Interruttori/Switch - Circuito equivalente

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Salve a tutti, avrei bisogno di trovare una buona spiegazione sul funzionamento di uno switch, con tanto di circuito elettronico equivalente e magari qualche esempio pratico. Potete suggerirmi qualche pdf o riferimento bibliografico col qusale farmi una cultura?

[Candy]

Forse è il caso che tu prima ci dica di cosa stai parlando, perché dietro al termine switch c'è mezzo mondo.

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Appunto, a me servirebbe conoscere i fondamenti: ho sempre conosciuto "l'interruttore" come il componente circuitale che apre/chiude un circuito. Vorrei farmi un'idea di un circuito equivalente composto da elementi fondamentali che permetta di ricostruirne il comportamento.

[g.schgor]

Lo switch è più propriamente un commutatore
che diventa "interruttore" nella variante "chiuso/aperto".
Definire l'equivalente elettronico di un interruttore
non è semplice: mentre un contatto meccanico è
indifferente al tipo di segnale che lo attraversa, non è
così per un componente elettronico, che spesso è
polarizzato, cioè permette il passaggio della corrente
in un solo verso.
Questo è ad es. il caso del transistor, che ha anche
l'inconveniente di non essere isolato dall'alimentazione
del segnale stesso.
L'elenco dei componenti elettronici che possono fungere
da interruttori è ormai vasto, ed in ogni caso vanno
valutate attentamente le singole caratteristiche prima di
procedere al loro impiego.

[BrunoValente]

Un interruttore meccanico non ha veri equivalenti elettronici: vi sono svariati componenti elettronici e anche circuiti più o meno complessi che in qualche modo e solo in particolari condizioni, simulano un vero interruttore.
Anche i diodi in particolari condizioni si comportano ottimamente da interruttori e riescono a farlo a velocità impensabili per gli interruttori meccanici (svariati ordini di grandezza sopra). Questo non significa affatto che un interruttore meccanico possa essere sostituito da un diodo.

[carloc]

Un interruttore dal punto di vista ideale è qualcosa che chiude o interrompe un circuito...

per entrare più nei dettagli dell'oggetto reale è essenziale capire di che ambito stai parlando...

da elettronico mi verrebbe in prima battuta di cominciare a mettere degli elementi parassiti nel circuito equivalente.... ma se qualcuno di questi sia o meno significativo dipende molto da quello che stà facendo l'interruttore, dal circuito che gli stà intorno, dai segnali che manipola...

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all'interruttore ideale comincerei a mettere una resistenza di isolamento in parallelo (quando è aperto non è vero che ha resistenza infinita... centinaia di Mohm magari dièpendenti da umidità e temperatura...

poi una resistenza serie... quando è chiuso non è vero che ha resistenza zero ( mohm magari dipendente dalla temperatura...)

se poi sali un po' di frequenza cominceranno a diventare significativi anche i parametri reattivi...

una capacità di isolamento (quando è aperto) ed una inevitabile induttanza serie dovute alla costruzione fisica dell'interruttore...

Ma questo è solo l'inzio... si dovrebbe modellare i rimbalzi (veloci aperture e chiusure durante la commutazione)... lo stesso fenomeno della "vibrazione" dei contatti provoca probabilmente anche delle variazioni della resistenza serie prima di assestarsi ad un valore...

magari poi si introduce del rumore come variazione della resistenza di contatto...

etc etc...insomma ci sono svariati aspetti, molti dei quali neanche poi semplici da modellare ed analizzare...

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Grazie ragazzi, le vostre risposte (molto diverse, ma tutte pertinenti) mi hanno fatto prima di tutto capire la complessità della mia domanda, e mi hanno poi dato alcune parole chiave utili per una piccola ricerca su ciò che mi interessava capire.

Nello specifico, a me interesserebbe capire la composizione di un circuito di componenti ELETTRONICI REALI (transistor, diodi, resistori) che si comportano quanto più possibile come un interruttore ideale (analogico o digitale). Il circuito disegnato da carloc evidenzia quelle che sono le differenze tra un interruttore reale ed un ideale, che mi sembrano molto importanti. Ora vorrei cercare di capire su un componente fisico come si traducono questi scostamenti dal componente ideale e soprattutto come possono essere minimizzati.

Ho dato un'occhiata al mio libro di elettronica e mi sono fatto un poco un'idea dei MOSFET utilizzati come interruttori analogici. Ho quindi guardato un po' NMOS, PMOS e CMOS. Adesso vorrei proseguire da questo punto.

[IsidoroKZ]

Certo che sapere che cosa stai studiando potrebbe aiutare a graduare la risposta. Se sei alle superiori la spiegazione che segue e` probabilmente troppo astratta, mentre se sei all'universita` potrebbe essere troppo semplicistica. Per mal che vada la trasformo in un articolo!
Quello che segue e` visto nell'ottica dell'elettronica di potenza. Per l'elettronica di segnale e integrata la scelta di dispositivi e` limitata a bipolari, jfet e MOS simmetrici, in cui source e drain sono identici e i terminali possono essere scambiati.

Un interruttore ideale quando e` aperto puo` avere ai suoi capi una tensione di entrambe le polarita`, positivo su un lato oppure negativo sullo stesso lato. Riesce cioe` a isolare una tensione alternata, senza far passare corrente dispersa. In questo caso si parla di interruttore bipolare in tensione.

Un interruttore ideale chiuso fa passare corrente in entrambi i versi, puo` portare una corrente alternata, senza far cadere tensione ai suoi capi. In questo caso si parla di interruttore bidirezionale in corrente.

Questa e` la rappresentazione nel piano tensione corrente di un interruttore ideale, anche detto a 4 quadranti.

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Un interruttore ideale puo` essere chiuso e aperto a comando in qualunque momento.

Quando si fa un interruttore con un dispositivo elettronico bisogna guardare quali delle caratteristiche dette prima vengono rispettate. Di interruttori elettronici ce ne sono svariati, solo per restare nello stato solido diodi, transistori bipolari, scr, triac, MOS, gto, igbt e svariati altri. Poi ci sono anche dei circuiti che emulano degli interruttori piu` o meno ideali.

Il diodo e` un interruttore unipolare in tensione e unidirezionale in corrente comandato dal circuito. Il diodo puo` sostenere ai suoi capi solo una polarita` di tensione e puo` portare corrente in una sola direzione. Sul piano V-I, trascurando cadute di tensione dirette e correnti inverse, e` una cosa del genere

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Il transistor bipolare e` un interruttore unipolare in tensione e unidirezionale in corrente, e che puo` essere acceso e spento a comando. Non puo` portare corrente "a rovescio" e neppure sostenere tensioni di segno opposto a quello suo normale. Le sue caratteristiche idealizzate V-I sono in figura:

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Il diodo controllato, SCR, parte della famiglia dei tiristori e` un diodo "distratto". Se non gli si dice nulla, lui rimane aperto indipendentemente dalla tensione applicata ai suoi capi. E` quindi un interruttore bipolare in tensione. Se gli si ricorda che e` anche un diodo, dandogli un comando sul gate, se la tensione e` nel verso giusto il diodo si accende e conduce, spegnendosi solo quando la corente attraverso l'SCR cerca di invertire segno. A quel punto torna a essere un circuito aperto fino al prossimo comando di accensione.

Questo dispositivo e` stato fondamentale nell'elettronica di potenza, l'ha fatta nascere e sviluppare. Ultimamente sta perdendo terreno rispetto all'iIGBT, ma i sistemi piu` grandi sono ancora fatti a SCR. La sua caratteristica tensione corrente e` in figura:

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Il TRIAC si comporta circa come due SCR in antiparallelo: e` un interruttore che da spento puo` isolare tensioni di ambedue le polarita` e quando e` acceso puo` far passare corrente in entrambe le direzioni, e` quindi un interruttore che lavora su quattro quadranti, bipolare in tensione e bidirezionale in corrente. Puo` essere acceso in qualunque momento, ma, come l'SCR, si spegne solo quando la corrente che lo attraversa va a zero.

Sembrerebbe quasi un componente ideale, in realta` il suo problema e` quello di essere un componente molto lento, adatto solo alla frequenza di rete e per piccole potenze. E` utilizzato praticamente solo nei dimmer. La sua caratteristica tensione corrente e` in figura:

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Il MOS di potenza, dispositivo verticale, e` un transistore che ha intrinseco un diodo collegato fra source e drain: per questa ragione e` asimmetrico, non si possono scambiare source e drain. Questo dispostivo, estremamente veloce, puo` portare corrente in entrambe le direzioni, ma puo` sostenere una tensione ai suoi capi solo con una polarita`, perche' quando la polarita` si inverte, il suo diodo in parallelo va in conduzione. Il MOS puo` essere acceso e spento in qualsiasi momento con un comando sul gate. E` un dispositivo estremamente veloce ad accendersi e spegnersi, e dopo l'SCR e` stata la seconda rivoluzione nell'elettronica di potenza. La sua caratteristica V-I e` in figura:

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Il GTO (Gate Turn Off) e` una evoluzione dell'SCR, rispetto a questo ha in piu` la capacita` di essere spento a comando, anche se il circuito di spegnimento non e` proprio semplicissimo perche' si deve estrarre dal gate una corrente che e` dalle parti di meta` della corrente che il GTO sta conducendo. Questo dispositivo sta perdendo terreno rispetto all'IGBT, e` utilizzato ad esempio nella trazione di tram/metropolitane. Era un po' piccolo per essere usato su locomotive di elevata potenza. Ci sono due tipi di GTO, quello asimmetrico che non puo` tenere tensione inversa (come un transistore bipolare) e quindi lavora su un solo quadrante, e quello simmetrico, S-GTO, analogo a un SCR, bipolare in tensione, quindi su due quadranti. La sua caratteristica tensione corrente e` in figura:

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L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) e` attualmente il miglior dispositivo per l'elettronica di potenza nel campo delle medie e alte potenze. L'IGBT da solo lavora solo su un quadrante come il transitore bipolare, ma e` decisamente piu` facile da pilotare (come un MOS), piu` veloce di un bipolare, puo` raggiungere taglie dell'ordine di svariati kilovolt e kiloampere! Attualmente praticamente tutti gli azionamenti utilizzano gli IGBT. Solo a bassa tensione (<100V circa) l'IGBT cede il passo al MOS.

Molto spesso nello stesso case dell'IGBT e` montato un diodo in antiparallelo: in questo modo il dispositivo diventa analgo a un MOS: bidirezionale in corrente e unipolare in tensione. La sua caratteristica e` in figura (niente simbolo in FIdocaDJ)

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Esistono, come dicevo prima, dei circuiti che cercano di emulare un interruttore bi- bi-, che lavori su 4 quadranti. Due possibili circuiti, che possono anche essere fatti con IGBT, sono i seguenti:

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[RenzoDF]

etc etc...insomma ci sono svariati aspetti, molti dei quali neanche poi semplici da modellare ed analizzare...

Per esempio l'arco elettrico fra i contatti

BTW visto che IsidoroKZ ha in sostanza gia' scritto l'articolo sugli interruttori elettronici, non c'e' qualche "elettrotecnico" di buona volonta', disposto a scrivere un bell'articolo anche su quelli elettrici

[Structure]

Isidoro, non ti conosco, ma ti adoro già.

Io studio ing. meccanica; come a dire che gli strumenti non mi mancano, ma sul campo dell'elettrotecnica/elettronica sono abbastanza una capra. Intanto ti ringrazio moltissimo per la tua risposta completa e ordinata. Adesso mi studierò un po' più a fondo ciascuno degli elementi che hai descritto e tornerò in questa discussione con qualche altro bel dilemma esistenziale.