Elettronica applicata/Sistemi di alimentazione

Schema a blocchi di un sistema di alimentazione lineare

Unità funzionali

• interruttore principale: isola il sistema di alimentazione dalla corrente elettrica; può essere un comando meccanico o elettrico, e nel secondo caso lo stato di OFF è in realtà uno standby per sentire il comando di accensione;
• fusibile: è un pezzo di filo sottile che, quando la corrente diventa troppo alta, fonde e diventa un circuito aperto;
• filtro EMC: blocca i disturbi elettromagnetici provenienti dall'esterno e dall'interno;
• trasformatore: diminuisce l'ampiezza della tensione e fornisce l'isolamento galvanico tra rete e apparecchiatura;
• raddrizzatore: converte una tensione alternata bipolare in unipolare, cioè le tensioni negative vengono riportate positive;
• filtro di ondulazione: fa passare la componente continua (DC) e riduce la alternata (AC);
• regolatore: fornisce una tensione costante rimuovendo il residuo di alternata (ripple);
  • circuito di protezione: se il carico inizia a richiedere troppa corrente occorre spegnere tutto per sicurezza, mentre se richiede meno corrente di quella usuale si può diminuire gradatamente la tensione in uscita fornita (foldback):

Grafico $V_{o}$/$I_{o}$ con corrente illimitata, limitata e limitata con foldback

Svantaggi rispetto ai sistemi di alimentazione a commutazione

• il trasformatore opera a una frequenza bassa (50÷60 Hz) → è di grandi dimensioni e pesante;
• serve un condensatore di elevata capacità nel filtro di ondulazione per avere un ripple piccolo;
• durante la fase di carica hanno luogo elevati picchi di corrente che attraversano i diodi nel raddrizzatore → elevate dissipazioni di energia, disturbi elettromagnetici ad altre apparecchiature (oltre 10 W).

Raddrizzatore e filtro di ondulazione

Raddizzatore a una semionda

Raddrizzatore a una semionda

Il raddrizzatore a una semionda riceve una tensione alternata in ingresso e riporta in uscita una tensione quasi continua:

• diodo in conduzione ($V_{d}>0$): la tensione di uscita $V_{o}$ segue quella del generatore di ingresso $V_{i}$, mentre il condensatore $C$ si carica;
• diodo in interdizione ($V_{d}<0$): il generatore di ingresso $V_{i}$ viene scollegato, e la tensione di uscita $V_{o}$ risulta dalla scarica del condensatore $C$ sul carico $R_{L}$.

All'accensione è richiesta più corrente per la carica completa del condensatore. L'angolo di conduzione è l'intervallo di tempo in cui il diodo si trova in conduzione e il condensatore è in fase di carica.

Assumendo che:

• la scarica del condensatore è lineare (non esponenziale);
• l'ondulazione è a dente di sega, cioè l'angolo di conduzione è infinitesimo (il condensatore continua a scaricarsi fino a quando la tensione di ingresso raggiunge il picco, quindi si carica istantaneamente);

allora:

• la tensione di ondulazione (o ripple) $V_{R}$ è inversamente proporzionale alla capacità $C$:

  $V_{R}={\frac {I_{o}\cdot T}{C}}={\frac {I_{o}}{f\cdot C}}$

• la componente continua $V_{DC}$ "taglia" a metà il ripple:

  $V_{DC}=V_{\text{picco}}-V_{d}-{\frac {V_{R}}{2}}$

dove $V_{d}$ è la caduta di tensione diretta sul diodo (0,2÷1 V), che abbassa leggermente la tensione che raggiunge il carico.

Raddrizzatore a doppia semionda

Raddrizzatore a doppia semionda con ponte di Graetz

Raddrizzatore a doppia semionda con trasformatore a doppio secondario

Il raddrizzatore a doppia semionda permette di sfruttare anche la semionda negativa della tensione di ingresso, permettendo di caricare il condensatore a una frequenza doppia:

Realizzazioni

• con ponte di Graetz (4 diodi): la corrente di carica durante l'onda positiva attraversa una coppia di diodi, e durante l'onda negativa attraversa l'altra coppia di diodi;
• con trasformatore a doppio secondario (2 diodi): genera due tensioni alternate con polarità l'una opposta all'altra, che passano alternativamente durante l'onda positiva.

Tensione di ondulazione

$V_{R}={\frac {I_{o}\cdot {\frac {T}{2}}}{C}}={\frac {I_{o}}{2f\cdot C}}$

Componente continua

$V_{DC}=V_{\text{picco}}-2V_{d}-{\frac {V_{R}}{2}}$

Regolatori lineari attivi

Il regolatore fornisce in uscita $V_{o}$ una tensione costante:

• regolazione di carico: la tensione di uscita $V_{o}$ viene mantenuta costante indipendentemente dalle variazioni della corrente assorbita dal carico $I_{L}$:

  $S_{L}=\Delta V_{o}\Delta I_{L}=R_{o}{\left(\Delta I_{L}\right)}^{2}$

dove $R_{o}$ è la resistenza equivalente di uscita;

• regolazione di linea: la tensione di uscita $V_{o}$ viene mantenuta costante indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso $V_{i}$ (che sono costituite dalle ondulazioni della tensione quasi continua prodotta dal filtro di ondulazione):

$S_{i}={\frac {\Delta V_{o}}{\Delta V_{i}}}$

I regolatori sono disponibili come circuiti integrati standard (es. famiglia 78xx).

Regolatore parallelo

Regolatore parallelo

Il regolatore parallelo (shunt) crea un partitore di corrente variabile: un diodo Zener in parallelo compensa le variazioni della corrente di carico $I_{L}$ assorbendo più o meno corrente (ma sempre al di sopra della corrente di breakdown ${I_{z}}_{\text{min}}$ per mantenere costante la tensione di uscita $V_{o}$) per mantenere costante la corrente che esce dal filtro di ondulazione.

Il regolatore parallelo ha una bassa efficienza: la corrente assorbita dal diodo Zener infatti va sprecata in dissipazione.

Regolatore serie

Regolatore serie

Il regolatore serie crea un partitore di tensione variabile:

• elemento di regolazione: un diodo Zener in reazione fornisce la tensione di riferimento $V_{r}$ che è pari alla sua tensione di breakdown $V_{z}$, e non viene più attraversato da una corrente alta come nel regolatore parallelo → bassa dissipazione;
• l'amplificatore operazionale confronta la frazione $\beta$ della tensione di uscita $V_{o}$ con la tensione di riferimento $V_{r}$;
• elemento di controllo: il transistore Q2 (BJT o MOS) in serie compensa le variazioni della tensione di uscita $V_{o}$ rispetto alla tensione di riferimento $V_{r}$.

Il regolatore serie è a caduta: il corretto funzionamento del transistore necessita di una caduta di tensione $V_{CE}$ minima (1÷2 V) → la tensione di uscita $V_{o}$ è sempre minore di quella d'ingresso $V_{i}$. I regolatori LDO abbassano questa tensione di caduta al di sotto di 0,5 V per una maggiore efficienza (ovvero minore potenza dissipata).

Ottimizzazioni

• due transistori combinati in configurazione Darlington forniscono un guadagno totale pari approssimativamente al prodotto dei loro singoli guadagni → il transistore Q1 è in coppia Darlington con il transistore Q2 per amplificare maggiormente la ridotta corrente proveniente dall'uscita dell'amplificatore operazionale;
• il transistore Q3 e la resistenza di sense $R_{s}$ fanno da limitatore di corrente in caso di guasti: quando la corrente $I_{L}$ richiesta dal carico aumenta troppo, la tensione $V_{BE}$ del transistore, pari alla tensione sulla resistenza di sense, supera il valore soglia e fa entrare il transistore Q3 in conduzione, che preleva corrente dalla base del transistore Q1 riducendo la sua corrente di emettitore.

Le correnti e soprattutto le tensioni di perdita nel regolatore serie causano una perdita di potenza:

$\eta ={\frac {P_{o}}{P_{i}}}={\frac {V_{o}\cdot I_{o}}{V_{i}\cdot I_{i}}}={\frac {\left(V_{i}-V_{\text{leak}}\right)\cdot \left(I_{i}-I_{\text{leak}}\right)}{V_{i}\cdot I_{i}}}\approx {\frac {V_{i}-V_{\text{leak}}}{V_{i}}}<1$