Convertitori statici ac/dc

01/04/21, Emanuele Cunti | (la videolezione) Un esempio di convertitore statico AC/DC è quello riportato in figura (1): un raddrizzatore realizzato su una linea monofase. Questa caratteristica lo differenzia dal classico ponte di Graetz in quanto quest’ultimo, presenta un trasformatore a monte, cosa che in questo tipo di raddrizzatore non c’è. Quando si lavora con alte potenze conviene lavorare direttamente in regime alternato attraverso una linea monofase (fase e neutro) che trasporta la famosa corrente alternata a 220V. Questa alimenta il ponte costituito da quattro diodi di potenza, capaci di sopportare delle tensioni così elevate in polarizzazione inversa. 

Questo ponte rappresenta il classico ponte di Graetz , un raddrizzatore a semionda che appunto “raddrizza” una tensione monofase presa in ingresso per poi darne una in uscita, che in simulazione, sembra quasi una tensione continua (ma non lo è). (figura 2). Il valore efficace della tensione alternata prelevata dal ponte in ingresso è di 220 V mentre per quanto riguarda il suo valore di picco massimo è pressoché lo stesso sia in ingresso (310V), sia in uscita (di poco meno elevato tenendo conto della caduta di tensione sui diodi di potenza che può ammontare a circa 1V per questo specifico tipo di diodo. Le semionde raddrizzate sono sia positive che negative e queste ultime vengono ribaltate. La tensione è soggetta ad un forte ripple , come si può facilmente notare in (figura 2) dall’ondulazione che caratterizza il segnale rappresentato sull’oscilloscopio. Il ripple ,negli alimentatori, può essere ridotto mettendo dei condensatori in parallelo al carico, nel nostro caso un resistore da 10 ohm. Il ripple8r) viene calcolato attraverso la seguente formula “r = Vo/Vm “. I parametri “Vo” e “Vm” stanno ad indicare rispettivamente il “valore efficace dell’ondulazione” e il “valor medio della tensione”. Nel nostro caso il loro rapporto ci dà come risultato un valore del ripple pari al 48%. Questo tipo di raddrizzatore monofase a ponte di gretz è un “raddrizzatore non controllato “. Ciò sta a significare che non si può cambiare a proprio piacimento il valor medio della tensione in uscita. Un raddrizzatore del genere per essere di tipo “controllato” dovrebbe presentare, ad esempio, degli SCR (Il tiristore o SCR (Silicon Controlled Rectifier) è un componente elettronico, dal punto di vista elettrico, pressoché equivalente al diodo, con la sola differenza che la conduzione diretta avviene solamente in seguito all'applicazione di un opportuno segnale di innesco su un terzo terminale denominato gate). Per calcolare parametri come il valor medio della tensione d’uscita (Vm) basta applicare la seguente formula ( Vm = 2*Vp/3,14) che nel nostro caso equivale “0,637 Vp “. “Vp” è il parametro che ci indica il “valore di picco della tensione d’uscita” . Il valor medio di tensione nel nostro caso è di circa 197 V.  

RADDRIZZATORE TRIFASE:

Nella parte tratteggiata in (figura 3) troviamo rappresentata la linea trifase, che ha come scopo quello di alimentare un carico “equilibrato”, composto da un raddrizzatore a sei diodi di potenza con relativo carico (nel nostro caso un resistore da 10 ohm). Tra due fasi si misura una tensione efficace di 380V(rms) . “rms” sta per valore efficace. Ogni generatore tra fase e neutro produce una tensione stellata di 220V. Al raddrizzatore arrivano delle tensioni concatenate che sono sfasate, come le tensioni stellate precedentemente nominate, di 120 gradi. Come detto pocanzi il raddrizzatore rappresentato in (figura 3) è un raddrizzatore trifase che si differenzia da quello monofase (figura 1), a livello circuitale, in quanto presenta due diodi di potenza in più. La differenza sostanziale però sta difatti nelle prestazioni che ci offrono i due raddrizzatori. Come possiamo notare dalla simulazione propostaci in (figura 3) , pur avendo tre tensioni concatenate in ingresso, il ponte trifase riesce a darci in uscita, senza l’utilizzo di nessun condensatore, una tensione con una percentuale di ripple molto più bassa rispetto a quella raffigurata in (figura 2) dove viene rappresentata la simulazione del raddrizzatore monofase. Il perché si spiega quando le semionde negative vengono ribaltate. Semplicemente parlando, se ribaltiamo le semionde negative delle tre tensioni concatenate in ingresso le aree vuote tra i picchi delle semionde positive vengono riempite da quelle negative, dando in uscita una tensione molto simile e prossima a quella continua. La percentuale di ripple in questo caso, come si intuisce dalla simulazione, è molto bassa. Il valore si aggira intorno al 4%, che rispetto al 48% del raddrizzatore monofase sembra quasi sparire. Il valor medio della tensione in uscita (512V) coincide, a parte per qualche piccola variazione dovuta come sempre alla caduta di tensione sui diodi di potenza, con il valore massimo di tensione in ingresso pari a 536 V. Un esempio applicativo nel quale è possibile utilizzare il raddrizzatore trifase è l’alimentazione di un motore in continua , Se per un qualche motivo c’è la necessita di misurare anche la velocità del motore è necessario far seguire al reddrizzatore trifase un chopper , in quanto il raddrizzatore porterà le tensioni concatenate da alternata a continua e il chopper/PONTE H ( agendo sulla PWM) provvederà a cambiare il valor medio della tensione in uscita al raddrizzatore e di conseguenza sarà possibile regolare la velocità di rotazione del motore stesso. Un punto che accomuna, invece, il raddrizzatore monofase e quello trifase è il fatto che in tensione alternata e con un carico induttivo, la corrente è soggetta a delle distorsioni. Come si può notare dalla simulazione in (figura 4) la corrente in uscita appare non più come una sinusoide ma bensì molto simile ad un’onda quadra. Questo carattere della corrente causa la formazione delle armoniche (si parla sempre tenendo conto di lavorare in regime alternato). Un altro parametro che permette il manifestarsi di questo fenomeno è il fatto che i diodi sono dei componenti fortemente non lineari. Le armoniche provocano, purtroppo, l’aumento della potenza reattiva (in regime alternato), che provoca a sua volta un aumento dell’intensità della corrente, ma non solo. Le armoniche provocano disturbi a tutti gli altri sistemi collegati alla stessa rete. Anche se il carico è puramente omico la corrente subisce delle distorsioni, ma il carico induttivo esaspera le armoniche aumentandone il numero e di conseguenza la potenza reattiva nella rete.

VARI TIPI DI TECNOLOGIE DI RADDRIZZATORI:

Con il passare del tempo e con l'evoluzione dell'elettronica sono stati inventati nuovi tipi di raddrizzatori. . Tutti i dispositivi inventati si basano su un fenomeno fisico che consente il passaggio degli elettroni in una sola direzione. Alcuni esempi sono:

Convertitore rotante (a volte chiamato dynamotor): è un motore in corrente alternata accoppiato a un generatore in corrente continua. È potenzialmente reversibile.

Diodo a vuoto: è una valvola termoionica in cui il catodo emette elettroni che vengono assorbiti dall'anodo determinando il flusso di corrente. Poiché l'anodo è freddo non può emettere elettroni in senso inverso.

Raddrizzatore al mercurio e ignitron: si tratta di particolari valvole a catodo freddo in cui si sfrutta l'arco elettrico prodotto in un vapore di mercurio, che consente il passaggio di corrente in una direzione. L'impiego di questo dispositivo era molto utilizzato nel raddrizzamento della tensione destinata al trasporto ferroviario, dove il diodo a vuoto non era in grado di operare.

Elettrolitico: sfrutta la polarizzazione di una cella elettrochimica.

All'ossido di rame e selenio: gli ossidi metallici accoppiati a metalli hanno la caratteristica di comportarsi come diodi. Diverse lamine di selenio ossidato da un lato e rame erano impilate a costituire un collegamento in serie.

A cristallo: se su particolari cristalli, in particolare la galena, viene premuta una punta metallica si realizza un diodo come conseguenza del potere disperdente delle punte. Questo effetto era impiegato (ed è ancora utilizzato a scopo didattico) in alcune vecchie radio.

A semiconduttore: è la tecnologia attualmente dominante, inizialmente basata sul germanio, ora sul silicio, impiegato per realizzare diodi e tiristori. È costituito dalla giunzione di due parti di semiconduttore drogate con impurità in modo opposto (giunzione p-n).

Diodo Schottky: è simile al diodo a semiconduttore, con la differenza che una delle due parti è costituita da un metallo, realizzando una giunzione metallo-semiconduttore. È un discendente, per principio di funzionamento, del raddrizzatore a cristallo.

Al carburo di silicio (SiC), una nuova tecnologia che permette la realizzazione di diodi rettificatori privi del recupero inverso. Questa caratteristica è fondamentale nelle applicazioni di potenza ad alta frequenza e velocità di commutazione e in amplificatori audio HiFi per ridurre il rumore di rettificazione introdotto nel circuito.