Progetto e realizzazione di circuiti per la comunicazione

Alimentazione elettrica
delle schede
Normativa
Alimentazione
delle schede
Caratteristiche
Da rete
Batterie
Switching o a
Commutazione
Tecnologia
lineare
Non
Ricaricabili
Ricaricabili
Effetto memoria
Componenti
tradizionali
Componenti
tradizionali
Oscillatore
Sistema di alimentazione
CPA
Sistemi a μprocessore L-S
DPA
M. Di Vincenzo
POL
Prof. Riccò Bruno
Caratteristiche di un’alimentazione
elettrica
Caratteristiche tecniche:








Sistema di distribuzione
Tensione di esercizio
Tipologia della tensione (CC, CA, impulso, rampa, onda quadra, sinusoidale, etc)
Frequenza di esercizio (se alternata)
Potenza nominale erogabile
Caduta di tensione ammissibile nel punto di consegna
Corrente di corto circuito nel punto di consegna
Range di tolleranza (in %) sul valore della tensione nominale, solitamente ± 5%
Caratteristiche qualitative:
Continuità
Autonomia
Stabilità
Pulizia della rete espressa in % (contenuto armonico THD)
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
affidabilità
efficienza
sicurezza
Prof. Riccò Bruno
Riferimenti normativi
Direttiva bassa tensione (CEE 73/23 aggiornata dalla CEE 93/68) Normativa CEI 64-8 parte 4
BASSA TENSIONE
50 e 1000 V in AC
75 e 1500 V in CC
Es. tensione domestica (230V)
industriali (400V)
SELV
BASSISSIMA TENSIONE
FELV
(Safety Extra Low Voltage):
(di categoria zero)
(Functional Extra Low Voltage):
fonte autonoma (batteria)
trasformatore con 2 isolamenti
no collegamento verso terra
isolamento da ogni altro circuito
no spina a prese di altro sistema
V < 50 V in AC
V < 120 V inCC
no rischio di folgorazione
un punto del circuito
connesso al potenziale
di terra
PELV
(Protective Extra Low Voltage):
tensioni nominali da bassissima tensione
no isolamento da sistemi in bassa tensione.
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Adattatore (Alimentatore)
Caratterizzazione
Distorsione
Potenza gestita
Da laboratoro(Tensione di uscita regolabile)
Uscite multiple(es.notebook3.3, 5, 12, -5, -12 V. )
Fattore di regolazione(immunità ai disturbi)
Rendimento energetico
Tecnologia
Tradizionale o lineare
Switching
Potenza limitata-basso costo
Costi più elevati
 Basso rendimento
 Sviluppo di calore
 Incremento di dimensioni e peso
Proporzionale alla potenza
 Utilizzabili in laboratorio
trasformatore
Sistemi a μprocessore L-S
Raddrizzatore
M. Di Vincenzo
 Basso rendimento
 minore calore prodotto
 Minore ingomro e peso
 Non utilizzabili in laboratorio
 Elevato ripple
Filtro
livellatore
Regolatore
Prof. Riccò Bruno
Trasformatore
E’ una macchina elettrica statica (famiglia dei convertitori) Riduce la tensione proveniente
dalla rete elettrica per avvicinarla al valore richiesto dal carico da servire
E valore efficace
Em ampiezza massima
Riluttanza del nucleo non nulla
Perdite nel nucleo non nulle
Flussi di dispersione
Resistenza degli avvolgimenti non nulle
Sistemi a μprocessore L-S
 ↓↓ numero di avvolgimenti
 Nucleo :lunghezza ↓↓ Resistenza↑↑
 ↓↓ Forza coecitiva
 lamierini di acciaio magnetico al silicio
 Trade off: η↑dimensione↑potenza↑calore↑
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Raddrizzatore
Raddrizza segnale bipolare in segnale polare, il sistema di regolazione può essere primario o
secondario, TRIFASE o ESAFASE per mezzo di diodi SCR (TIRISTORI) oppure
SWICHING a semiconduttori BIPOLARI, MOS o CMOS.
Raddrizzatore ad una semionda
Rendimento energetico. é la percentuale di energia
erogata in uscita rispetto all'energia consumata
Stabilità in tensione é indicata in mV (millivolt) oppure
in V (volt) riferiti ad una variazione di carico
Raddrizzatore a doppia semionda
Raddrizzatore a ponte di Graetz
Ripple. ondulazione residua, é indicato
in % (percentuale) sulla tensione d'uscita.
Ripetibilità e stabilità in temperatura indicato come errore
in mV e in mV/°C, assicurano trattamenti di qualità costante
nel tempo, all'inizio e alla fine dei turni e in stagioni diverse.
Rispondenza alle normative.
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Stabilizzatore-DC/DC
V costante nel tempo
V entro stretta tolleranza
Diminuzione V applicata
Aumento di I sul silicio
Condensatori ceramici
transistor Mosfet.
un diodo zener in polarizzazzione inversa
integrato identificabile con la sigla 70xx
DPA
DC/DC su ogni scheda
prestazioni
ingombro
↓↓R di conduzione
↓↓ QBase
↓↓pilotaggio di base
ottime e veloci risposte ai transitori
Pin 0,62mm
senza problemi di saldatura
Buon passaggio di corrente
Miglior layout scheda
L’uso dei mosfet di potenza al posto dei diodi rettificatori secondari ha portatol’efficienza dei convertitori
DC/DC dall’80% fino al 93%.
Forward
Bridge
Flyback
trasferimento diretto I/O
dell’energia
Trasferimento ritardato
Buck
Sistemi a μprocessore L-S
Convertitori isolati
Convertitori non isolati
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
F
O
R
W
A
R
D
 10 e 100 W.
Uscite multiple,
basso numero di componenti
Ottimo rendimento
sopporta elevate correnti di ripple
buon isolamento
quadrante positivo
reset del trasformatore
duty cycle limitato
possibile interferenza in conduzione B
ottimo sfuttamento del trasformatore R
I
ripple in ingresso piuttosto alto
D
ripple in uscita basso
G
E
 1-25W
 Forte isolament0
 Ic proporzionale a rapporto prop avvolgimenti
 Ripple uscita alto
50-300W
no reset del trasformatore
buon isolamento
basso numero di componentiil
F B
L A
Y C
K
(Point of Load)
V<15V
Ripple d’ussita basso
Uscita=90%alimentazione
Sistemi a μprocessore L-S
Assenza di trasformatori
Schema semplice
Senza isolamento una sola uscita
I pilotaggio alta
M. Di Vincenzo
B
U
C
K
Prof. Riccò Bruno
Switching o “a commutazione”
Tensione di rete
Raddrizzata
e stabilizzata
oscillatore
genera I ad alte freq.
trasformatore
Raddrizzata
 Trasformatore più efficiente
 Nucleo ferromagnetico più piccolo e più
compatto
 A parità di potenza freq. più alte :f>>50HZ
 Nucleo in ferrite anzichè lamierini
 Accetta in ingresso un'ampia gamma di tensioni
e frequenze
 Alimentatori per notebook spesso possono
essere collegati sia alla rete europea a 230 V/50
Hz, sia a quella statunitense a 115 V/60 Hz
 sistemi di protezione contro sovraccarichi e
cortocircuiti
 filtri per evitare che il segnale ad alta frequenza
si propaghi verso il carico oppure ritorni verso la
rete elettrica
Stabilizzato
in retroazione
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Batterie primarie
Batterie alcaline
Batterie a mercurio
Batterie ad argento
Usi: 1,5 V-torce elettriche, giocattoli, strumenti elettronici vari
Vantaggi: tempo di vita più lungo, nessuna caduta di tensione anche
ad elevata intensità di corrente erogata
Svantaggi: costo, più elevato rispetto alle pile a secco
Usi: 1.3V-Orologi, calcolatrici
Vantaggi: Dimensioni ridotte, voltaggio relativamente alto
Svantaggi: Il mercurio è un metallo pesante molto tossico e pericoloso
Usi: Macchine fotografiche, pacemaker cardiaci, apparecchi di precisione
Vantaggi: Dimensioni ridotte, voltaggio relativamente alto e molto stabile
Svantaggi: Costo molto elevato
Tipo
Densità di
energia
Tensione di una
cella
Durata di
vita
(cicli di
carica)
Tempi
di
carica
Auto
scarica
mensile
Tensione minima di ricarica
(per cella)
Piombo
30-50 Wh/kg
2V
200-300
8-16 h
5%
2,3 V
Ni-Cd
48-80 Wh/kg
1,25 V
1 500
1h
> 20 %
1,25 V
Ni-MH
60-120 Wh/kg
1,25 V
300-500
2-4 h
> 30 %
1,25 V
Alcalina
80-160 Wh/kg
1,5-1,65 V
100
1-16 h
< 0,3 %
a seconda della batteria
Li-ion
110-160 Wh/kg
3,7 V
500-1 000
2-4 h
10 %
3,7 V
Li-Po
100-130 Wh/kg
3,7 V
300-500
2-4 h
10 %
3,7 V
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Batterie ricaricabili
Nickel-cadmio
Usi: Apparecchi elettronici, autotrazione.
Vantaggi: oltre 1500 cicli di carica/scarica, si ricarica velocemente, economica.
Svantaggi: Notevole autoscarica, effetto memoria, contiene metalli pesanti tossici
Nichel-metallo idruro
Usi: Apparecchiature elettroniche portatili varie ( cordless, cellulari,
videocamere) Lentamente sostituita da quella al litio nei formati non standard.
Vantaggi: Leggera e potente.
Svantaggi: Si scarica anche se non utilizzata, leggero effetto memoria
Batteria Vanadio Redox
Usi: Immagazzinamento di energia su larga scala.
Vantaggi: efficienza elevata, numero di cicli carica/scarica e vita illimitati.
Svantaggi: batterie più promettenti ma difficilmente come accumulatori
portatili
Effetto memoria
se ripetutamente caricate
. prima che la loro carica sia completamente
esaurita, "ricordano" la capacità energetica precedente alla ricarica Le
batterie maggiormente soggette sono quelle al Nichel-Cadmio dovuto alla
crescita delle dimensioni dei cristalli di cadmio, che passa dalla forma β a γ
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Batteria al litio
Usi: Apparecchiature elettroniche moderne, computer portatili, cellulari, videocamere.
Vantaggi: Estremamente potente e leggera:7g di metallo danno una M di elettroni. No effetto memoria.
Svantaggi: Piuttosto costosa, il solvente può essere infiammabile.
Tensione: di circuito aperto nominale di 3.6 V
di ricarica tipica di 4.2 V.
Tempi:
le vecchie batterie almeno 2 ore.
le attuali in 45 minuti,
le avanzte raggiungono il 90% in 10 minuti
febbraio 2005, la Altair NanoTechnology, annunciò un materiale per elettrodi di batterie
al litio di dimensioni nanoscopiche.Il prototipo ha 3 volte la potenza delle attuali batterie e
può essere pienamente ricaricato in 6 minuti.
Marzo 2005, la Toshiba annuncia un prototipo realizzato in nanomateriali, che procurano
una ricarica ancora più veloce, una capacità più grande e un ciclo di vita più lungo
Novembre 2005, la A123Systems annunciò una nuova batteria ancora più potente e ricaricabile più
velocemente,basata su di una ricerca autorizzata dal MIT:costosissima
giugno 2006, ricercatori in Francia hanno creato elettrodi di batteria in nanostrutture con capacità che ammontano
a parecchie volte la capacità energetica, per peso e volume, degli elettrodi convenzionali
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno
Sistemi di alimentazione
 semplicità
 un'unità centrale AC/DC
 vari output che vengono distribuiti via bus o PCB,
 limitato bisogno di conversione di tensione per tutte le esigenze
CPA
(Centralised Power Architecture)
 maggiore flessibilità perché,
 un solo dispositivo AC/DC (detto 'Front End')
 un unico bus in uscita,.
 L'output viene trasmesso a ciascun PCB e convertito a livello board
DPA
distributed power architecture
 elimina i problemi legati alla distribuzione via bus e
 minimizza la dispersione di potenza
 semplicità nell'identificare eventuali guasti:
 'plug and play'
POL
point-of-load
6 ,0 0
8 ,0 0
V
5 ,0 0
#V
7 ,0 0
6 ,0 0
4 ,0 0
5 ,0 0
3 ,0 0
4 ,0 0
3 ,0 0
2 ,0 0
2 ,0 0
1,0 0
1,0 0
0 ,0 0
0 ,0 0
19 9 0
19 9 5
2000
Sistemi a μprocessore L-S
2005
2 0 10
19 9 0
M. Di Vincenzo
19 9 5
2000
2005
2 0 10
Prof. Riccò Bruno
Dispositivi di controllo
I circuiti di Reset
I circuiti di Reset sono dispositivi di controllo
normalmente utilizzati per monitorare la
tensione di alimentazione del microprocessore, e
generare un segnale di reset nel caso in cui la
tensione in questione scenda al di sotto del
valore di tolleranza minima.
Contatore elettronico basato su microcontrollore
Sfruttando l’elevato livello di integrazione di
microcontrollori general-purpose a 8 bit è possibile
realizzare in maniera economica contatori elettronici
per la contabilizzazione dei consumi energetici. Questi
contatori devono rispettare gli standard industriali
per quanto riguarda la precisione e dall’altro
garantire bassi consumi e ridotti costi unitari
Sistemi a μprocessore L-S
M. Di Vincenzo
Prof. Riccò Bruno