Da questo articolo inizia un interessante corso rivolto all’elettronica di potenza. Essa è un settore estremamente importante che oggi è in continua evoluzione. La gestione dell’energia, infatti, è un fattore sempre più critico e l’aumento delle efficienze in tutti i dispositivi, assieme alla sicurezza, è un obbligo per salvaguardare anche il pianeta. Gli argomenti trattati nel corso abbracciano un ampio ventaglio di settori, tutti trattati con semplicità e chiarezza, assieme a tante spiegazioni tecniche, concetti matematici, diagrammi e simulazioni elettroniche.

Introduzione

La corrente elettrica è il movimento e lo spostamento delle cariche elettriche in modo ordinato, in uno spazio conduttore. Quest’ultimo è in genere di metallo come, per esempio, il rame, l’argento, l’alluminio o l’oro. Tale movimento si verifica grazie alla presenza della eventuale differenza di potenziale tra un terminale e l’altro (tensione elettrica). Se i potenziali elettrici tra i due estremi del circuito sono uguali, gli elettroni sono caratterizzati da un movimento disordinato e in tutte le direzioni, a causa della agitazione termica. In questo caso il loro moto non procura alcun effetto termico e si comportano come l’acqua tranquilla in un laghetto. Se, invece, tra i due estremi si collega una batteria carica, lo spostamento degli elettroni diventa ordinato perché si crea una differenza di potenziale all’interno del circuito. Gli elettroni si muovono organizzati e ordinati, a grande velocità, per ristabilire l’equilibrio nel sistema, dal polo negativo al polo positivo, da un atomo all’altro, proprio come il flusso forzato di acqua all’interno di un tubo. Per convenzione si usa il verso della corrente elettrica, dal polo positivo a quello negativo. Una delle caratteristiche più importanti della corrente elettrica è la quantità che attraversa un certo spazio nel tempo, ossia la quantità di elettroni che passa in un conduttore in un determinato intervallo di tempo. Nel sistema internazionale l’unità di misura della corrente è l’Ampere (A). La misura di 1 A equivale al passaggio di circa 6.28*10^18 elettroni per ogni secondo, in un filo conduttore, secondo la seguente relazione:

Quando la corrente scorre in un conduttore, viene prodotto del calore, poiché ogni conduttore offre una certa resistenza al flusso di corrente. La potenza dissipata (e inutilizzata) deve essere smaltita attraverso ottimi sistemi di raffreddamento, solitamente pesanti, ingombranti e costosi. Conoscere l’amperaggio della corrente, pertanto, è molto importante poiché più ampere fluiscono nel conduttore e più calore viene prodotto (vedi in figura 1). E’ molto semplice sperimentare questo effetto di riscaldamento toccando il cavo di un dispositivo elettrico robusto come, ad esempio, un forno elettrico o una lavatrice. La misura della produzione di calore consente di dimensionare opportunamente le dimensioni e le sezioni dei fili elettrici, al fine di evitare un surriscaldamento o, addirittura, un incendio nel caso che il conduttore non sopporti la quantità di corrente in transito. La figura mostra due conduttori elettrici. Quello in basso è attraversato da pochi elettroni e la sua temperatura di funzionamento è alquanto bassa. Quello in alto è attraversato da molti elettroni e la sua temperatura di funzionamento è molto alta. In questo caso il progettista deve intervenire subito per modificare il circuito oppure per dimensionare diversamente il sistema delle connessioni.

L’elettronica di potenza

Una delle caratteristiche fondamentali di un sistema elettronico di potenza è quella di operare con un rendimento energetico molto elevato. Non si può parlare di correnti, di tensioni, di potenza e di resistenza se non si hanno ben chiari i concetti matematici che legano tutte le grandezze. La famosa legge di Ohm lega tra loro tutti i parametri elettrici coinvolti nel funzionamento del circuito elettrico e sarebbe impossibile ignorare le formule che stanno alla base del calcolo e del dimensionamento dei componenti elettrici.

La legge di Ohm è una formula che descrive il rapporto tra le grandezze fondamentali che intervengono nei circuiti elettrici, ovvero la tensione, la corrente, la resistenza e la potenza all’interno di un circuito elettrico e non si può fare a meno di essa. L’elettronica di potenza è un settore dell’elettronica generale e studia le metodologie di gestione della corrente elettrica quando essa è superiore a 5-10 Ampere. In altre parole, se si deve realizzare un piccolo amplificatore che tratta deboli correnti di pochi milliampere, non si deve ricorrere all’elettronica di potenza. Viceversa, se si deve realizzare un alimentatore che possa erogare correnti di 20 o 30 Ampere, allora si può parlare di elettronica di potenza. La figura 2 mostra due diversi schemi elettrici di principio. Quello di sinistra è relativo a un sistema di illuminazione di 15 diodi Led attraverso il collegamento diretto alla rete elettrica casalinga di 230 VAC. Tale sistema, pur funzionando a una tensione piuttosto alta, non è un circuito di potenza perché in esso transitano solo pochi milliAmpere di corrente. Viceversa, il circuito di destra è una soluzione ad alta potenza, poiché si riferisce a un alimentatore elettrico che riesce a fornire una corrente di 20 Ampere, pur lavorando a bassa tensione.

Ultimamente il concetto di elettronica di potenza si è evoluta e, oggi, essa è legata anche alle tecnologie associate alla conversione di potenza, al suo controllo e alla relativa efficienza. Tale settore è anche strettamente legato a tutti i sistemi elettrici ed elettronici adatti alla trasformazione dell’energia. Lo studio dei circuiti che viene condotto nell’elettronica di potenza ha l’obiettivo principale della efficienza. L’energia oggi è una risorsa molto preziosa ed essa deve essere utilizzata nel modo meno dispendioso possibile. Proprio per questo motivo le dissipazioni di calore e le perdite di potenza, nei dispositivi elettronici, devono essere ridotte al minimo. In altre parole, l’energia che viene trasferita dall’ingresso all’uscita del dispositivo non dovrebbe subire riduzioni e diminuzioni. Le applicazioni dei sistemi di elettronica di potenza sono sempre più numerose e abbracciano diversi settori. I convertitori DC/DC, AC/DC, AC/AC, UPS, i carica batterie, gli alimentatori, sono solo alcuni esempi nei quali entrano in gioco anche i concetti di correzione del fattore di potenza e di isolamento. Nelle aziende, nelle fabbriche e anche nelle abitazioni vi sono molti dispositivi che assorbono una grande quantità di energia. Essi devono essere progettati nel migliore dei modi, per poter assicurare grande sicurezza e affidabilità ma, soprattutto, per superare le specifiche imposte dagli enti governativi e di controllo, al fine di ottenere le certificazioni. Si tratta, ad esempio, di dispositivi preposti al riscaldamento o alla refrigerazione dell’ambiente, alla illuminazione, ecc. Lo scopo dell’elettronica di potenza è quello di consentire un risparmio di energia elettrica, riducendo i costi operativi e migliorando la sicurezza dell’impianto elettrico.

L’efficienza di un circuito

Nell’elettronica di potenza, un dispositivo con una efficienza del 100% riesce a utilizzare tutta l’energia disponibile senza sprechi. Invece, un dispositivo con una efficienza del 45% riesce a utilizzare meno della metà della potenza assorbita dal generatore e la rimanente parte è persa in calore inutilizzato. Ovviamente esistono applicazioni nelle quali i dispositivi devono produrre calore, come i forni di cucina e i riscaldatori. L’uso efficiente dell’energia è un fattore chiave nella maggior parte delle applicazioni. Una efficienza maggiore del 95% porta a ottimi risultati, ma i moderni dispositivi permettono efficienze ancora più alte. Maggiore è l’efficienza del circuito e minore è lo spreco di energia, che causa una emissione di calore e una riduzione della vita media dei componenti elettronici. Al fine di minimizzare le perdite energetiche, i dispositivi e i componenti elettronici utilizzati in un circuito di potenza sono utilizzati come interruttori elettronici, in modalità switching e ad alta frequenza, al fine di ridurre al minimo la dissipazione di potenza. Nei convertitori di potenza molto elevata, anche una piccola percentuale di miglioramento dell’efficienza si traduce in un enorme risparmio energetico, per un risultato finale a favore dell’ambiente e della sostenibilità. L’efficienza può essere calcolata facilmente con il rapporto percentuale della potenza di uscita diviso per la potenza d’ingresso. La formula fondamentale per il calcolo dell’efficienza di un circuito è la seguente:

Con una efficienza alta, i componenti elettronico lavorano meglio, con una minore dissipazione di calore e una maggiore affidabilità e sicurezza. Il grafico di figura 3 mostra come le scoperte di nuovi materiali possano aumentare l’efficienza dei dispositivi. Si tratta, ovviamente, di una statistica che non preclude eventuali risvolti tecnologici per le nuove scoperte future. Gli studi odierni promettono l’utilizzo di nuove tecnologie atte a ridurre anche l’ingombro e il peso dei componenti, fattore essenziale specialmente nel settore automotive, spaziale e medico. Gli anni futuri saranno cruciali e, ovviamente, le aziende procederanno a passi sempre più piccoli, in quanto le soluzioni si avvicineranno sempre più alla perfezione. La tecnologia è in costante ricerca di materiali che possano fornire la minore resistenza possibile agli elettroni. Solo in questa maniera si possono ottenere sistemi più performanti e affidabili.

Conclusioni

Si conclude la prima puntata del corso, anticipando che nei successivi articoli saranno esaminati tanti aspetti dell’elettronica di potenza. Come detto nell’introduzione la corrente elettrica è un passaggio ordinato di elettroni. Tale passaggio è analogo sia per una corrente di 10 mA che per una corrente di 80 A. Cambia solamente il numero di elettroni coinvolti nel flusso, proprio come avviene per il passaggio di acqua in un tubo di plastica. Gli effetti che ne scaturiscono, però, sono alquanto differenti. Il limite tra un circuito a bassa e alta corrente è abbastanza sottile e, come si è detto prima, esso si attesta intorno ai 5-10 Ampere. L’elettronica di potenza attuale di oggi è molto performante grazie al progresso tecnologico dei materiale di questi ultimi anni. Il GaN e il SiC hanno contribuito senz’altro a migliorare significativamente il settore, sia in termini di maggiore conducibilità elettrica che in termini di velocità operativa e di commutazione. Assieme al grafene, essi danno un valido contributo alla ottimizzazione del consumo energetico. Le innovazioni sono utilizzate in tanti settori e l’elettronica di potenza ha un ruolo estremamente importante nell’immediato futuro.