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onda quadraUn inverter produce energia elettrica a corrente alternata a partire da una sorgente in corrente continua. Svolge la funzione opposta a quella di un raddrizzatore. (nota 1)

L'inverter, nella sua versione più semplice, produce una tensione come quella in figura. La tensione è alternata perchè ha valori sia positivi che negativi ed il valore medio è nullo perchè la parte positiva è identica alla parte negativa e quindi hanno la stessa area.

 

ponteOUn inverter deve avere le seguenti parti (nota 2):

a) un apparato di potenza capace di produrre la tensione alternata, cioè con segno che si inverte, e capace di erogare la corrente al carico previsto

b) un driver per inviare i segnali in modo corretto ai componenti di potenza

c) un oscillatore che fissa la frequenza di funzionamento

 

Apparato di potenza

Un circuito di potenza prevede uno schema di collegamento dei dispositivi di commutazione a ponte come quello in figura (nota 3). 

T1, T2, T3, T4 sono i dispositivi di commutazione (transistor, MOSFET, Tyristor) ognuno dei quali è abbinato ad un diodo polarizzato inversamente.

L'alimentazione in corrente continua è presente fra il morsetto (+) in alto e la massa ( _ ) in basso (l'alimentazione costituisce la diagonale verticale del ponte)(nota 4).

Il carico è collegato sull'altra diagonale del ponte (nello schema è rappresentato dal cerchio azzurro).

Con la configurazione del disegno i contatti sono tutti aperti per cui il carico è isolato e non è interessato da correnti: è spento!

Per alimentare l'utilizzatore si devono chiudere alternativamente due contatti opposti:

ponteA2

con T1 e T4 chiusi

e T2 e T3 aperti

la corrente circola nell'utilizzatore da sinistra a destra

 

 

 

 

 

ponteB2

 con T1 e T4 aperti

e T2 e T3 chiusi

la corrente circola nell'utlizzatore da destra a sinistra

 (quindi in senso opposto)

 

 

 

Si vede che la corrente che interessa l'alimentazione in corrente continua va sempre dal positivo al negativo mentre nell'utilizzatore circola in sensi alterni: questa è la funzione dell'inverter.

Attenzione:

ponteCC2

- non deve mai accadere che T1 e T3 (i transistor a sinistra) siano contemporaneamente chiusi perchè si tratta di un cortocircuito sull'alimentazione (linea violetta nella figura a destra). Analogamente non devono mai essere chiusi contemporaneamente T2 e T4 (i transistor a destra).

- occorre sempre concedere un tempo morto (dead time o blanking time) tra lo spegnimento di una coppia di transistor e l'accensione dell'altra coppia. I tempi di commutazione di transistor e diodi non sono mai nulli, se T1 ritarda a spegnersi e T3 già si accende, si ha il corto circuito di cui prima. Il corto circuito genera correnti elevatissime che interessano i due transistor per un tempo brevissimo ma sufficiente a produrre la distruzione della giunzione.

 

Il circuito di comando dei transistor (il driver) deve quindi produrre un ciclo ripetititvo in quattro fasi come segue:

onda quadraT2t1) tutto aperto

t2) chiudono T1 e T4

t3) aprono T1 e T4, quindi tutto aperto

t4) chiudono T2 e T3

 

 

Gli intervalli di tempo t1 e t3 comprendono i tempi morti necessari a produrre il valore efficace voluto ed a scongiurare il corto circuito dovuto al ritardo delle commutazioni e quindi non devono mai essere di durata inferiore ad un minimo di sicurezza.

La somma degli intervalli di tempo t1 + t2 + t4 + t4 è il periodo del ciclo.

Il rapporto (t2 + t4)/T è il duty cycle che si sceglie in base ad esigenze di progetto come, per esempio, l'opportunità di miniizzare le armoniche di grado superiore al primo e quindi approssimare meglio la sinusoide.

 

ponteI

A cosa servono i diodi?

Se il carico è di tipo induttivo, come accade con i motori e con i trasformatori, la corrente tende a mantenersi nonostante l'apertura dei contatti producendo sovratensioni che possono danneggiare il transistor.

Vedi "apertura di un circuito ohmico induttivo"

I diodi collegati in questo modo assicurano alla corrente la presenza di un circuito chiuso. Le sovratensioni di apertura sono limitate alla caduta di tensione dei diodi ed alla fem del generatore.

Se la corrente circolava grazie alla chiusura di T1 e T4, e quindi andava da sinistra a destra, all'apertura degli stessi contatti la suddetta corrente tende a permanere nell'utilizzatore con la stessa direzione però può circolare chiudendosi lungo il circuito sottolineato in blu con restituzione di energia all'alimentazione in cc (nota 5).

 

Driver

Il driver deve provvedere a fornire i segnali di comando ai componenti di potenza in modo da:

a) scambiare la direzione della corrente ad ogni mezzo periodo

b) assicurare che la tensione abbia valore medio nullo (requisito essenziale per avere corrente alternata che si consegue se le due semionde hanno la stessa area)

c) impedire il corto circuito per il contemporaneo comando di chiusura dei transistor dello stesso lato

d) impedire il cortocircuito per ritardi alla commutazine prevedendo un "dead time"

La funzione del driver viene svolta da circuiti elettronici, di solito digitali, con logica cablata o programmata.

 

Oscillatore

L'oscillatore deve assicurare la produzone di un segnale a frequenza costante e, nel caso di allacciamento alla rete elettrica, deve assicurare la sicronizzazione con la tensione di rete sia in frequenza che in fase.

 

E' stato realizzato un inverter con l'uso di Arduino che viene illustrato in questo articolo

 

Note

nota 1

Lo fanno male entrambi:

- l'inverter produce una tensione alternata di forma rettangolare e non sinusoidale o comunque consistente in un treno di impulsi rettangolari di durata variabile per approssimare una sinusoide

- il raddrizzatore produce una tensione unidirezionale pulsante e non costante che ha bisogno di filtri per ridurre al minimo le componenti armoniche che si sovrappongono al valore medio

nota 2: altre parti sono necessarie per proteggere l'apparecchio dal sovraccarico, dal cortocircuito esterno, dalle sovratensioni (interne ed esterne), consentire la fornitura di energia alla rete elettrica, proteggere dalle tensioni di contatto .... dipende dall'impiego.

nota 3: altri schemi prevedono l'uso di un trasformatore con presa centrale.

nota 4: il ponte si disegna spesso con la forma di un rombo che contiene nei quattro lati i transistor; i due segmenti congiungenti i vertici opposti, contenenti rispettivamente l'alimentazione e il carico, sono le diagonali del rombo.

nota 5: l'energia restituita è quella che l'induttanza aveva immagazzinato nella fase transitoria di conduzione alla chiusura di T1 e T4 a spese del generatore in cc (l'induttanza non consuma energia ma la scambia col resto del circuito ogni volta che c'è variazione di corrente).

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