Da come hai posto la domanda, credo che sia necessario puntualizzare alcuni aspetti di uno switching. La teoria che ci sta dietro è complessa e creco di darti un'idea intuitiva di cosa fa uno switching senza trattare rigorosamente la struttura.
Prendo come esempio un buck (ossia un convertitore step-down non isolato) di figura.
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Di fatto puoi vedere che il convertitore è realizzato da una
zona di switch (formata dall'interruttore e il diodo) e
una zona di filtro (formata dagli elementi L e C). La sezione di switch provede a formare un'onda quadra ai capi dell'elemento LC con un'opportuno duty cycle. Infatti, dato il tempo
di commutazione, per un periodo
l'interruttore rimane chiuso, mentre per il rimanente periodo
l'interruttore si apre e per la presenza del'induttore si chide il diodo. In poco parole abbiamo una bella onda quadra con un suo duty cycle ai capi dell'elemento di filtro LC: si può dimostrare che questa tensione possiede un valore medio ( perché è compresa fra 0 e
) e possiede armoniche ai multipli della frequenza di switch
.
Se ora dimensioniamo opportunamente l'elemento LC, tale per cui la frequenza di taglio di questo filtro sia molto inferiore di
, allora riduciamo notevolmente le ampiezze delle armoniche a
e multipli mantenendo intatto il valore medio (diciamo per farti capire, la componente a bassissima frequenza). Quindi in uscita del filtro troviamo una tensione continua (la componente media) e una piccola oscillazione residua (il ripple) dovuto al fatto che il filtro non è in grado di eliminare completamente le armoniche alle frequenza alte.
Il valor medio della quadra generata dalla sezione di switch è data da
dove con D indichiamo il duty cycle. Quindi, in primissima approssimazione abbiamo un circuto che mi porta in uscita una tensione (continua a meno di un ripple) che dipende dalla tensione di ingresso e dal duty cycle con cui piloto l'interruttore.
Per le tipologie isolate, l'idea rimane uguale solo che abbiamo un rapporto spire di mezzo. Inoltre, è possibile costruire topologie che invece di abbassare (come questa) la tensione di uscita la alzano (tipo i covertitori boost)... ma questo è un altro discorso.
Allora potresti chiederti
ma chi me lo fa fare di creare un circuito così complesso per ottenere una tensione stabilizzata di uscita? Non bastano i regolatori lineari?La risposta è molto semplice. Mentre per i regolatori lineari l'idea è di anteporre un elemnto che si occupa di dissipare l'energia in ecesso assorbita dall'alimentazione, lo switching, almeno in prima approssimazione, assorbe l'energia che serve al carico e la "trasforma" secondo le esigenze di quest'ultimo. Questo comporta un notevole aumento dei rendimenti di questi circuiti.
E allora come scegliere la frequenza di switch?Capirai che a frequenze di switch alte, gli elementi che filtrano sono più piccoli, più facili da realizzare e quindi il filtraggio è migliore. Tuttavia, gli interruttori (che vengono fatti con semi conduttori quali MOSFET, IGBT, ecc) e lo stesso diodo hanno limiti di frequenza e tensioni e correnti sopportate contrapposti. In generale un componente che va più veloce sopporta meno corrente mentre quelli che sopportano alte tensioni e correnti normalmente vanno meno veloci...
Da queste poche parole spero tu possa chiarire il funzionamento di questi circuiti.
Spero di esserti stato d'aiuto!
Inviato: 29 ott 2009, 10:17
