Comprensione della corrente alternata (CA) nella progettazione degli alimentatori
Per progettare un alimentatore che utilizza corrente alternata (AC), è necessario innanzitutto determinare la corrente di ingresso. La maggior parte delle fonti di alimentazione della rete sono CA, che tipicamente presentano una forma d'onda sinusoidale.
Figura 1: forma d'onda CA e parametri chiave
Quando si lavora con AC, è necessario considerare i seguenti parametri:
Tensione/corrente di picco: L'ampiezza massima della forma d'onda.
Frequenza: Il numero di cicli della forma d'onda al secondo. Il tempo per un ciclo completo è chiamatoperiodo.
Tensione/corrente media: Il valore medio di tutti i punti di tensione in un ciclo. In una forma d'onda CA pura senza offset CC, questo valore è zero perché le metà positiva e negativa si annullano a vicenda.
Tensione/corrente RMS (valore quadratico medio).: Il valore quadratico medio dei valori di tensione istantanei su un ciclo. Per un'onda sinusoidale CA pura, questo può essere calcolato utilizzando la formula.
RMS è equivalente alla potenza CC richiesta per produrre lo stesso effetto di riscaldamento. Questa definizione, sebbene complessa, fornisce il "valore effettivo" della CA ed è ampiamente utilizzata nell'ingegneria elettrica, spesso indicata come VAC.
Fase: La differenza angolare tra due forme d'onda. Un ciclo CA completo si estende su 360 gradi, con picchi a 90 gradi (positivo) e 270 gradi (negativo) e passaggi per lo zero a 180 gradi e 360 gradi.
Se due forme d'onda vengono tracciate insieme e una raggiunge il picco positivo mentre l'altra raggiunge il picco negativo (ad esempio, 90 gradi contro . 270 gradi), hanno una differenza di fase di 180 gradi e vengono definite fuori fase. Una differenza di fase di 0 gradi indica che le forme d'onda sono in fase.
CA nella trasmissione di potenza
La CA è il metodo principale per trasmettere l'elettricità dalle centrali elettriche agli utenti finali. Questo perché la corrente alternata consente un'efficiente trasformazione della tensione durante la trasmissione.
Le centrali elettriche generano elettricità a ~40.000 V (40 kV), che viene poi aumentata150–800 kVper trasmissioni a lunga-distanza per ridurre al minimo le perdite resistive.
In prossimità della destinazione la tensione viene ridotta a4–35 kV, e infine a120 V o 240 Vper uso residenziale.
La corrente continua non può facilmente ottenere tali trasformazioni di tensione, poiché i trasformatori lineari (che si basano sulle fluttuazioni di tensione) funzionano solo con la corrente alternata.
Alimentatori lineari CA/CC
Un alimentatore lineare AC/DC segue questi passaggi:
Figura 2: diagramma a blocchi funzionale
Trasformatore-abbassatore: Riduce la tensione di ingresso CA.
Rettifica: Converte la corrente alternata in corrente continua pulsante.
Filtraggio: Rende più uniforme la forma d'onda DC.
Vantaggi: Design semplice, maturato nel corso di decenni con efficienza e gamma di potenza migliorate.
Limitazioni:
Misurare: Il funzionamento a bassa-frequenza (ad es. 50 Hz) richiede trasformatori grandi e pesanti per trasferire l'energia tra le bobine primarie e secondarie.
Regolazione della tensione: I regolatori lineari dissipano l'energia in eccesso sotto forma di calore. Ad alta potenza, ciò richiede enormi dissipatori di calore, rendendo impraticabile la gestione termica.
Alimentatori a commutazione CA/CC-
Per risolvere i limiti dei progetti lineari, sono stati sviluppati gli alimentatori a commutazione-mode:
Rettifica/filtraggio degli ingressi: La CA viene convertita direttamente in CC.
Circuito chopper: converte la corrente continua in impulsi ad alta-frequenza.
Trasformatore-abbassatore: utilizza un trasformatore compatto ad alta-frequenza.
Rettifica/filtraggio dell'uscita: Produce DC stabile.
Vantaggi:
Dimensioni compatte: Il funzionamento ad alta-frequenza consente trasformatori più piccoli.
Alta efficienza: Perdita di energia minima rispetto ai design lineari.
Gestione termica: La ridotta dissipazione del calore elimina gli ingombranti dissipatori di calore.
Sfide:
Rumore: la commutazione ad alta-frequenza introduce interferenze elettromagnetiche (EMI), che richiedono un filtraggio avanzato.
Complessità: I circuiti di controllo sono più sofisticati ma gestibili con moderni componenti integrati.
Riepilogo
Gli alimentatori CA/CC sono onnipresenti e convertono la CA in CC stabile per i dispositivi elettronici. Punti chiave:
Trasmissione CA e CC: La corrente alternata domina le reti grazie all'efficiente trasformazione della tensione.
Sistemi mono-fase e trifase-:
Monofase-: più semplice, sufficiente per le famiglie.
Trifase-: fornisce potenza elevata e stabile per applicazioni industriali.
Evoluzione del design:
Forniture lineari: Limitato per dimensioni ed efficienza ma semplice.
Forniture in modalità-cambiabile: Compatto, efficiente e dominante nelle applicazioni moderne.
