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999 Convertiamo tensione & corrente....

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  • 999 Convertiamo tensione & corrente....

    Temporaneamente butto giù due righe nel tentativo di dare un inizio di risposta alle molteplici domande sulla questione..

    Uno dei sistemi più semplici per convertire una tensione (& corrente) consiste nell'uso di un "trasformatore" (rif. http://www.energeticambiente.it/elet...formatori.html ).
    In regime di tensione (rif. http://www.energeticambiente.it/unit...-corrente.html ) alternata AC (rif. plausibile http://www.energeticambiente.it/elet...-corrente.html ) ciò è abbastanza semplice: basta un trasformatore da collegare con il primario alla tensione disponibile e su cui prelevare a secondario la tensione voluta. Il trafo di norma prende il nome di elevatore (o sinonimo) se a secondario si ha V > di V a primario, viceversa riduttore, in discesa o altri sinonimi.
    Esempi da 220Vac a 18Vac... da 110Vac a 220Vac, ecc. ecc.

    Caso particolare è il trafo così detto 1 a 1, che non trasforma la tensione.. ma effettua un isolamento galvanico (fino a un certo punto...) tra primario e secondario....
    Tutte queste operazioni possono essere effettuate anche con autotrasformatori se non è necessario l'isolamento galvanico (quindi no 1:1 !)

    ------

    In regime di tensione continua (DC [a volte CC]) le cose sono un po diverse. Non mi risulta esistere un oggetto vero e proprio (statico/allo stato solido) che può operare semplicemente una trasforazione da es. 12Vcc a 24Vcc...

    In passato si ricorreva a sistemi elettromeccanici quale motore elettrico a "primario" ..calettato (collegato sull'asse) a una dinamo come "secondario".. sistema ingombrante.. pesante.... rumoroso...ecc.

    Analizzando questo "primitivo" sistema si vede come dentro il motore in continua avvenga in realtà una trasformazione meccanica in alternata ad opera del collettore + spazzole (non parlo di motori ultima generazione)...idem nella dinamo...
    Probabilmente questo ha portato in passato a costruire degli aggeggi meccanici.. molto simili ad un incrocio tra un rele e una "vecchia" intermittenza per gli indicatori di direzione sui veicoli... in pratica un oggetto "vibrante" che operava delle interruzioni sulla tensione/corrente DC... trasformandola in qualcosa di pulsato/alternato...

    ..insomma/morale per operare una conversione in DC bisogna "transitare" per uno stato AC...
    Bene... una volta ottenuto uno stato AC (dopo...) come si può fare una conversione (es di tensione)?
    Ci sono vari modi... vediamo per una elevazione...
    ..un sistema semplice (si fa per dire..+ che altro come comprensione..talvolta calcolo..) consiste nell'uso di condensatori (rif. http://www.energeticambiente.it/elet...densatore.html ), "serbatoi" che possono essere caricati in un certo istante.. e poi posti ad esempio in serie alla tensione originaria... un po come riempire un secchio dal rubinetto disponibile poi portarlo al piano di sopra, rovesciandolo in una vasca (condensatore più grande di livellamento in uscita..) .. o in un altro secchio che qualcun altro porterà al piano ancora superiore....
    ..insomma questa analogia in passato ha dato un nome ad esempio ad un intergato della Philips.. chiamato appunto "brigata dei secchi"....

    Un altro ..distribuito...esempio di questa applicazione sono gli stadi moltiplicatori (duplicatori, triplicatori, ecc.) presenti ad es. in molti (ormai vecchi) TV per contribuire a generare l'alta tensione EAT necessaria al tubo catodico... costituiti praticamente da celle elementari ripetute di condensatori (secchio/vasca) e diodi (rif. http://www.energeticambiente.it/elet...a-b-diodo.html ), che fanno lo "sporco lavoro" di portare un singolo secchio da un piano al successivo ... il tutto a partire da una "alternata" disponibile... o generata da continua!


    Altro sistema consiste nell'utilizzo al posto di condensatori, che operano sul livello di tensione, di induttanze (rif. http://www.energeticambiente.it/elet...nduttanza.html ).... che operano invece sulla corrente!

    In pratica invece di "caricare" una tensione nel condensatore/secchio da portare ... "di la"... si carica una corrente in una induttanza!
    Ci sarà anche qui un sistema che collegherà per un certo tempo l'induttanza alla tensione primaria/rubinetto... per poi scollegarla. Un altro sistema metterà in comunicazione l'induttanza con la parte secondaria.

    Quale è la differenza sostanziale nell'.....immagazzinamento induttivo, rispetto quello capacitivo?
    Nel secondo dobbiamo trasformare una tensione con un componente che ragiona nello stesso modo (tensione)...è difficile stivare nel secchio un "livello" maggiore di quello disponibile dal rubinetto... tramite casi particolari (es uso di pompe, della pressione, ecc.) l'acqua non sale mai uscendo liberamente da quest'ultimo...
    Tanto più la tensione voluta è elevata.. tante più catene di secchi (es stadi moltiplicatori...) ci vorranno!
    Viceversa con un sistema induttivo basta un singolo elemento per fare grandi salti... in virtù del fatto che questo elemento ragiona in corrente.. mentre noi stiamo operando sulla tensione! (perchè-> dopo...)
    Un esempio conosciuto (in passato, ormai) è la classica "bobina" di accensione sui veicoli...con un solo oggetto si passa dai 12V canonici presenti nell'impianto a svariate decine di migliaia verso le candele d'accensione!
    Ultima modifica di gattmes; 02-10-2008, 08:24.
    Fare si può! Volerlo dipende da te.

    Consulta e rispetta il REGOLAMENTO

    Piano cottura induzione: consumo energia 65...70% in meno rispetto uno a gas! Pure a costi doppi dell'elettricità fa risparmiare, almeno 30%! Contrariamente a quanto si dice si può usare con contratti 3 kW, perfino se sprovvisto di limitazione.
    Gas 100% fossile, elettricità 30...100% rinnovabile. Transizione ecologica? Passa all'induzione!

  • #2
    Vediamo un esempio di elevatore tramite induttore: il così detto boost/step-up:
    A tal fine sfrutto l'immagine di Wikipedia. Ne parla a questo indirizzo:
    http://it.wikipedia.org/wiki/Convertitore_boost)

    Analizziamo in più profondo dettaglio cosa accade nel:
    Transitorio all'accensione
    Colleghiamo la "fonte" di alimentazione a sinistra (con positivo collegato all'induttore "L" e negativo al ritorno comune/"massa" in basso nelle figure). Al primo istante, quanto l'interruttore (transistor/mos) non è pilotato/chiuso, notiamo:
    1) il positivo della tensione "V" è "fornito", tramite L, anche all'anodo del diodo D
    2) il suo catodo è collegato al carico in uscita. Se qui non è presente alcuna tensione residua, ecc., sicuramente questo potenziale tenderà a quello di massa. In questa condizione il D è polarizzato direttamente e conduce
    3) di conseguenza ci sarebbe tendenza a un passaggio di corrente "I" dal generatore/fonte verso il carico
    4) appena la I cresce dall'istante iniziale L si oppone, cioè la limita, presentanto ai capi una sua tensione VL, opposta a quella del generatore (+ verso la fonte, - verso il D).
    Nell'istante iniziale la VL coincide con la fonte e la I è nulla. Via via che passa il tempo la V su L scende.. e la I quindi sale: possiamo dire che L si "carica" di corrente.
    5) dipende da cosa è il carico: resistivo, capacitivo, misto.. (deve esserci un condensatore "C" nel circuito boost/step-up, quindi probabilmente è un misto capacitivo-resistivo). Comunque si arriva ad un punto di equilibrio dove la V in uscita coincide con quella d'ingresso, (passando per eventuali oscillazioni nel transitorio). Circa la I dipende dal carico: sarà nulla se solo capacitivo (transitorio appena citato di "carica" e perdite a parte).. sarà invece Vin/R se è presente una componente (carico) resistiva R

    Prima osservazione:
    A) Nulla è stato fatto sul trasistor interruttore e già in uscita è presente tensione; se c'è un carico (resistivo) passa già anche corrente! In questo circuito quindi la tensione in uscita (a meno di cadute/perdite) non potrà mai essere inferiore a quella d'ingresso. Inoltre a "circuitame" spento non si spegne l'erogazione di tensione/corrente sul carico: risulta sempre alimentato (occorre scollegare qualcosa..).
    B) La corrente all'accensione Inrush, principalmente riferendosi al picco di carica delle componenti capacitive in uscita, è comunque limitata dalla L e secondo le sue caratteristiche (valore induttivo, eventuale saturazione, ecc.)

    vediamo cosa succede attivando l'interruttore, che considero d'ora in poi un Mos (http://www.energeticambiente.it/elet...et-mosfet.html) per praticità.
    come visualizzato nello ON STATE di questa immagine:
    http://upload.wikimedia.org/wikipedi...rating.svg.png
    il mos cortocircuita a massa/ritorno la parte destra della L, mentre l'altra rimane connessa al generatore/fonte. Notiamo:
    6) L è praticamente connessa secca in parallelo al generatore, senza alcuna resistenza (eccezzion fatta per quella interna del generatore, quella del mos in conduzione e le parassite dei collegamenti)
    7) Il D va sicuramente in interdizione.. a meno che una fonte esterna presenti una tensione inversa sul carico: se questo è puramente resistivo (ripeto: un C deve esserci per il funzionamento del circuito) la V ai suoi capi vale 0. Non essendoci più l'effetto del generatore.. l'anodo risulta a massa, per via del corto fatto dal mos.. e il catodo pure qui è riferito, ad opera del carico in uscita.
    Se invece il carico è capacitivo, allora qui è presente tensione che in questo istante coincide con la precedente in ingresso, un attimo prima del corto fatto dal mos. Pertanto il catodo si troverà ad una tensione positiva.. più positiva dell'anodo (a massa).. e quindi pure qui il D risulta interdetto.
    Se il carico è misto siamo in una condizione intermedia: in un primo istante il C "presenterà" tensione lato carico, riportando il tutto nella condizione appena citata. Poi man mano si scaricherà sul carico.. fino ad arrivare, se non si ferma qualcosa, alla condizione vista con carico puramente resistivo.

    Seconda osservazione:
    C) quando si attiva il mos è possibile continuare avere tensione sul carico, se qui è presente una componente capacitiva "caricata" in precedenza
    D) il D e il mos attuano una separazione in questo momento tra ingresso uscita (no galvanica: massa comune)

    vediamo cosa succede alla L:
    abbiamo visto che viene collegata secca al generatore. La corrente I al suo interno salirà.. secondo la nota formula i=(v*t)/L, quindi linearmente nel tempo. Ma da dove sale? Dipende dal valore iniziale che, se il carico non era nullo (o solo capacitivo).. e se siete stati attenti.. vale Vin/R

    Terza osservazione:
    E) il valore iniziale dipende in tal caso esclusivamente dal carico, posto fisso Vin
    F) il modo/pendenza con cui la I sale dipende esclusivamente dall'induttanza, fisso Vin.. e ciò dovrebbe essere evidente, visto quanto osservato in "D"..

    Possiamo allora parlare di corrente incrementale, separandola da quella iniziale. Essa prende forma di rampa (nell'esempio) e assume valori proporzionali (entro certi limiti dovuti a circuiti "reali" piuttosto che "ideali"), ovvero se il mos sta "acceso" y secondi (più probabile milli o micro secondi!) la I incrementale arriva a xAmpere.. se sta on per 2y secondi a 2xAmpere.. e così via. La I totale sarà questa + quella di partenza.

    È importante capire ciò: in fase di progetto/realizzazione di norma si usano induttanze con un nucleo di materiale ferromagnetico (per incrementarne notevolmente il valore.. quindi ridurre dimensioni, perdite nel rame, ecc.). Il nucleo però presenta dei limiti circa l'induzione gestita, oltre i quali tende a saturare in maniera più o meno repentina. Cosa accade quando satura? In pratica spariscono i suoi effetti, quindi l'induttanza residua rimane quella "naturale" senza nucleo.. di norma frazioni della L !
    Quali sono i punti salienti in questa situazione?
    I) Se si arriva in questa condizione la rapidità con cui la I sale diventa esagerata, essendo L imporvvisamente piccola nella formula i=(v*t)/L !!
    Se non si prendono precauzioni si arriva a fumare qualcosa: il Mos, la L..o altro.
    II) per il calcolo della I di picco va tenuto conto non soltando del rapporto incrementale, ovvero la rampa, che può essere noto o controllato agendo su Vin il Ton e L, ma anche della I di partenza! Che non è quella citata all'accensione/ primo ciclo Vin/R, ma potrebbe essere molto più alta.. dato che è un boost/step-up, quindi suo compito finale è quello di ottenere (vedremo come) in uscita una Vout maggiore di Vin. Si potrebbe pensare che basti calcolare Vout/R. La realtà è ben diversa. Infatti questo è un convertitore, dove cioè si cambiano i parametri V e I, ma non si "genera" niente.. e non si "consuma" (in teoria) altrettanto.. ovvero si opta una trasformazione, ma a potenza costante. È intuibile che se Pin=Pout (rendimenti/perdite a parte) allora la I media in ingresso può assumere valori ben maggiori della media in uscita, essendo Vout>Vin, quindi Iin>Iout..
    Ultima modifica di gattmes; 02-10-2008, 09:43.
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    • #3
      Vediamo ora cosa succede se ad un certo tempo il mos apre...
      Da una parte L non è più vincolata al generatore.. dall'altra l'apertura del mos tende ad interrompere il precedente percorso della corrente... si tenderebbe cioè ad interrompere + o - bruscamente la corrente nel circuito dove è presente la L..
      ...è ovvio che questa si oppone! E lo fa presentando questa volta una tensione con + verso il diodo e - verso il generatore.
      (per maggiori info vedere: http://www.energeticambiente.it/elet...nduttanza.html ; http://www.energeticambiente.it/elet...densatore.html ; e soprattutto il discorso "reciprocità" in questo punto: http://www.energeticambiente.it/elet...l#post40418660 )
      In pratica è come un secondo generatore che si "pone" in serie al primo.. (tentando "lui" di fornire corrente..). In pratica come le pile nella radiolina..."più con meno"..
      Succede che:
      8) la tensione sul mos (drain) sale ben oltre il valore di Vin... essendo la somma del generatore Vin + VL!
      9) il D torna nuovamente in conduzione... anche se il carico in uscita è puramente/solamente capacitivo.. e quindi era rimasto perfettamente a Vin (nessuno l'aveva scaricato!)... visto che l'anodo si trova ad un valore Vin + VL!
      10) La corrente allora ri-fluisce verso l'uscita... ed L è libera di..."scaricarsi"

      Si ma.. se il carico era misto?..Cioè .. se c'era una resistenza che aveva scaricato -in toto o in parte- il condensatore?
      E in che modo si scarica L? Come si era caricata?
      Risposte...partiamo dall'ultima. La rampa (o quasi) di scarica della L segue sempre la legge prima citata.... ma la "v" della formula è quella ai capi di L. Nella fase in cui il mos è on... chiaramente coincide con il generatore Vin... tuttavia nella fase off (cadute di D, ecc. trascurando..) no ...ovvero sara Vin - Vout (segno a parte!)
      Chiaramente le due rampe non saranno identiche...avranno pendenza quasi sempre ben diversa.
      Vediamo se il carico non è un puro condensatore... consideriamo una pura R (ma un C deve esserci, lo ricordo!)
      In tal caso la 9) è sempre valida.... in quanto la L deve "scaricare" la sua corrente... è può farlo visto che la polarità assunta in questa fase è tale che la tensione si somma al generatore e in modo propizio per ottenere la conduzione del D. Ovviamente nell'istante "iniziale" del Toff la tensione Vout sarà quella (massima) determinata dal valore di corrente a cui era giunta l'induttanza, ovvero quello di partenza + la rampa... la I di picco, moltiplicato la R in uscita (V= R * I)!

      Quarta osservazione:
      G) Per ora non abbiamo avuto interruzioni di corrente in ingresso dall'accensione dell'aggeggio (se le oscillazioni iniziali probabili dovuti a L-C erano lievi)
      H) Abbiamo già ottenuto lo scopo: la Vout è salita oltre la Vin: sia che il carico sia un puro C che una pura R. Nel primo il fatto di "infilargli" corrente vuol dire...alzare il livello in tensione... e visto che nussuno lo aveva scaricato.. e che prima era già carico a Vin....
      Nel secondo è chiaro che la I di picco è maggiore alla I che si era raggiunti a regime, prima dell'attivazione del mos ... pari a I=Vin/R ...e quindi il picco di tensione è per forza più alto!
      I) notiamo che se il carico è totalmente capacitivo, nessuno lo scarica!.. Di conseguenza dopo il primo Ton la corrente di scarica di L... da una parte caricherà il C... dall'altra è anche vero che, muovendosi in salita Vout, l'espressione Vout-Vin non può essere costante... di conseguenza la rampa di scarica.... non è proprio tale!
      Nuovamente se il carico è puramente resistivo, la Vout dipende esclusivamente dalla corrente della L che, diminuendo, non sarà costante... e nuovamente la rampa non sarà tale.
      Si nota anche che, essendo "v" ...o meglio "delta v"..moltiplicante [i=(v*t)/L] nel caso capacitivo si ha un amuento di Vout-Vin... e quindi un aumento della pendenza ...qualcosa che assomiglia a una discesa dal picco di una sinusoide. Nel caso resistivo si ha invece una diminuzione del "delta v".. e quindi un rilassamento dellla rampa.. qualcosa che assomiglia all'esponenziale di scarica in tensione di un condensatore su una resitenza (ma guarda un po'....)...

      (continua)
      Ultima modifica di gattmes; 28-08-2008, 11:52.
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      • #4
        bene...
        D: fino a dove si "scarica" la corrente sulla L? Fino a zero?
        R: Dipende da cosa è il carico (e dai..)
        Se non c'è carico... o meglio c'è solo il solito condensatore.. è chiaro che ad un certo punto la corrente arriverà, rimanendo il mos sempre aperto, a zero...quando il valore di tensione sul condensatore non salirà più... e scendere non potrà: da una parte il diodo blocca la sua scarica (corrente inversa).. dall'altra abbiamo detto che non c'è carico .. che lo scarica.

        Viceversa se è presente un carico la corrente potrà momentaneamente scendere anche sotto il valore che si era stabilizzato nel transitorio d''accensione (Vin / R) ..in quanto sarà il condensatore a fornirla, scaricandosi... e quindi fino a che non ritorna al valore Vin .. sotto il quale il diodo comunque conduce.. e quindi riprenderà a fluire corrente direttamente dal generatore al carico.
        Per completezza vediamo con carico puramente resistivo (un "non caso"): se il mos permane aperto... la corrente prima o poi arriva al valore Vin/R... in quanto, scaricata tutta L ...la tensione ai sui capi arriva a zero... e quindi in uscita si presenta la stessa condizione del transistorio d'accensione, ovvero in uscita Vout = Vin (diodo a parte) e quindi Iminima=Vin/R

        Sostanzialmente questa microfase dipende quindi dal valore del condensatore.. dalla sua tensione raggiunta con la scarica della L.... quindi anche dal valore della L, dal valore di Vin e del tempo di chiusura del mos.. e, ovviamente, dal valore del carico..

        Quinta osservazione:
        L) quindi, caricato C/scaricata L, la corrente in quest'ultima potrebbe scendere fino a zero, ovvero interrompersi... indipendentemente dal caso in cui c'è o meno un carico resistivo....ma piuttosto dipendentemente da quanto è il carico... e dai valori dei componenti del circuito.... valori in cui entra anche il tempo...quantomeno ho citato quello "di chiusura del mos"
        Ultima modifica di gattmes; 28-09-2008, 13:35.
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        • #5
          Supponiamo ora di riportare in conduzione il mos.
          Praticamente ritorniamo alla parte iniziale (saltando la fase del transitorio d'accensione, però!), con alcune varianti:

          allora...
          -lato "primario"/ingresso la L viene riconnessa secca sul generatore come in precedenza.
          -lato "secondario"/uscita ritrovimo la stessa situazione del primo ciclo di conduzione mos e quindi valgono le stesse considerazioni viste per il diodo, il tipo di carico, ecc.

          In questa ultima parte la variante potrebbe risiedere nel valore di tensione, che potrebbe essere più alto del primo stato "on" del mos, in virtù del funzionamento del circuito, ovvero del "pompaggio" in tensione operato dalla L nella precedente fase. Quindi sull'eventuale carico varieranno i parametri tensione e corrente... nonchè plausibilmente la velocità e l'entità di "variazioni" sul condensatore in uscita!
          Viceversa in ingresso quello che ... "può" ..variare è la corrente iniziale e dipendentemente da come ..si era "arrivati" alla fine della fase precendente:
          se la corrente nella L durante la fase precedente era arrivata a zero, ovvero si era entrati nel così detto modo discontunuo... da qui si riparte! E tutto assomiglia alla fase di prima attivazione del mos!
          Viceversa se la L non si era completamente "scaricata di corrente" da qui si riparte!
          Quindi la rampa, che sarà la stessa se saranno mantenuti gli stessi tempi di attivazione del mos (Ton) e di tensione del generatore, si porterà ad un valore di cresta che sarà maggiore rispetto al precedente primo ciclo di on... di un valore (se L è in una fase abbastanza lineare...) pari allo "scalino" di partenza.

          Osservazioni:
          (continua)
          Ultima modifica di gattmes; 28-09-2008, 13:53.
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