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POWER 15 -
GENNAIO/FEBBRAIO 2018
Power
Da un punto di vista concettuale, la conversione di ener-
gia realizzata dai sistemi di potenza è uno dei campi più
affascinanti che si incontrano nello studio dell’elettro-
tecnica e dell’elettronica. In termini generali, la gestione
dell’energia elettrica si rende necessaria in campo indu-
striale allo scopo di adattarla alle caratteristiche dei diversi
apparati che devono essere alimentati. Le varie tecniche
di conversione consentono di effettuare questa trasforma-
zione minimizzando le perdite di potenza, dal momento
che eliminarle del tutto è praticamente impossibile.
Tipologie di convertitori
Dato che i fattori della potenza elettrica sono la tensione
e la corrente, che possono entrambe essere continue o
alternate, la conversione si presenta in quattro forme dif-
ferenti, ciascuna delle quali presenta specifiche modalità
operative. La potenza elettrica, sia continua sia alternata,
può essere convertita in potenza continua o alternata,
con diversi valori dei parametri elettrici di ingresso e
d’uscita. Ricorrendo agli acronimi ben noti ad ogni pro-
gettista e ad ogni tecnico avremo quindi la conversione
DC-AC, AC-DC, AC-AC e DC-DC (DC = Direct Current
o corrente continua, AC = Alternate Current o corrente
alternata). In questa sede non ci occuperemo di conver-
sione AC-AC, che viene solitamente effettuata da trasfor-
matori posti a monte e a valle delle linee che traspor-
tano l’energia elettrica. Questo trasporto richiede una
tensione elevata per consentire di ridurre la corrente,
responsabile delle perdite di potenza per effetto Joule.
La conversione AC-DC corrisponde al “raddrizzamento”,
operazione con cui si genera una tensione continua par-
tendo da una alternata per alimentare i circuiti elettro-
nici. In realtà, la tensione in uscita al convertitore non
è esattamente continua, ma contiene un residuo di ar-
moniche, o fattore di ripple. Per questo motivo, uno dei
criteri principali per valutare la bontà di un convertitore
AC-DC è dato dal residuo di ripple, che dovrà essere il
più basso possibile. La conversione DC-DC nasce invece
dall’esigenza di avere una tensione più elevata o meno
elevata di quella disponibile. Ciò si rende necessario per
il fatto che in un sistema elettronico complesso si vor-
rebbe avere un basso livello dei campi elettrici interni.
Dato che, però, a parità di potenza ridurre la tensione
equivale ad aumentare la corrente, potrebbe nascere (in
piccolo) un problema analogo a quello sopra accennato
per il caso degli elettrodotti. È questo il motivo per cui
negli attuali sistemi elettronici si utilizzano convertitori
DC-DC locali di piccola portata. Per concludere questa
sintetica carrellata introduttiva, i convertitori DC-AC tra-
sformano una tensione continua in una alternata, in ge-
nere sinusoidale, a una determinata frequenza. In que-
sto caso, la bontà di un convertitore sarà inversamente
proporzionale all’ampiezza delle armoniche, superiori
alla prima, presenti nella tensione d’uscita.
Convertitori DC-DC
I convertitori DC/DC hanno assunto un’importanza sem-
pre maggiore con la diffusione dei dispositivi elettronici
mobili alimentati a batteria, dai cellulari ai computer lap-
top. Questi sistemi, infatti, sono composti da varie sezioni
che richiedono tensioni di alimentazioni diverse da quel-
la della batteria. Essi inoltre offrono il vantaggio di gene-
rare diversi livelli di tensione controllati, partendo dalla
tensione variabile della batteria, consentendo di ridurre
l’ingombro dei sistemi e di evitare di dover ricorrere a
batterie multiple. I convertitori lineari utilizzano un rife-
rimento interno e regolano la tensione d’uscita mediante
una retroazione. I loro vantaggi principali sono il basso
rumore d’uscita e la precisione della tensione generata.
Viceversa, i convertitori switching agiscono per commu-
tazione, generando una tensione d’uscita che dipende
dal duty cycle, corrispondente al rapporto fra tempo di
on e di off. Nonostante lo svantaggio del maggior rumo-
re d’uscita, che peraltro può essere ridotto mediante un
apposito filtro, i convertitori di questo tipo vengono pre-
feriti spesso per la loro maggior flessibilità, dovuta anche
al grande numero di differenti topologie disponibili, che
consentono di far fronte a svariate esigenze applicative.
Recentemente, grazie all’impiego di frequenze di com-
mutazione sempre più elevate, questi convertitori hanno
migliorato le loro prestazioni in termini di precisione
della regolazione e di rapidità della risposta transitoria.
Andrea Cattania
Nuove soluzioni
di conversione
e di alimentazione
Sebbene quello dei convertitori sia un settore maturo, i produttori propongono ancora
al mercato nuove idee e prodotti innovativi