Convertitore DC-DC: differenze tra le versioni
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Versione delle 14:16, 22 set 2008
In ingegneria elettronica, un convertitore DC-DC è un circuito che converte una sorgente di corrente continua da una tensione a un'altra. Costituisce una classe di convertitori di potenza.
Utilizzo
I convertitori DC-DC sono importanti negli strumenti elettronici mobili come i telefoni cellulari e i computer laptop, che sono alimentati da batterie. Tali strumenti elettronici spesso contengono diversi sottocircuiti, in cui ognuno necessita di un livello di tensione differente da quella fornita dalla batteria (tipicamente più alta o più bassa della tensione della batteria, e qualche volta anche tensioni negative). Inoltre, la tensione della batteria diminuisce man mano che la potenza viene prelevata. I convertitori DC-DC offrono un metodo di generare diversi livelli di tensione controllati a partire da una batteria a tensione variabile, risparmiando in tal modo spazio ed evitando di utilizzare molte batterie per fornire energia alle diverse parti dello strumento.
Metodi di conversione
Lineare
Il più semplice metodo per convertire una tensione in un'altra tensione è un circuito chiamato partitore di tensione. Questa tecnica utilizza resistori in serie con un generatore di tensione per fornire una tensione più bassa. Comunque, questo metodo presenta alcuni problemi:
- non consente una regolazione efficiente della tensione; infatti, anche se la regolazione è possibile con l'uso di un reostato, questo richiede che una parte della potenza sia dissipata dal reostato stesso;
- richiede comunque la conoscenza della resistenza del carico;
- offre poca efficienza, il che porta anche a un eccesso della dissipazione del calore;
- essendo un circuito lineare risulta impossibile generare tensioni più alte di quella della batteria (teorema di non amplificazione di tensione);
- tensioni negative possono essere generate solo se la massa è un nodo interno nella rete dei resistori.
Ogni tipo di regolatore di tensione risolve i primi due problemi, mentre i regolatori lineari presentano gli ultimi tre problemi.
Metodo di conversione a switch
I convertitori elettronici a switch DC-DC sono disponibili per convertire un livello di tensione in un altro. Questi circuiti, molto simili agli alimentatori switching, tipicamente compiono la conversione applicando tensione continua DC su un induttore per un periodo di tempo (di solito in un range di fequenza da 100 kHz a 5 MHz) nel quale scorre una corrente elettrica così da immagazzinare energia magnetica, quando viene tolta la tensione si trasferisce l'energia immagazzinata come tensione d'uscita del convertitore in maniera controllata.Agendo sul rapporto di on/off time, detto anche duty cycle, la tensione d'uscita rimane regolata anche se la corrente d'uscita cambia. Questo metodo di conversione è molto efficiente (compreso tra 80% e il 95%) a differenza del metodo lineare che dissipa potenza. Grazie all'elevata efficienza si aumenta la durata delle batterie dei dispositivi portatili. Uno svantaggio dei convertitori a commutazione è il rumore elettrico generato alle alte frequenze che comunque può essere limitato con appositi filtri.
I convertitori DC-DC isolati si basano sullo stesso principio di funzionamento ma mantengono isolati elettricamente ingresso e uscita tramite un trasformatore di isolamento. Ciò permette di avere differenti tensioni tra ingresso e uscita anche notevoli nell'ordine delle centinaia o migliaia di volt. Possono essere delle eccezioni rispetto alla definizione dei convertitori di DC-DC in quanto la loro tensione dell'uscita è spesso (ma non sempre) la stessa della tensione in ingresso.
Un convertitore DC-DC con uscita in corrente accetta una potenza continua in ingresso e produce in uscita una corrente costante, mentre la tensione d'uscita dipende dalla impedenza del carico.
Le varie topologie dei convertitori DC-DC possono generare varie combinazioni di tensioni. Alcuni nomi di convertitori a seconda della topologia sono:
- Buck
- Boost
- Buck-boost
- Inverter
- Forward
- Convertitore Flyback
- Push-pull
- Half bridge
- Full bridge
- Ćuk
- SEPIC
In generale, il termine "convertitore DC-DC" si riferisce a uno di questi convertitori a commutazione.
I convertitori DC-DC a commutazione sono disponibili con una grande varietà di ingressi e uscite di tensioni fisse o variabili.
I convertitori DC-DC sono ora disponibili come circuiti integrati che necessitano di pochi componenti esterni per costruire un convertitore completo. I convertitori DC-DC sono anche disponibili come circuiti ibridi completi, pronti all'uso.
Elettrochimica
Un altro uso dei convertitori DC-DC nel range di potenza dai kW ad alcuni MW è rappresentato nelle redox flow batteries come le vanadium redox battery, anche se queste tecniche non sono state commercialmente applicate.