Elettronica applicata e misure
Prefazione
Appunti del corso di Elettronica
applicata e misure.
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Prefazione degli studenti
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Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica
applicata e misure.!
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Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol
ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si
richiede di comunicare ai sottoscritti, alle email: [email protected] e
[email protected], con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando
chiaramente il documento a cui si riferisce.!
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In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono
alcuna responsabilità del contenuto.!
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Il testo è stato redatto attraverso l’applicativo Pages® for Mac; alcuni grafici sono realizzati
attraverso il software di calcolo numerico Grapher®, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il
software di disegno a mano libera Penultimate® altri ancora sono stati presi direttamente dalle
slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato iCircuit®.!
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Come usare gli appunti.!
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Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del
professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all’inizio di
ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel
documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento.!
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Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:!
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Misure !
A. Parte I!
1. Oscilloscopio digitale (scritti a mano)!
2. Generalità misure (scritti a mano)!
3. Stima Incertezze!
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F. Parte II!
1. Voltmetri digitali !
2. Voltmetri AC !
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G. Parte II!
1. Sensori di temperatura (prima parte)!
3. Misure tempo e frequenza!
4. Generatori di segnale!
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A. A. 2013 / 2014
Elettronica applicata e misure
Prefazione
Elettronica applicata!
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B. GRUPPO B - Circuiti digitali!
1. Richiami su circuiti logici (scritti a mano)!
2. Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano)!
3. Circuiti sequenziali (scritti a mano)!
4. Logiche programmabili (scritti a mano)!
6. Comparatori di soglia (scritti a mano)!
7. Generatore onda quadra !
8. Esercitazione 2!
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C. Bus e interconnessioni!
1. Interconnessioni !
2. Modelli a linea di trasmissione!
3. Connessioni con linee!
4. Cicli di trasferimento base!
5. Protocolli di bus!
6. Esercitazione 3: Collegamenti seriali !
7. Collegamenti seriali asincroni!
8. Collegamenti seriali sincroni!
9. Integrità di segnale!
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D. Sistemi di acquisizione dati!
1. Integrità di segnale!
2. Convertitori D/A!
3. Conversione A/D!
4. Convertitori pipeline e differenziali!
5. Condizionamento del segnale!
6. Filtri!
7. Esercitazione 4: Sistemi di conversione!
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E. Alimentatori e regolatori !
1. Circuiti di potenza !
2. Sistemi di alimentazione !
3. Regolatori a commutazione!
4. Altri sistemi di alimentazione (non è stato trattato nell’A.A. 2013/2014)!
5. Esercitazione 5: regolatori lineari e SW.
A. A. 2013 / 2014
II
Elettronica applicata e misure
Lezione E3
Gruppo lezioni E3
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Regolatori a commutazione
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1. Introduzione
In questa lezione si parlerà dei regolatori a commutazione. Verranno descritte le diverse tipologie!
come i regolatori a parzializzazione, quello a buck e a boost. Verrà spiegato come fare una!
valutazione dei parametri e come fare una buona scelte delle componenti. !
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I componenti che dissipano:!
Le resistenze e gli induttori per certi versi perché è composto da tanti fili i quali fanno si che siano
tante resistenze i cosi dissipano.!
I diodi poiché visto che è non ideale allora dissipa qualcosa.!
I transistori.!
Mosfet perché ha delle resistenze come modello.!
I componenti che non dissipano sono:!
I condensatori per definizione e anche gli induttori per certi versi.!
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Si cerca di utilizzare per i regolatori di commutazione componenti che non dissipano.!
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I riferimenti bibliografici sono: !
· Maloberti: Understanding Microelectronics …: Chapt. 13.6; !
· Storey: Electronics, a system approach: Chapt. 19.6. !
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2, 3. Parte 1 - Regolatori a commutazione
Impareremo a fare un controllo della potenza a commutazione variando il duty cycle. I regolatori a!
commutazione sono classificabili in: !
1. regolatori Buck; !
2. regolatori Boost; !
3. regolatori Buck-boost; !
4. regolatori flyback. !
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Nella figura in rosso è presente una riga verde la quale rappresenta il valore medio dell'onda o
meglio dire il dutycycle. Quest'ultima parola descrivere la percentuale
di quanto sta l'onda in alto rispetto a quanto Londra sta in basso. Sta
di fatto che nel disegno in alto la riga verde (il valore medio) è più in
alto rispetto al disegno basso poiché l'onda sta più in alto rispetto al
disegno di sotto.!
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L’energia viene controllata tramite un interruttore. Quando è su ON
viene emessa la massima!
potenza, quando è su OFF viene limitata al minimo (cioè zero). È
necessario l’uso di un filtro passa!
basso verso il carico (a seconda dei casi, può essere il carico stesso e c'è bisogno di questo filtro
per evitare le oscillazioni tra acceso e spento che ci potrebbero esserci, e quindi con il filtro si
tolgono). Il controllo dell’interruttore!
viene fatto attraverso la variazione del duty cycle. I regolatori a commutazione hanno un!
rendimento alto. Si comportano quasi come degli interruttori ideali (nessuna dissipazione e!
nessuna perdita), purtroppo nella realtà hanno (seppure pochissime) perdite da RON, perdite di IOFF,
poiché ci sono dei transistori. !
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A. A. 2013 - 2014
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Elettronica applicata e misure
Lezione E3
I regolatori a commutazione vengono usati come amplificatori di classe D, E, … o come!
alimentatori e regolatori di commutazione (switching). Il filtro passa basso non di sedativo è il filtro
che utilizza un induttore e un condensatore (LC).!
Come si vede dal disegno il circuito (il filtro) condensatore e induttore è
rappresentato in figura. Quando si ha delle basse frequenze l'induttore si
comporta come un circuito chiuso mentre il condensatore si comporta
come un circuito aperto quindi l'energia del segnale passa attraverso
l'induttore e si concentra sul punto di intersezione di due componenti
(induttore e condensatore). Quando invece si hanno delle frequenze
elevate induttore si comporta con un circuito aperto e condensatore con un
circuito chiuso quindi sul punto di intersezione di questi due componenti si
avrà la tensione uguale a zero poiché il condensatore è un circuito chiuso e
quindi assimilabile a un filo il quale collega quel punto di intersezione
direttamente alla massa. Se si utilizzasse tale frequenza di risonanza del
filtro il filtro inizierebbe a risuonare.!
Se si varia il valore medio (dutycycle) come varia ad esempio la colonna sonora di un film o la
musica si potrebbe utilizzare tali regolatori a commutazione come amplificatori che non dissipano
tanta energia e quindi con un buon risparmio. Per far ciò basta utilizzare al posto di un
amplificatore operazionale il quale utilizza un regolatore a commutazione. Il quale consuma molto
meno. E quindi si parla di classe D, E,.. a seconda dei casi.!
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Se si ha una lampadina ad esempio con un filamento il quale si accende quando raggiunge una
determinata temperatura. Se si accende e si spegne velocemente un interruttore che comanda tale
lampadina la frequenza di accensione spegnimento può provocare due fattori: se tale frequenza è
maggiore del tempo che serve alla lampadina per raffreddarsi allora la lampadina rimarrà accesa
con una determinata attenzione media data dal dutycycle.!
Se invece la frequenza è minore rispetto al tempo della lampadina impiega per raffreddarsi allora
la lampadina si accenderà e si spegnerà.!
Utilizzando tale concetto base estremamente semplice e intuitivo si può mantenere una
determinata tensione costante accendendo spegnendo o meglio dire aprendo o chiudendo un
interruttore poiché il valore medio di tale tensione sarà maggiore del valore minimo (interruttore
aperto) e minore del valore massimo (interruttore chiuso).!
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4. Filtro passa basso in uscita
L’energia viene fornita al carico come un’onda rettangolare. Il valore medio è legato al duty cycle!
(uscita utile). Si tratta di un segnale con fronti molto ripidi e con un forte contenuto di componenti di!
tipo armonico questo causa in parte disturbi e perdite di energia. Per far fronte a queste!
problematiche è necessario porre un filtro passa basso in uscita. !
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In questo disegno in basso si vede l'onda quadrata.
Questa onda quadrata può essere o un'onda con le
fonti molto ripidi oppure questi fronti possono essere
meno ripidi e quindi l'onda da rettangolare o quadrata
diventa un'onda trapezoidale.!
Più i fronti sono ripidi più si hanno delle componenti
armoniche che devono essere eliminati attraverso dei
filtri. Più i fronti non sono ripidi e più si consuma
potenza o energia poiché si impiega tanto tempo da
passare da uno stato basso allo stato alto. Tuttavia in
questo caso non siano componenti armoniche. Tuttavia
per ogni comunicazione si utilizza + energia la quale sebbene sia poca dovrà essere moltiplicata
da un numero estremamente elevato di commutazione (poiché si vuole raggiungere il valore medio
e restarci) e quindi tale numero molto piccolo moltiplicato per un'elevatissimo diverrà un numero
molto elevato.!
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A. A. 2013 - 2014
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Lezione E3
Elettronica applicata e misure
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Nel caso in cui un filtro passa basso sia intrinseco al carico (per esempio, un attuatore meccanico),!
la risposta è molto più lenta della cadenza del comando ON / OFF. !
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Ponendo un filtro “esplicito” verso l’uscita (un filtro passa basso sempre) si possono realizzare due!
configurazioni: una cella RC o una cella LC. Se si usa la prima, si hanno perdite nella resistenza R!
a basse potenze. Per la seconda configurazione si hanno basse perdite a potenze elevate. !
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5. Regolatore a commutazione
Qui vedremo come utilizzare un regolatore a!
commutazione in funzione di amplificatore di classe D. !
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La potenza erogata al carico viene controllata dal duty!
cycle dell’interruttore SW. Il carico “media” l’energia. La!
funzione di trasferimento è simile a quella di un filtro!
passa basso. !
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Il rendimento è molto alto, poiché il sistema si comporta!
in modo molto vicino a quello di un interruttore ideale e!
non si ha alcuna perdita. !
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6. Accumulo e filtraggio con rete LC
L’onda quadra viene generata dal deviatore!
SW. Un ramo dello SW viene realizzato tramite!
un diodo. L’induttanza L tende a mantenere!
costante la corrente. Quando l’interruttore è!
aperto, la corrente circola attraverso il diodo. !
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Nella figura l'ovale rosso ce ne può essere soltanto uno. Se si mette l'ovale rosso in cui c'è
l'interruttore (sw) allora quando l'interruttore è sul morsetto del generatore il segnale di uscita arriva
all'uscita. Mentre quando interruttore a massa allora tutta l'energia immagazzinata dell'induttore va
a scaricarsi sul ramo che mette a massa o meglio dire tutta quella energia si scarica su un
A. A. 2013 - 2014
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Elettronica applicata e misure
Lezione E3
interruttore il quale è collegato a massa e quindi si scarica a massa. In altre parole quando
interruttore è collegato a massa l'energia dell'induttore fluisce attraverso l'interruttore e arriva a
massa.!
Se si sostituisce l’ovale rosso con l'altro allora l'interruttore collega o la tensione del generatore
oppure va in alta impedenza e questo ultimo caso (che va in alta impedenza) è una condizione
anomala poiché può causare una sola tensione sul induttore come visto in precedenza. Allora per
ovviare a questo problema si mette un diodo zener che scarica la tensione o meglio dire l'energia
in eccesso a bassa quando è necessario.!
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7. Regolatore switching con reazione
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8. Tipi di regolatori a commutazione
I convertitori DC -> DC vengono realizzati in vari modi: !
buck
VOUT < VIN; !
boost
VOUT > VIN; !
buck-boost polarità invertita; !
flyback
isolamento galvanico. !
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Il vantaggio dei regolatori a commutazione è quello di avere un altissimo rendimento, con un!
fattore prossimo a 1. Non si hanno elevate dissipazioni e le perdite sono dovute solamente alle!
componenti parassite di SW, L e C. !
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Gli svantaggi sono rappresentati dall’ondulazione in uscita e dalla generazione di interferenze!
EMI. !
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I Buck è quando la tensione di uscita è minore di quella di ingresso!
I boost è quando la tensione di uscita è maggiore di quella di ingresso!
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Lezione E3
Elettronica applicata e misure
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9. Comportamento di una induttanza
Una induttanza ideale non genera gradini di!
corrente, la RS è nulla. !
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Il pilotaggio con V(t) avviene tramite un’onda!
quadra, dove l’andamento della corrente I(t) è!
di tipo triangolare. !
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In questo circuito, utilizzando le formule
descritte in precedenza e concetti visti in
precedenza, si può dire che se attenzione è
costante alla corrente sull'induttore è costante
ma quando la tensione sul generatore aumenta
come ad esempio verticalmente (un gradino)
allora altra corrente aumenta in modo verticale.
Quando invece la tensione diminuisce anche la
corrente sull'induttore diminuisce. Se il periodo
dell'ondulazione quadra della tensione è il 50%
del duty cicle allora l'onda triangolare che si
viene a formare della corrente è perfettamente
triangolare ossia il punto di partenza è uguale al
punto di arrivo come ampiezza. Se invece non
è il 50% ma è un altro valore allora potrebbe
avere un'onda triangolare che non è più
triangolare ma a gradini che tale pian piano
come si vede in figura sottostante in rosso
disegnata dal professore.!
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10. Parte 2 - Regolatori a commutazione
I convertitori DC -> DC vengono realizzati in vari modi: !
buck
VOUT < VIN; !
boost
VOUT > VIN; !
buck-boost polarità invertita; !
flyback
isolamento galvanico. !
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Lezione E3
Elettronica applicata e misure
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11. Regolatore Buck
Nel regolatore di tipo buck sono presenti due!
interruttori: SW1 e SW2. Si tratta di due!
comandi che sono complementari tra loro.!
SW1 comanda l’ON del duty cycle, quindi è il!
fronte del clock (ossia D). In tal caso VL = VIN -!
VOUT > 0 e la corrente in L cresce. Per SW2!
l’ON del duty cycle viene spento, quindi SW2!
pilota la discesa del clock (1-D). In questo!
caso VL = - VOUT < 0. La corrente in L!
decresce. !
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Questo circuito a un mosfet in SW2,
considerando che i due interlocutori si aprono e
si chiudono in controfase cioè in altro modo che
quando SW1 è aperto SW2 è chiuso e
viceversa. Quindi la cella che costituisce
l'induttore con il condensatore toglie alcune
frequenze e il diodo il quale era presente nel
circuito di prima viene sostituito da un MOSFET.
Con questo circuito si ha dei vantaggi del tipo
che bisogna pilotare in controfase due
interruttori. Quindi il circuito e a stare molto più
complesso rispetto al precedente. Tuttavia se la resistenza parassita del mosfet di sw2 è minore
della resistenza del diodo zener che era presente in quel punto In precedenza allora la potenza
dissipata da quel componente è minore rispetto alla precedente. Quindi se la resistenza di sw2 è
minore della resistenza del diodo zener può essere conveniente utilizzare tale circuito a discapito
della semplicità del precedente. Poiché l'interruttore sw2 si comporta in modo automatico come il
diodo zener.!
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12. Regolatore Buck, stato ON
Nello stato ON la!
corrente fluisce da VIN!
verso VOUT passando!
attraverso l’induttanza!
L. !
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A. A. 2013 - 2014
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13. Regolatore Buck, stato OFF
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14. Schema finale di regolatore Buck
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L’interruttore SW2 è realizzato con un diodo,!
quando SW1 è chiuso, il diodo è polarizzato!
inversamente, quindi non conduce corrente!
(appunto, SW2 è su OFF). Quando SW1 è!
aperto, l’induttanza mantenne costante la!
corrente così questa può circolare solo!
attraverso il diodo (cioè SW2 è su ON).!
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15. Rendimento di un regolatore Buck
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Ponendo come ipotesi che l’interruttore e il diodo siano ideali, potremo dire che non si ha alcuna!
perdita nel regolatore a commutazione. Si dice quindi che in questo caso nabla η = 1. !
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Nei dispositivi reali si hanno diverse perdite: !
· Diodo: Vd (Is); !
A. A. 2013 - 2014
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Lezione E3
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· SW: Ron (Ioff); !
· Transitori (MOS opera in zona lineare); !
· L: resistenza serie RL, nucleo ferromagnetico; !
· C: resistenza serie equivalente (ESR). !
Quindi nabla è minore di 1, ma molto vicino (circa 0.8 … 0.9) ed è legato anche alla frequenza di!
commutazione. Questo discorso è valido per tutti i regolatori a commutazione. !
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Se si trova la perfetta frequenza di commutazione si ha il massimo vantaggio con la minima perdita
come la coppia della macchina.!
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16. Regolatore Boost
Nel regolatore boot viene sostanzialmente!
posta una induttanza al posto dello SW1!
presente nel regolatore buck. Il funzionamento!
e l’analisi sono molto simili e si ha una!
tensione in uscita VOUT > VIN. L’interruttore!
SW2 viene sempre realizzato con un diodo.!
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Nel grafico sw1 va al posto di sw2 lo dice il
prof. del corso si sarà sbagliato.!
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17. Regolatore Boost, stato ON
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18. Regolatore Boost, stato OFF
Quando lo SW è aperto VL = - ( VO - VI ) e IL è una rampa. !
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Lezione E3
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19. Regolatore Buck-boost
Il regolatore buck-boot semplicemente!
combina le topologie di buck e di boost. La!
tensione generata risulta essere di polarità!
inversa, cioè VOUT < 0 e VIN > 0. !
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20. Regolatore Buck-boost, stati ON / OFF
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Viene utilizzato questo circuito (buck boost) altro si vuole avere una tensione che non varia
sebbene l'ingresso possa variare anche di molto.!
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In questo circuito in questo circuito la corrente
che passa attraverso l'induttore della maglia di
ingresso ovvero nella maglia in cui compare
l'interruttore D è in senso orario mentre nella
maglia in cui compare l'interruttore 1-D è in senso
antiorario poiché la corrente deve entrare dall'alto
e andare verso massa. Quindi ai capi dell'uscita
Vout ci sarà una corrente che partirà dal basso e
andrà verso l'alto. Se il basso come in questo
caso è collegato a massa allora il morsetto
negativo del carico di uscita è collegato in alto.!
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Elettronica applicata e misure
Lezione E3
21. Continuous Current Mode (CCM)
Nella CCM si ha: !
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SW chiuso
SW aperto
CCM
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V L = VI
ovvero corrisponde una crescita lineare di IL !
IL diminuisce e fluisce attraverso D !
IL rimane sempre maggiore di zero !
22. Analisi CCM
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23. Correnti di ingresso e di uscita
La corrente di ingresso IS (è uguale a quella IL) fluisce quando lo SW è chiuso. La corrente di!
ingresso II è pari al valor medio di IL e la corrente nel condensatore (IC) è uguale alla differenza!
della corrente nell’induttanza e la corrente di ingresso, ovvero IC = IL - II. In sostanza tutta la
corrente fluisce nell’induttore perché la corrente media del condensatore è 0!
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La corrente circola nel diodo quando lo SW è aperto e la corrente di uscita IU corrisponde al valor!
medio della corrente nel diodo. !
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Perché anche in questo caso la corrente media del
condensatore è nulla quindi tutta si diversa nel carico!
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La corrente fa questo giro (+/-) nel senso che vanno
rispettate le cose dette prima quando si descrivevano
questi circuiti.!
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A. A. 2013 - 2014
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Lezione E3
Elettronica applicata e misure
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24. Discontinuous Current Mode (DCM)
Nella DCM la corrente di ingresso è nulla. Si individuano!
tre intervalli: !
1. TON; !
2. T2; !
3. TIDLE. !
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Si effettua la stessa analisi: !
· VI TON / L= -VUT2 /L; !
· VU /VI = -TON / T2; !
· T2 non è noto a priori. !
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25.Alimentatore Fly-back
Gli alimentatori di tipo flyback forniscono un!
isolamento galvanico. Si tratta di un regolatore buck-!
boost con un trasformatore al posto dell’induttanza.!
Per la regolazione si ricorre a una reazione isolata!
(solitamente un isolamento di tipo ottico). !
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In rosso si vede la regolazione per
regolare l'interruttore, anche questo
modulo deve essere diviso per le due
masse. Sta di fatto che nel modulo
vicino al Diodo c'è una linea curva
per dividere questo modulo. Questo
modulo “capisce” quanta tensione c'è
l'uscita e modifica l'interruttore in
modo tale da modificare il valore
medio.!
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Questo modulo è simile a quanto visto in precedenza: 7. Regolatore switching con reazione.!
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26. Fly-back a più uscite
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L’interruttore di ingresso low-side è il comando!
più semplice, le uscite multiple sono tutte!
isolate. La retroazione di regolazione viene!
sempre effettuata con un accoppiatore ottico. !
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Si può scegliere che tensione avere in uscita
perché basta invertire il trasformatore ossia
mettere il puntino invece che in alto in basso nel
secondario o nel primario in modo tale da
invertire la tensione.!
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Si ha inoltre l'isolamento galvanico e quindi le masse possono essere a potenziali diverso.!
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Usa un accoppiatore ottico poiché si hanno due tensioni di massa differenti.!
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Utilizzando questa configurazione si può utilizzare un solo modulo di comando il quale viene
collegato ad altri moduli che a seconda di quante spire hanno dei loro trasformatori possono
modificare l'ampiezza dell'onda. Inoltre come ricordato in precedenza si può anche attraverso un
trasformatore modificare la fase.!
La regolazione fatta attraverso l'accoppiatore ottico può essere fatto solamente su una resistenza
come il filo su un carico poiché è impossibile eseguire due regolazioni su due casi differenti poiché
il risultato deve essere unico poiché tale risultato
va a comandare l'interruttore. E non si possono
dare due comandi diversi al interruttore.!
Inoltre va ricordato che spostare l'interruttore da
in alto al basso come in figura (-->freccia rossa
da guardare) è assai semplice sebbene cambino
alcune cose.!
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27. Alimentatore a commutazione
Lo schema a blocchi di un alimentatore a commutazione più semplice è: !
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Dove i moduli indicati sono: !
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Elettronica applicata e misure
Lezione E3
A. Filtro EMI; !
B. Da AC a DC (AC deriva dalla rete esterna); !
C. Regolatore a commutazione (Dc -> AC); !
D. Ac -> AC (ad alta frequenza, è un piccolo trasformatore); !
E. AC -> DC. !
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Il modulo A definisce il filtro passa basso che lascia passare solamente la componente a basse
frequenze ed elimina tutte le componenti a medie e alte frequenze. Quindi disturbi che possono
creare problemi vengono eliminati. !
Il modulo B è il modulo adibito alla conversione della corrente dalla alternata a continua. Questo
modulo è fatto o da un diodo o da un condensatore come visto in precedenza.!
Il modulo C di è il modulo visto in questa lezione che riesce a variare il valore medio ossia il Duty
cicle.!
Il modulo D è un trasformatore.!
Il modulo E è un filtro per ridurre ulteriormente le componenti non volute.!
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28. Test finale
· Descrivere la tecnica di regolazione PWM. !
· Tracciare lo schema a blocchi di un alimentatore con regolatore a commutazione, e descrivere la!
funzione di ciascun blocco. !
· Confrontare vantaggi e svantaggi dei regolatori lineari e a commutazione. !
· Tracciare lo schema a blocchi delle due topologie base di regolatore a commutazione, e!
descriverne il funzionamento. !
· Quali parametri influenzano l’ondulazione in uscita negli alimentatori a commutazione? !
· Quali parametri influenzano il rendimento? !
· Indicare le differenze tra regolatori BUCK e BOOST. !
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A. A. 2013 - 2014
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