La conversione di energia da una forma all’altra ha il compito di cambiare la forma d’onda, la tipologia, la tensione o la frequenza della corrente elettrica. Un sistema di conversione può anche prevedere più trasformazioni. Un convertitore di potenza è un dispositivo che converte l’energia elettrica. Potrebbe trattarsi di semplice trasformatore o di un complesso circuito che modifichi anche la frequenza o il tipo di segnale. I sistemi di conversione dell’alimentazione spesso incorporano ridondanza e regolazione della tensione. L’articolo approfondisce uno dei più diffusi metodi, quello che trasforma il segnale da corrente alternata (CA) in corrente continua (CC).
Introduzione
La trasformazione di potenza AC/DC (Alternate Current/Direct Current) ha lo scopo di convertire la corrente elettrica proveniente da una fonte di alimentazione alternata, come la rete elettrica, nei valori di tensione e corrente continue necessari per alimentare un carico. In altre parole si deve convertire il segnale quando si deve alimentare il carico con la sua tensione e corrente adeguate. Una trasformazione ideale si ha quando la tensione di uscita non è influenzata da eventi esterni come, ad esempio, una variazione della tensione di ingresso, della temperatura o del carico applicato a valle. Il primo passo nella progettazione di un sistema di trasformazione AC/DC è quello di determinare la forma d’onda del segnale di potenza all’ingresso. Solitamente con questo tipo di onda risulta più semplice effettuare un abbassamento o una elevazione di voltaggio.
Alcuni concetti fondamentali
Per realizzare un sistema di conversione occorre avere perfettamente chiari alcuni concetti sostanziali che stanno alla base della teoria della trasformazione del segnale. In figura 1 è possibile osservare un segnale sinusoidale con caratteristiche ben determinate. Il progettista che si appresti a creare un sistema di commutazione deve, in primo luogo, conoscere in modo approfondito le caratteristiche del segnale che deve trattare, gestire e modificare. Anche il segnale processato a valle deve essere noto. In particolare, il grafico mostra un segnale periodico alternato, con la forma di diverse sinusoidi successive, con le seguenti caratteristiche:
- V(RMS): si tratta del valore “efficace” della tensione. Nel caso della rete elettrica (e solitamente per i trasformatori) viene indicato tale valore. Gli effetti di un segnale di V(RMS) sono gli stessi di un valore costante e continuo con pari tensione;
- V(0p): si legge “zero-picco” ed è la D.D.P. compresa tra 0 V e il suo picco massimo. Solitamente essa equivale a circa 325.27 V;
- V(pp): si legge “picco-picco” ed è la D.D.P. tra il picco minimo e quello massimo. Nella fattispecie essa equivale a 650.54 V;
- la frequenza di rete è, normalmente, di 50 Hz con un periodo equivalente pari a 20 mS (uguale a 0.02 secondi o a 1/50 di secondo). In altre nazioni può essere di 60 Hz o altri valori.
Quando ci si riferisce alla tensione di rete da 230 V si parla, dunque, del suo valore RMS, ossia di quello efficace. Gli effetti del segnale, in altre parole, sono equivalenti a quelli prodotti da un segnale continuo di pari tensione.
In figura 2 sono riportate alcune semplici formule per il calcolo delle caratteristiche principali in un segnale sinusoidale.
Le formule non sono sempre le stesse per tutti i tipi di segnale. Se la forma d’onda cambia, anche le equazioni risulteranno totalmente differenti. Quando si acquista un trasformatore (sia che si tratti di elevatore o abbassatore) non basta conoscere solo la tensione di uscita, ma anche se essa è RMS, picco picco o zero picco. Il segnale sinusoidale si localizza sulla fase della linea. La corrente segue perfettamente l’andamento alternato sinusoidale della tensione, con la stessa frequenza.
Conversione lineare AC/DC
La conversione lineare AC/DC risulta estremamente semplice ed economica. E’ sufficiente l’adozione di un trasformatore per alzare o abbassare la tensione d’ingresso, di un rettificatore e di un filtro, come si può osservare nella illustrazione di cui alla figura 3. Nel tempo la tecnologia ha migliorato questa tipologia di trasformazione, con particolare attenzione all’efficienza. Uno dei più grossi inconvenienti di tale metodo è rappresentato dalle dimensioni del trasformatore. La meccanica e la fisica impone grandi proporzioni, in relazione anche alle correnti e alle potenze richieste. Le induttanze, infatti devono essere adeguate al segnale. La trasformazione lineare non risulta particolarmente efficiente, in quanto buona parte della potenza viene dissipata in calore.
Nonostante si siano fatti passi avanti in questo campo di azione (materiali magnetici all’avanguardia e conduttori di prima qualità), l’efficienza della conversione lineare non è ai massimi livelli, soprattutto per quanto riguarda le perdite che si riscontrano proprio sul trasformatore. Lo schema equivalente di quest’ultimo è visibile in figura 4 e la presenza di elementi resistivi fa subito pensare a un sistema non ideale. Proprio come qualsiasi altra macchina elettrica, l’efficienza di un trasformatore può essere definita come la potenza d’uscita divisa per la potenza di ingresso. L’efficienza del trasformatore può essere descritta dalle formule presenti nella stessa illustrazione. In particolare vengono coinvolti i seguenti parametri:
- V2: tensione nel secondario;
- I2: corrente a pieno carico nel secondario;
- Cosfi: fattore di potenza del carico;
- Pi: perdite nel ferro, perdite per isteresi e perdite per correnti parassite;
- Pc: perdite nel rame a pieno carico.
Le perdite nel rame e nel ferro sono perdite importanti, relativamente al trasformatore, e devono essere considerate nei calcoli. Oggi i trasformatori di ottima qualità hanno un’efficienza a pieno carico compresa tra il 95% e il 98%.
Conversione Switching AC/DC
Per migliorare le prestazioni e l’efficienza negli alimentatori e nei convertitori AC/DC si adotta, da qualche tempo, la tecnica di Switching. La nuova tecnologia e la comparsa di migliori componenti di commutazione a semiconduttori permette di ottenere risultati estremamente importanti. La prima miglioria che balza subito agli occhi riguarda le dimensioni del trasformatore. Aumenta anche la densità del circuito, grazie alla riduzione delle dimensioni degli elementi passivi, come gli induttori e i condensatori. Inoltre essi dissipano una minima potenza in calore. Ovviamente l’intero sistema di funzionamento è molto più complesso, rispetto alla tecnica lineare, in quanto un circuito di accensione e spegnimento, a frequenza molto alta, provvede a regolare e gestire l’energia richiesta (vedi schema a blocchi in figura 5). La variazione della tensione in uscita avviene, adesso, attraverso un circuito Chopper che, tramite un treno d’impulsi, mette a disposizione un segnale differente da quello in ingresso. Il funzionamento ad alta frequenza evita il raggiungimento della saturazione da parte dell’induttore, che si traduce in dimensioni più compatte dell’intero circuito. Il rovescio della medaglia è rappresentato, oltre che alla complessità circuitale, dalla generazione di rumore e interferenze nell’ambiente circostante. Sono necessari, pertanto, circuiti di filtro abbastanza complessi che si aggiungono all’intero progetto. A ogni modo, grazie a questa tecnica, è possibile ottenere alimentatori e sistemi di conversioni estremamente piccoli ma che riescono ad erogare potenze importanti.
Con questa tecnica l’efficienza del sistema può superare facilmente il 98%. SPECIAL-IND tratta prodotti di ogni tipologia e mette a disposizione soluzioni per tutte le tasche e tutte le necessità. Uno di questi è rappresentato dal modello CFM130S di CINCON ELECTRONICS, visibile in figura 6. Esso è progettato per gestire fino a 130 Watt di potenza in uscita. Il design compatto della piastra base consente un’ottima dissipazione diretta del calore. La tensione d’ingresso può essere compresa tra 80 VAC e 264 VAC ed è certificato da diversi enti internazionali per una conformità a livello mondiale anche per applicazioni medicali, domestiche e industriali.
In breve, ecco di seguito alcune delle caratteristiche più particolari:
- convertitore AC/DC;
- potenza: 100 W per convezione e 130 W con ventola;
- ingresso: 80 VAC – 264 VAC;
- tensione in uscita: 12-24-36-48 V, a seconda del modello;
- corrente in uscita: da 2 a 10 A, a seconda del modello;
- isolamento: 4 kV;
- dimensioni: 91.4 x 50.8 x 33 mm;
- temperatura operativa: compresa tra -30° C a 70° C.
Pro e contro tra sistemi lineari e switching
Se si focalizza l’attenzione sull’efficienza e le prestazioni del sistema, la tipologia switching è senz’altro quella da preferire. Vi sono, tuttavia, alcune caratteristiche che a volte lasciano preferire il primo circuito al secondo. Vediamo, dunque, di esaminare alcuni elementi per entrambe le soluzioni, al fine di cogliere le sostanziali differenze:
- efficienza: relativamente alla tecnica Switching i transistor offrono una minore Rds(on) e la dissipazione della potenza in calore è molto minore;
- rumore e interferenze: i regolatori lineari regolati sono caratterizzati da un rumore molto basso. Questo è il motivo per cui essi sono molto utilizzati nel campo medico. Nei circuiti switching è presente, invece, un importante tasso di rumore, dovuto proprio alla commutazione del sistema;
- complessità circuitale: un circuito lineare tende ad avere pochi componenti elettronici, per cui esso risulta sostanzialmente semplice, sia dal punto di vista funzionale che meccanico ed elettrico. I circuiti switching, invece, hanno molti componenti in più e le tecniche di commutazione possono scaturire in soluzioni più complesse e costose;
- misure e peso: un convertitore o alimentatore lineare necessita di un grosso trasformatore, per vie delle basse frequenze in gioco, e questo ne lievita, ovviamente, le dimensioni e il peso. La tecnica switching, al contrario, funzionando a frequenze molto alte, implica l’utilizzo di piccoli trasformatori, per via delle basse induttanze richieste.
I filtri EMI
Con la tecnologia che avanza e l’uso sempre più massivo di dispositivi basati su RF e connessi a Internet, migliora sempre più il settore dell’elettronica ma la problematica dei disturbi elettromagnetici costituisce una sfida crescente per gli ingegneri, per quanto riguarda la progettazione. Gli alimentatori switching e i dispositivi che comunicano tramite RF portano inevitabilmente ad aumentare le interferenze elettromagnetiche verso altri dispositivi elettrici. L’incremento della frequenza di commutazione determina un aumento delle emissioni elettromagnetiche, causando problematiche di affidabilità e di compatibilità elettromagnetica. Se non si adottano adeguate protezioni e non vengono utilizzati filtri adatti, le loro prestazioni complessive potrebbero risultare gravemente ridotte. Il fallimento di un solo test durante il processo di certificazione EMC può comportare ritardi in termini di tempo e denaro per un prodotto. Una delle soluzioni più efficienti è l’impiego dei filtri EMI, che ormai fanno parte integrante del convertitore. Lo schema generale di un filtro EMI è visibile in figura 7.
I filtri LC composti da induttori e condensatori, quindi, vengono aggiunti agli ingressi e alle uscite dei convertitori di potenza switching per ridurre il ripple e il rumore di uscita. Sebbene il valore dell’induttore possa essere facilmente calcolato, le prestazioni sull’intero intervallo di frequenza possono variare in modo significativo tra i diversi fornitori degli stessi componenti. Utilizzare componenti di alta classe è il primo passo obbligatorio per produrre convertitori di prima qualità.
Ad esempio, le induttanze in modo comune (common mode choke) commercializzate dalla SPECIAL-IND della ELEC & ELTEK (vedi in figura 8) riducono il rumore di modo nelle applicazioni più critiche. Esse possono operare alla tensione nominale di 250 V a 400 Hz, sono caratterizzate da un isolamento di ben 2000 VAC tra gli avvolgimenti e la loro temperatura di esercizio è compresa tra -55° C e +125° C. Sono disponibili in modelli compresi tra 0.39 mH e 18.70 mH, per qualsiasi tipologia di esigenza.
Figura 8: un’induttanza in modo comune commercializzata dalla SPECIAL-IND della ELEC & ELTEK
Rettificatori di potenza
Anche la componentistica non lineare è estremamente importante nella realizzazione di sistemi di conversione di potenza. I nuovi raddrizzatori (anche trifase) sono componenti ad alta efficienza e affidabilità per applicazioni industriali. Per esempio, la nuova serie di ponti raddrizzatori trifase di Vishay Intertechnology (vedi in figura 9) è progettata per aumentare l’efficienza e l’affidabilità delle applicazioni dell’elettronica di potenza (vedi schema generico applicativo in figura 10). Sono caratterizzate da un’alta corrente di uscita (da 130 A a 300 A), un’alta tensione inversa fino a 1800 V, una bassa resistenza termica <0.23 °C/W e una tensione di isolamento di 3600 VRMS. Le applicazioni principali riguardano il raddrizzamento di tensione trifase per gli alimentatori e i convertitori industriali, le saldatrici, il taglio al plasma, i carica batterie industriali e la conversione AC/DC per motori.
Conclusioni
I convertitori AC/DC sono massicciamente utilizzati nelle apparecchiature di potenza. Nei settori in cui vengono utilizzati motori CC con una potenza nominale inferiore, il fattore di potenza dovrebbe essere elevato. Esistono diverse soluzioni per aumentare il fattore di potenza dei convertitori AC/DC.
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