Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 37) – Corrente di ripple del condensatore di ingresso

Una serie di compromessi è necessaria nella selezione del condensatore del filtro di ingresso di  un’alimentazione offline a bassa potenza.  La corrente di ripple nominale  del condensatore viene valutata  con la gamma di tensioni su cui deve operare la fonte di alimentazione. Aumentando il valore del condensatore di ingresso, si ha  più corrente di ripple e si riduce il range della tensione applicata  riducendo la caduta sul condensatore . Di conseguenza, si influisce sia sul rapporto di trasformazione, sia su diversi stress di corrente e tensione all’interno dell’alimentazione. Avere corrent e di ripple  condensatore più elevata comporta meno stress e più efficienza per l’alimentazione.

Fig. 1 – Il ponte a doppia semionda è utilizzato in numerose progettazioni offline

Nelle figure 1 e 2 sono presentate due configurazioni del raddrizzatore utilizzate nelle alimentazioni offline. Nella figura 1 è riportato un ponte a doppia semionda in cui la tensione di ingresso in CA viene raddrizzata e diretta a un condensatore. Questo tipo di circuito è ampiamente utilizzato in applicazioni in CA e in CA a 230 volt  Il condensatore si carica fino al picco dell’onda sinusoidale e si scarica per la maggior parte del semiperiodo. In relazione alla corrente di ripple del condensatore, si devono tenere presenti due componenti. La prima è il periodo di carica in cui la corrente è impostata in base al valore del condensatore e al rapporto dV/dt applicato. La seconda componente è la scarica del condensatore. Le alimentazioni operano come carichi di potenza costanti, così che il condensatore si scarica in modo non lineare e può essere calcolato come variazione dell’energia: W = ½ * C *V^2 = P * dt.

Fig. 2 – Un duplicatore di tensione mantiene costante la rete dell’alimentazione in ingresso

Nella figura 2 è illustrata una configurazione del raddrizzatore di duplicazione della tensione. Tale configurazione è utilizzata in diverse applicazioni in CA a 115/230 volt. Un’applicazione in CA a 230 volt, lo stadio di potenza dovrà gestire tensioni alte quanto il prodotto tra la tensione di uscita massima (26 V CA) e il fattore di cresta, o circa 400 volt. Il duplicatore di tensione, se utilizzato insieme a un ingresso in CA a 115 volt, aumenta la tensione raddrizzata al livello di un ingresso a in CA a 230 volt. L’alimentazione potrà quindi essere progettata solo per la rete in CA a 230 volt, con una conseguente riduzione della gamma di tensioni raddrizzate su cui l’alimentazione funziona. Per passare da una configurazione del raddrizzatore all’altra, si usa in genere un jumper o un commutatore elettronico L’unico punto debole di questo approccio è costituito dall’eventualità che l’utente duplichi un’entrata in CA a 230 volt, distruggendo l’alimentazione. Nella figura 2 vengono inoltre riportate alcune forme d’onda all’interno del circuito del duplicatore. Il neutro è collegato tra i condensatori. Due raddrizzatori applicano la tensione di ingresso a ciascun condensatore alternativamente. Ogni condensatore si carica fino alla tensione di rete di picco un’unica volta a ciclo. Ciascun condensatore dispone pertanto di una componente a ondulazione della frequenza di rete. La frequenza a ondulazione risultante dalla loro somma è pari al doppio della frequenza di rete.

Fig. 3 – Un condensatore con più capacita riduce la variazione della Vin e migliora l’efficienza

Nella figura 3 viene mostrato  il droop del condensatore normalizzato in base alla capacità elettrica (uF/W) per quattro opzioni di tensione in ingresso/raddrizzatore. Sono disponibili tre opzioni relative al ponte a doppia semionda: per la rete a bassa tensione USA (108 V CA/60 Hz), per la rete a bassa tensione giapponese (85 V CA/50 Hz) e per la rete a bassa tensione europea (216 V CA/50 Hz). Per la rete a bassa tensione giapponese è inoltre presente un duplicatore. Per il ponte a doppia semionda, la normalizzazione corrisponde al rapporto tra la capacità elettrica e la potenza. Nel duplicatore, la normalizzazione equivale al rapporto tra la capacità di uno dei due condensatori collegati in serie e la potenza. Per usare il diagramma, è necessario determinare la configurazione del raddrizzatore e stabilire un valore di caduta di tensione accettabile. Quindi, sarà possibile leggere il valore uF/W del condensatore di ingresso. Infine, occorrerà denormalizzare il numero moltiplicandolo per la potenza di interesse.

Fig. 4 – l’incremento del valore uF/W non comporta un aumento significativo della corrente di ripple del condensatore di ingresso

A questo punto, sarà possibile consultare la figura 4 per calcolare il valore nominale della corrente a ondulazione del condensatore. Nella figura 4 viene mostrata la corrente di ripple  normalizzata a confronto con la capacità elettrica di ingresso normalizzata. È interessante notare che la corrente di ripple  non dipende strettamente dalla capacità elettrica. Durante la scarica, infatti, la corrente è imposta da un assorbimento quasi costante dal carico. Le correnti differiscono notevolmente solo durante i cicli di carica. Ciò è reso evidente dal fatto che la corrente di ripple  aumenta gradualmente man mano che aumenta la capacità elettrica (uF/W). In effetti, con una capacità elettrica più alta, le correnti di picco sono più alte e gli angoli di conduzione sono ridotti. Nel diagramma sono incluse solo le correnti a ondulazione della frequenza di rete e non vengono presi in considerazione gli effetti determinati dalla corrente a ondulazione dell’alimentazione ad alta frequenza.

Per riepilogare, il progettista può scegliere  la configurazione basata sul raddrizzatore e il condensatore di ingresso. Se si opta per un ponte a doppia semionda, è possibile che l’alimentazione debba operare su una gamma di ingresso 4:1. Se il progettista sceglie di incorporare nella progettazione un duplicatore di tensione, così da ridurre la variazione  dovrà tenere presente la possibilità che un cliente causi per errore delle sovratensioni. Il progettista può limitare la gamma di esercizio selezionando in modo appropriato il condensatore di ingresso, in base ai diagrammi riportati nel presente documento. Nel prossimo incontro si discuterà di un economico circuito latch per la protezione dell’alimentazione.

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Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com

Robert Kollman, Texas Instruments

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