Convertitori statici ac/dc

(la videolezione)  Un convertitore statico AC/DC (noto anche come raddrizzatore) è un dispositivo essenziale nell'elettronica di potenza, progettato per trasformare una tensione di ingresso alternata (AC) in una tensione di uscita continua (DC). In realtà sarebbe più corretto parlare di tensione unipolare, perchè in uscita ad un raddrizzatore la tensione non è mai perfettamente continua. Sono statici perché non utilizzano parti in movimento (a differenza, ad esempio, dei gruppi motori-generatori).

Questi convertitori sono il fondamento di quasi tutti i dispositivi elettronici che si collegano alla rete elettrica, dai caricabatterie per smartphone ai sistemi di trasmissione ad alta tensione in corrente continua (HVDC).

I raddrizzatori sono primariamente classificati in base al loro grado di controllabilità:

1. Raddrizzatori Non Controllati (Diodi)

Utilizzano solo diodi, componenti non controllabili, per eseguire la conversione.

Vantaggi: Costo basso, alta affidabilità e semplicità.

Svantaggi: La tensione di uscita DC non può essere regolata; dipende direttamente dalla tensione di ingresso AC. L'uscita contiene un'alta percentuale di ripple (componente AC indesiderata).

Applicazioni: Alimentatori a bassa potenza (es. caricabatterie semplici), stadi di ingresso in alimentatori switching.

2. Raddrizzatori Semicontrollati 

Utilizzano una combinazione di diodi e tiristori (SCR - Silicon Controlled Rectifiers). Gli SCR possono essere attivati (portati in conduzione) in un istante preciso (angolo di accensione α) da un segnale di gate, ma non possono essere disattivati (si spengono solo quando la corrente scende a zero).

Vantaggi: Permettono una regolazione limitata della tensione di uscita media.

Svantaggi: Regolazione unidirezionale (solo in avanti). Generano più distorsione armonica rispetto ai sistemi completamente controllati.

Applicazioni: Azionamenti per motori DC, convertitori in sistemi industriali.

3. Raddrizzatori Controllati 

Utilizzano solo SCR (raddrizzatori a fase controllata) o, più recentemente, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) e MOSFET (raddrizzatori PWM/attivi). L'uso di dispositivi completamente controllabili (come gli IGBT) permette una regolazione completa.

Vantaggi: La tensione di uscita DC può essere regolata completamente. La configurazione a SCR permette il funzionamento in modalità inverter (trasformazione da DC a AC). La configurazione a IGBT (raddrizzatore PWM) minimizza la distorsione armonica dal lato AC e permette il controllo del fattore di potenza.

Svantaggi: Maggiore complessità di controllo e costo.

Applicazioni: Sistemi HVDC, azionamenti per motori, sistemi di saldatura industriale, UPS di alta potenza.

I raddrizzatori si distinguono anche in base al numero di fasi della sorgente AC:

1. Raddrizzatori Monofase

Onda Intera a Trasformatore con Presa Centrale: Utilizza due diodi e un trasformatore con un punto centrale. La frequenza di ripple è doppia rispetto alla frequenza di linea.

Ponte di Diodi (a Ponte di Graetz): La topologia più comune. Utilizza quattro diodi. Sfrutta entrambi i semi-periodi dell'onda AC per produrre un'uscita DC pulsante con una frequenza di ripple doppia.

2. Raddrizzatori Trifase

Sono utilizzati per applicazioni di potenza più elevata e offrono una qualità dell'uscita DC significativamente migliore (minore ripple), perché la tensione AC di ingresso è intrinsecamente più livellata.

Ponte a Sei Diodi (Topologia a 6 impulsi): La configurazione trifase standard. Utilizza sei diodi. L'uscita ha sei impulsi per ogni ciclo AC, riducendo drasticamente il ripple e facilitando la filtrazione.

Ponte a Tiristori (Controllato): Sostituendo i diodi con SCR, si ottiene un controllo completo sulla tensione media DC e sulla capacità di invertire il flusso di potenza.

I raddrizzatori, specialmente quelli non controllati o ad SCR, presentano due problemi principali:

1. Fattore di Potenza Basso

Nei raddrizzatori semplici, la corrente viene assorbita dalla linea AC solo quando la tensione è vicina al picco. Questo crea un assorbimento di corrente non sinusoidale.

Raddrizzatori Passivi: Il fattore di potenza è intrinsecamente basso e i raddrizzatori introducono un'elevata distorsione armonica di corrente (THD) nella rete.

2. Filtraggio e Ripple

L'uscita di un raddrizzatore è una tensione unipolare pulsante. Per ottenere una tensione DC "pulita", come quella richiesta da circuiti sensibili, è necessario un filtro.

Filtro a Condensatore: Il metodo più comune. Un grande condensatore in parallelo all'uscita si carica durante i picchi di tensione e si scarica lentamente tra un picco e l'altro, riducendo il ripple.

Filtro LC: Per applicazioni ad alta potenza, si utilizza una combinazione di induttore (L) e condensatore (C) per ridurre ulteriormente il ripple e migliorare la forma d'onda della corrente di ingresso.