatore buck[modifica]

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:

Buck switching regulator behaviour.png
  • 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:
  • 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:

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

Regolatore boost[modifica]

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 sull'induttore fa diminuire la corrente perché è negativa ():
  • 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 sull'induttore positiva () fa aumentare la corrente:

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

Regolatore buck-boost[modifica]

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.