Sommario

L'articolo analizza i metodi possibili per variare la tensione continua su un carico resistivo. La trattazione è (si spera) semplice ed intuitiva. Le conclusioni che si ottengono sono alla base dell'elettronica di potenza, anche se, nel caso di maggior interesse, che riguarda gli azionamenti elettrici, il carico è sempre ohmico-induttivo, di cui, ad ogni modo, saranno evidenziate le caratteristiche peculiari.

Metodi possibili

Il metodo più semplice consiste nell'uso di una resistenza variabile meccanicamente, cioè un reostato o un trimmer,  in serie al resistore (fig. RT.1 A). Ma non sempre le soluzioni più semplici sono le più efficaci. L'inconveniente di questa regolazione è il valore del rendimento, cioè del rapporto tra la potenza utilizzata dal resistore e la potenza generata dal generatore. Esso è uguale al rapporto tra la tensione ai capi del resistore e quella del generatore, valore che tende a zero quando la tensione richiesta dal resistore è molto bassa. E' un metodo che può andar bene per piccole potenze, non certo per potenze elevate. Esiste per di più la difficoltà della movimentazione meccanica del cursore del reostato, soluzione addirittura improponibile, se la regolazione deve essere frequente e rapida.

Invece di un reostato, la cui variazione di resistenza si ottiene meccanicamente, si può usare un transistor (fig. RT.1 B). La corrente sul resistore, quindi la tensione ai suoi capi,  può essere fatta variare con continuità regolando la corrente di base. Con una piccola potenza, quella necessaria ad imporre la corrente nella base, si può dunque controllare la potenza molto maggiore, relativa alla corrente che fluisce tra collettore ed emettitore, che è la corrente sul resistore. Il vantaggio di questa soluzione è l'eliminazione del movimento meccanico necessario per il reostato, con conseguenti facilitazioni per regolazioni frequenti e rapide.
Ma anche in questo caso il rendimento non è accettabile, quando le potenze in gioco sono notevoli. La tensione si suddivide tra il resistore e collettore-emettitore  e, tra i due elettrodi, la resistenza varia in funzione della corrente. Dal punto di vista del rendimento, si è nella stessa situazione del reostato, per cui esso tende a zero se il resistore-carico richiede tensioni basse. In questo caso la maggior parte della potenza è dissipata dal transistor, che deve essere per questa dimensionato e raffreddato. D'altra parte che così fosse era insito nel nome stesso di transistor, una crasi tra le parole transfer e resistor, che in pratica significa resistenza variabile.

Il terzo metodo per regolare corrente e tensione sul resistore consiste nell' aprire e chiudere continuamente un interruttore in serie al resistore (fig. RT.1 C). Variando il rapporto tra la durata di ON (interruttore chiuso) e quella di OFF (interruttore aperto) è possibile modificare il valore medio delle grandezze elettriche. Se l'interruttore è ideale, stavolta il rendimento è addirittura unitario. Infatti un interruttore ideale è caratterizzato da una resistenza nulla quando è chiuso, infinita quando è aperto. Quindi esso non dissipa mai potenza, data dal prodotto tra la corrente che lo attraversa e la tensione tra i suoi terminale, poiché nello stato ON è nulla la tensione qualunque sia la corrente; nello stato OFF è nulla la corrente, qualunque sia la tensione.

Se si mantiene costante la frequenza di ripetizione mentre si varia la durata, o le durate all'interno del singolo periodo, dello stato ON, si ottiene la regolazione PWM (Pulse Width Modulation). Una variante consiste nel mantenere costante la durata dello stato ON mentre si varia la frequenza di ripetizione (PFM: Pulse Frequency Modulation) (vedi figura RT.2).

Esiste però sempre una seconda faccia della medaglia: il prezzo da pagare per il rendimento praticamente unitario è la forma d'onda, costituita da un valore medio continuo e da una componente alternata. Per un resistore come carico ciò non rappresenta in realtà un problema; per un motore DC nascono problemi se la frequenza della componente alternata è bassa: la sua velocità infatti non potrebbe mantenersi costante ma fluttuerebbe. Il fenomeno comunque è praticamente irrilevante se la frequenza è abbastanza elevata; per la rete di distribuzione AC da cui l'energia proviene, la corrente si modifica rispetto alla sinusoide, dando a componenti armoniche fonti di problemi da risolvere, quando il loro peso è consistente.

 La difficoltà dell'azionamento meccanico dell'interruttore può essere superata con l'uso di valvole elettroniche, quali tiristori SCR e/o GTO, transistor BJT o MOSFET in interdizione/conduzione, o transistor IGBT.

RT. 1

 

RT. 2

 

L'analogia idraulica che si può fare è quella di variare la portata d'acqua nei primi due casi con una valvola la cui apertura è proporzionale alla portata desiderata, il terzo con una valvola completamente aperta o completamente chiusa.

Il transistor come interruttore

Un interruttore presenta tra i suoi terminali una resistenza nulla quando è nello stato ON, quindi tensione nulla ai suoi capi per qualsiasi corrente, infinita quando è in OFF, cioè corrente nulla qualunque sia la tensione ai suoi capi. Il transistore che si comporta come una resistenza variabile, può simulare abbastanza bene queste due condizioni. Consideriamo un BJT. I suoi terminali come interruttore sono il collettore e l'emettitore. Si deve perciò esaminare relazione esistente tra la corrente I_c che fluisce tra i due elettrodi e la tensione tra di essi U_ce. Essa è rappresentabile con un grafico ed è dipendente dalla corrente di base: cioè per ogni I_b abbiamo una diversa I_c - U_ce.
 

RT. 3

Nel grafico di figura RT.3 sono rappresentati i due punti di lavoro del transistor che simulano un interruttore ideale: ON dove U_ce è circa zero che si ha quando I_b > 0 che per il BJT è circa il 5% della I_c. (si dice che il transistor è in zona di saturazione); OFF dove è I_c praticamente nulla, che si ha quando I_b=0 (si dice che il transistore è in zona di interdizione). Il transistor poi non è un interruttore ideale in quanto la corrente I_cnello stato ON e la tensione U_ce nello stato OFF non possono essere qualsiasi ma devono essere inferiori od al massimo uguali a quelle che il transistor può sopportare. La potenza che si trasforma in calore all'interno del componente è data dal prodotto U_ce*I_c. La commutazione ON-OFF e viceversa, richiede un tempo finito che, in pratica è di alcuni microsecondi. Questo comporta che durante, ad esempio la transizione dallo stato Off allo stato On, la corrente I_c cresce mentre la tensione U_ce cala. La potenza in gioco, data dal loro prodotto, può raggiungere un valore elevato molto maggiore di quello che si stabilirà nello stato ON. Se il tempo di permanenza nello stato ON è molto maggiore di quello necessario per la commutazione, la potenza generata durante la commutazione può essere trascurata rispetto a quella trasferita dal generatore all'utilizzatore, per cui il rendimento si mantiene elevato. Quando i tempi diventano confrontabili, la  potenza dissipata durante la commutazione, che rimane costante, diventa confrontabile con quella trasferita durante lo stato ON, che si riduce. Il rendimento perciò si abbassa al crescere della frequenza di commutazione. Il periodo deve essere molto maggiore dei microsecondi di commutazione. Una frequenza di 100 kHz ha un periodo di 10 ms, confrontabile con il tempo di commutazione ed il rendimento che ne consegue è in genere inaccettabile. In pratica la frequenza massima con rendimento accettabile è intorno ai 20 kHz cui corrisponde un periodo di 50 ms.

Carico induttivo

In precedenza si presupponeva un carico resistivo puro che assorbe una corrente che "segue fedelmente" la tensione applicata. Non esiste alcuna differenza tra le due forme d'onda. I carichi che interessano maggiormente gli azionamenti elettrici sono gli avvolgimenti dei motori per i quali non è possibile trascurare l'effetto magnetico, cioè l'induttanza L del circuito. Corrente e tensione non si modificano nello stesso modo per effetto dell'energia  accumulata nel campo magnetico. Essa è legata alla corrente da W =0,5*L*I². Nel passaggio ON-OFF la corrente deve annullarsi e con essa l'energia. In pratica si trasforma in calore all'interno del componente in un tempo non rullo. In un interruttore meccanico alla separazione dei contatti si genera un arco elettrico tra i terminali. Ciò è possibile poiché tra gli elettrodi si manifesta una tensione elevata in grado di superare la rigidità dielettrica dell'aria interposta. E' intuibile che questo succeda: le cariche in moto non possono arrestarsi immediatamente per l'energia cinetica posseduta. Si addensano perciò contro l'improvvisa barriera che impedisce la loro marcia trasformando l'energia cinetica in energia potenziale, cioè una tensione tra le estremità della barriera in grado di rompere la barriera stessa, attraversarla producendo calore. L'inevitabile sovratensione è le ricordando regolata dalla legge di Faraday-Lenz: e=-L*di/dt. La legge mostra che la tensione è proporzionale alla velocità di variazione della corrente (sua derivata rispetto al tempo). La costante di proporzionalità è l'induttanza che rappresenta il "peso specifico" dell'energia magnetica immagazzinata, in pratica la potenza sviluppabile da ogni coulomb e per ogni ampere. La scarica non causa l'immediata distruzione di un interruttore meccanico. Ma non è così se la funzione di interruzione è svolta da un transistor. L'energia che esso dovrebbe dissipare è eccessiva ed occorre trovare un modo per consentirne la dissipazione fuori del transistor. Ciò si ottiene con un diodo di libera circolazione (freewheele diode) che devia (by-pass) la corrente nel momento in cui si genera la sovratensione. Come evidenziato in figura RT.3, il diodo è in parallelo al carico induttivo. Quando il transistor è in ON, il diodo, polarizzato inversamente non conduce. Quando commuta in OFF, la sovratensione che si genera tra collettore ed emettitore, polarizza direttamente il diodo che conduce. La corrente che sta attraversando il carico trova allora la via del diodo per richiudersi, tralasciando il transistor che in questo modo si salva. Infatti la tensione tra collettore ed emettitore è limitata ad un valore superiore a quella del generatore della sola tensione di soglia del diodo in conduzione (circa 0,7 V). Se il transistor permane nello stato OFF, la corrente si smorza esponenzialmente con costante di tempo pari ad t=L/R mentre l'energia magnetica viene dissipata dalla resistenza R. Quando ritorna in ON la corrente cresce esponenzialmente con la stessa costante di tempo. Il suo andamento è leggermente ondulato attorno al valore medio, molto più dolce di quello che avrebbe su un carico resistivo.

 

RT. 4

Conclusioni

La discussione precedente ha evidenziato, pur nella semplicità dell'esempio, le caratteristiche fondamentali di ogni convertitore elettronico di potenza.

• Una conversione efficiente è realizzabile solo con la tecnica della commutazione (switching). La commutazione è ottenuta con un interruttore elettronico che collega e staccail carico all'alimentazione rispettivamente per un certo tempo T_ON e  T_OFF. Il valore desiderato di tensione sul carico si ottiene variando il rapporto tra il i due tempi: U_medio = f (T_ON / T_OFF).
• La tensione d'uscita non è continua ma contiene componenti di frequenza elevata (armoniche) che non sono l'ideale per gli impianti ma che non sono un grave problema per l'utilizzatore.
• La corrente d'uscita invece ha generalmente un andamento più livellato per la corrente quando il carico è induttivo come nel caso dei motori.

Bibliografia

Electric motor and driver
Austin Hughes
Newnes edition

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