L’importante ruolo dell’elettronica nell’efficientamento energetico (componenti e soluzioni)

L’ambiente che ci circonda ha bisogno di respirare bene e questo scopo può essere perseguito anche rendendo tutti i dispositivi elettronici più efficienti. Come si è affermato spesso in altri ambiti, l’efficienza energetica consente di utilizzare meno energia per svolgere gli stessi compiti. Essa è, dunque, una priorità molto importante che permette di eliminare gli sprechi di energia e, di conseguenza, le emissioni di carbonio nell’atmosfera.

L’elettronica può sicuramente contribuire a questo grande risultato e, grazie alle nuove scoperte nel campo, i nuovi dispositivi e i nuovi materiali semiconduttori riescono a consumare meno energia raggiungendo i medesimi risultati delle precedenti soluzioni. Minori sono le perdite di energia per raggiungere uno scopo specifico, maggiore è il grado di efficienza energetica.

Il mondo chiede più energia

La domanda di energia aumenta sempre di più nel mondo. Si contano più automobili, più fabbriche, più abitazioni. Anche la popolazione sta aumentando sempre più e tra novembre e dicembre del 2022 si stima che essa possa raggiungere la quota di 8 miliardi di persone.

Le temperature altalenanti e altri fenomeni naturali incrementano le richieste di energia in ogni parte del mondo. Anche i recenti conflitti militari di vasta portata mettono il loro zampino e tutto questo va a discapito delle scorte energetiche ma, sopratutto, dell’ambiente che chiede continuamente una tregua nelle emissioni di CO2. Complicate leggi di mercato determinano importanti instabilità in molti paesi e la crescente preoccupazione esorta a riattivare il consumo di energia fossile, accelerando nuovamente il cambiamento climatico.

Gli obiettivi mondiali, per quanto riguarda l’elettricità, riguardano la riduzione dell’energia elettrica del 25% entro il 2050. Questo approccio riguarda qualsiasi settore, e nella fattispecie coinvolge:

  • il risparmio energetico;
  • l’efficienza energetica;
  • la ristrutturazione energetica degli edifici.

Un grande aiuto dall’elettronica

L’elettronica, negli ultimi 15 anni, sta facendo passi da gigante, proprio nella direzione dell’efficienza. Le scoperte di nuovi materiali semiconduttori (SiC e GaN, tanto per citare qualche esempio) hanno permesso la realizzazione di circuiti con prestazioni impressionanti, sia per quanto riguarda le velocità operative e di commutazione, sia per ciò che concerne le prestazioni e l’efficienza. Con tali componenti elettronici viene utilizzata, praticamente, tutta l’energia resa a disposizione dal generatore, permettendo soluzioni poco pesanti e dagli ingombri ridotti, a parità di energia utilizzata.

Passiamo in rassegna, adesso, alcune migliorie sostanziali relative ad alcuni componenti elettronici, specialmente nel campo della commutazione e della trasformazione di energia, analizzandone anche alcuni parametri tecnici di primaria importanza.

L’uso efficiente dell’energia è un fattore fondamentale nella maggior parte delle applicazioni. Le efficienze superiori al 90% producono ottimi risultati, ma i nuovi componenti elettronici consentono di raggiungere efficienze ancora più elevate.

Una maggiore efficienza permette di ottenere minori sprechi di energia (sotto forma di calore) che accorcia la vita media dei componenti elettronici ma, soprattutto, consente minori spese di bollette di elettricità che lievitano sempre di più.

Un alto grado di efficienza (diciamo maggiore del 90%) consente di aumentare in modo esponenziale anche l’affidabilità dei dispositivi, in quanto la loro condizione di lavoro risulta ottimale. La semplice formula magica da ricordare, ai fini del calcolo dell’efficienza di un circuito, è la seguente:

Rds(ON) più bassa possibile per una efficienza massima

Il parametro RDS(on) è uno dei più importanti nella scelta di un MOSFET ed è l’acronimo di “drain-source on resistance”. Esso indica il valore della resistenza totale tra il drain e il source in tale componente, quando esso è in stato di “ON”. Più tale parametro è basso e più scorre corrente nel canale DS, con minori perdite di energia. Quindi, più bassa è la RDS(on), meglio è. Lo schema elettrico di figura 1 mostra un funzionamento di un interruttore elettronico, il MOSFET RS6G120BG, caratterizzato da prestazioni molto importanti:

  • VDSS: 40 V;
  • RDS(on)(Max.): 1.34 milliOhm;
  • I(d): 210 A;
  • I(dp): 840 A;
  • Pd: 104 W;
  • Tj:150° C.

Lo schema elettrico prevede l’utilizzo del dispositivo in regime statico, con un carico molto robusto dalla bassa resistenza ohmica. Il gate del MOSFET è pilotato idealmente da un adatto driver, che assicura la piena conduzione dell’interruttore elettronico.

Del resto, in un funzionamento statico, anche la presenza del driver sarebbe quasi inutile, mentre in un regime dinamico e con un segnale PWM ad alta frequenza, esso diventa indispensabile. In queste condizioni, tenendo conto anche della formula di cui sopra, l’efficienza del circuito è del 99.97, secondo la seguente formula generica relativa allo schema dell’esempio:

Relativamente sempre alla figura in esame, è mostrato il package del dispositivo di potenza, assieme a due grafici di analisi e simulazione DC. Il primo grafico in alto mostra l’andamento della corrente attraverso il carico, in relazione alla tensione VGS di pilotaggio del gate del dispositivo. Il secondo grafico in basso mostra, invece, la potenza dissipata dal MOSFET, sempre in relazione alla tensione VGS di pilotaggio del gate del dispositivo. Secondo tale tensione di pilotaggio, si possono osservare tre scenari diversi:

  • VGS compresa tra -20 V e +2 V: il MOSFET è spento e nessuna corrente transita attraverso esso;
  • VGS compresa tra +2.6 V e +20 V: il MOSFET è acceso e la massima corrente transita attraverso esso. Essendo che la tensione VDS è minima, anche la dissipazione sarà minima e trascurabile;
  • VGS compresa tra +2 V e +2.6 V: il MOSFET si trova in piena zona lineare e dissipa la massima potenza, riscaldandosi anche pericolosamente. Si tratta di un piccolo intervallo di pilotaggio, di una eventualità che il progettista deve evitare a meno che l’applicazione lo richieda espressamente. In questa evenienza gran parte dell’energia del generatore viene sprecata inutilmente in calore.
Figura 1: un basso valore della resistenza RDS(on) aumenta l’efficienza e le prestazioni del sistema

Per comprendere meglio come l’efficienza dipenda fortemente dalla resistenza elettrica tra il canale D e il canale S del MOSFET, si osservi il grafico di cui alla figura 2 che riguarda, appunto, l’efficienza di un circuito in dipendenza al parametro Rds(on). Il grafico riguarda un ipotetico circuito generico, rappresentato accanto allo stesso grafico, avente una tensione ideale di 48 VCC e un carico resistivo di 9 Ohm. La seguente tabella, inoltre, mostra le efficienze del circuito relativamente ad alcuni valori di resistenza Rds(on):

  • 0.001 Ohm: 99.988%
  • 0.002 Ohm: 99.977%
  • 0.003 Ohm: 99.966%
  • 0.005 Ohm: 99.944%
  • 0.010 Ohm: 99.888%
  • 0.020 Ohm: 99.778%
  • 0.050 Ohm: 99.447%
  • 0.100 Ohm: 98.901%
  • 0.150 Ohm: 98.360%
  • 0.200 Ohm: 97.826%
  • 0.300 Ohm: 96.774%
  • 0.500 Ohm: 94.736%
  • 0.700 Ohm: 92.783%
  • 1.000 Ohm: 90.000%
  • 1.500 Ohm: 85.714%
  • 2.000 Ohm: 81.818%
  • 2.500 Ohm: 78.260%
  • 3.000 Ohm: 75.000%

Diciamo che le prestazioni di un circuito cominciano a degradare per valori di Rds(on) superiori a 0.2 Ohm.

Figura 2: maggiore efficienza significa lavorare con bassi valori di resistività nel circuito

Anche i supercondensatori consentono alte efficienze

Questi componenti elettronici, sempre più capienti e performanti, sono sempre più utilizzati come elementi di accumulo di energia. A differenza delle batterie, il loro stato di carica ha un’influenza notevole sulla loro tensione durante il normale funzionamento, consentendo loro di lavorare da zero volt alla loro tensione massima. Essi possono immagazzinare grandi quantità di energia concretizzando, a tutti gli effetti, un componente ibrido posto tra i condensatori convenzionali e le batterie ricaricabili. La densità di energia dei supercondensatori è molto più bassa di una batteria, ma la densità di potenza è molto più alta. In altre parole i supercondensatori possono caricarsi e scaricarsi molto più velocemente delle batterie, per essere utilizzati nelle applicazioni che richiedono potenze di picco elevate. Tali componenti risultano particolarmente vantaggiosi nelle situazioni di start e di stop continui, come nel traffico cittadino e in più essi forniscono la potenza per l’accelerazione durante la partenza.

Conclusioni

Quando si progetta un circuito di potenza, i progettisti devono sincerarsi che esso sia efficiente anche nel caso di utilizzo peggiore. Il calcolo delle perdite di potenza statiche e dinamiche è un passo obbligato nella progettazione dei circuiti di potenza. Anche il singolo cittadino può facilmente contribuire ad aumentare l’efficienza energetica.

I consumatori possono proteggere l’atmosfera terrestre utilizzando lampadine a risparmio energetico e dispositivi elettrici efficienti senza modalità standby. Essi possono anche migliorare l’isolamento termico delle loro case, consentendo un notevole risparmio di energia, grazie anche all’aiuto della nuova ed efficiente componentistica elettronica.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.