Convertitore Flyback: differenze tra le versioni

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[[File:Flyback conventions french.svg|thumb|right|350 pxupright=1.6|Fig. 1: schema di principio di un convertitore flyback.]]

[[File:Flyback 2589.JPG|thumb|Esempio di trasformatore per convertitore Flyback da 250 W a 50 kHz.]]

[[File:Flyback 2605.JPG|thumb|Vista del lato delle connessioni. Si usa il [[Effetto pelle#Attenuazione dell'effetto pelle|filo Litz]] per attenuare l'[[effetto pelle]] e migliorare il rendimento.]]

Il '''Convertitoreconvertitore ad accumulo Flybackinvertitore'''<ref>{{Cita web|autore =|url =http://www.itiomar.it/pubblica/Telecomunicaz/lezioni/4_anno/alim_SMPS.pdf|titolo =Gli alimentatori switching|accesso =|editore =|data =|urlarchivio =https://web.archive.org/web/20150724075537/http://www.itiomar.it/pubblica/Telecomunicaz/lezioni/4_anno/alim_SMPS.pdf|urlmorto =sì}}</ref>''' o flyback''' (a recupero) è un alimentatore a commutazione (switching power supply o comunemente ''alimentatore switching''), di solito con [[Isolamento elettrico|isolamento galvanico]] tra ingresso e uscita. Lo schema di base è lo stesso di quello di un [[convertitore buck-boost]] in cui l'induttanza è sostituita da un [[trasformatore]] (in realtà due induttori accoppiati). Il convertitore flyback è probabilmente l'alimentatore più utilizzato nell'industria (monitor [[Schermo a cristalli liquidi|LCD]], televisori [[Tubo a raggi catodici|CRT]], [[Lettore DVD|lettori DVD]], ...).<ref>{{Cita|Christophe P. Basso|Capitolo 7: Simulations and pratical designs of flyback converters, p. 579|Basso}}.</ref>

Di solito è usato in applicazioni di bassa potenza.<ref>Fino a 100 [[Watt|W]] secondo: {{Cita|Michel Girard|Cap. I: Généralités concernant les alimentations, « 1.5.2 : Principe des alimentations à découpage isolées galvaniquement », pp. 29-30 : « d : Remarques concernant les alimentations à découpage isolées galvaniquement »|Girard}}</ref><ref>Fino a 100 W secondo:

{{cita web|autore = Ed Walker|url = http://focus.ti.com/lit/ml/slup229/slup229.pdf|titolo = Design Review: A Step-By-Step Approach to AC Line-Powered Converters|editore = Texas Instruments|pp=3-2|lingua = en|accesso = 20 aprile 2012|formato = PDF|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20060828131526/http://focus.ti.com/lit/ml/slup229/slup229.pdf|urlmorto = sì}}</ref><ref>Fino a 150 W secondo: {{Cita|Jean-Paul Ferrieux, François Forest|Cap. II Alimentations à découpage à commutation commandée, paragrafo « 2.2 : Alimentation à découpage FLYBACK », pag. 54 « 2.2.2.3 : Facteur de dimensionnement de l'interrupteur »|Ferrieux_Forest}}</ref><ref>Da 30 a 250 W, secondo: {{cita web|autore=L. Wuidart|url=http://www.stmicroelectronics.net/stonline/books/pdf/docs/3721.pdf|titolo=Application Note - Topologies for Switched Mode Power Supplies|editore=ST|p=6 di 18|lingua= en|accesso= 20 aprile 2012|formato=PDF}}</ref><ref>400 W secondo: [http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel2/863/2884/00088343.pdf?temp=x IEEE Xplore, Article Information, « A 400 W flyback converter », Assow, B. Telecommunications Energy Conference, 1989. INTELEC apos;89. Conference Proceedings., Eleventh International Volume, Issue, 15-18 octobre 1989, pages : 20.6/1 - 20.6/4, vol. 2.]</ref>

{{cita web

|autore=Ed Walker

|url=http://focus.ti.com/lit/ml/slup229/slup229.pdf

|titolo=Design Review: A Step-By-Step Approach to AC Line-Powered Converters

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}}</ref><ref>Fino a 150 W secondo: {{Cita|Jean-Paul Ferrieux, François Forest|Cap. II Alimentations à découpage à commutation commandée, paragrafo « 2.2 : Alimentation à découpage FLYBACK », pag. 54 « 2.2.2.3 : Facteur de dimensionnement de l'interrupteur »|Ferrieux_Forest}}</ref><ref>Da 30 a 250 W, secondo: {{cita web

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}}</ref><ref>400 W secondo: [http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel2/863/2884/00088343.pdf?temp=x IEEE Xplore, Article Information, « A 400 W flyback converter », Assow, B. Telecommunications Energy Conference, 1989. INTELEC apos;89. Conference Proceedings., Eleventh International Volume, Issue, 15-18 octobre 1989, pages : 20.6/1 - 20.6/4, vol. 2.]</ref>

==Principio di funzionamento==

[[File:Flyback operating fr.svg|thumb|right|Fig. 2: le due configurazioni di un convertitore flyback secondo lo stato del commutatore T. Sopra: fase di conduzione o stato ON, sotto: fase di interruzione o di interdizione o stato OFF.]]

Lo schema di principio di un convertitore flyback è mostrato in Figura 1. Questo è l'equivalente di un [[convertitore buck-boost]] in cui l'induttanza è sostituita da due induttori accoppiati che funzionano come un [[trasformatore]]. Pertanto, il principio di funzionamento di entrambi i convertitori è molto simile. In entrambi i casi ci sono una fase di accumulo di energia nel circuito magnetico e una fase di restituzione di questa energia. Il dimensionamento del circuito magnetico definisce la quantità di energia che può essere immagazzinata, ma anche la velocità con cui si può ottenere accumulo e prelievo. Questo è un parametro importante che determina la potenza che può fornire l'alimentatore flyback.

Il funzionamento del convertitore flyback può essere suddiviso in due fasi a seconda dello stato del commutatore ''T'' (vedi figura 2):

* Nello stato ON, l'interruttore ''T'' (vedi figura 1) è chiuso, il primario del trasformatore è collegato direttamente alla sorgente di tensione in ingresso. Ciò si traduce in un aumento del flusso magnetico nel trasformatore. La tensione ai capi del secondario è negativa e il diodo è bloccandopolarizzato inversamente. È il condensatore di uscita che fornisce l'energia richiesta dal carico.

* Nello stato OFF, l'interruttore è aperto. L'energia immagazzinata nel trasformatore viene trasferita al carico.

Line 46 ⟶ 24:

==Conduzione continua==

[[File:Flyback chronogram fr.svg|thumb|350pxupright=1.6|Fig. 3: forme d'onda di corrente/tensione nel convertitore flyback.]]

Quando un convertitore flyback funziona in modalità di conduzione continua, il flusso nel trasformatore non va mai a zero. La Figura 3 mostra le forme d'onda di corrente e tensione nel convertitore.

Line 65 ⟶ 43:

<math>I_{1_{max}} = I_{1_{min}} + \frac{V_e \cdot \alpha\cdot T}{L_1}</math>

<math>\alpha</math> è il [[Duty cycle|duty cycle (ciclo utile)]]. Esso indica la frazione del periodo T durante il quale l<nowiki>{{'</nowiki>}}''interruttore'' T conduce. <math>\alpha</math> varia da 0 (''T'' non conduce mai) a 1 (''T'' conduce sempre). Come per <math>I_{1_{min}}</math>, il valore di <math>I_{1_{max}}</math> sarà determinato dopo l'esame dello stato bloccato.

====Energia immagazzinata====

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<math>W_e=\frac{1}{2}L_1 I_{1_{max}}^2</math>

Alla fine della fase di conduzione, l<nowiki>{{'</nowiki>}}''interruttore'' T si apre impedendo alla corrente <math>I_1</math> di continuare a circolare. La conservazione dell'energia immagazzinata nel trasformatore provoca la comparsa di una corrente <math>I_{2}</math> nel secondario del trasformatore, il cui valore iniziale <math>I_{2_{max}}</math> può essere calcolato utilizzando la conservazione dell'energia immagazzinata nel trasformatore durante il suo "passaggio" dal primario al secondario:

<math>W_e= \frac{1}{2}L_1 I_{1_{max}}^2 = \frac{1}{2}L_2 I_{2_{max}}^2</math>

Line 95 ⟶ 73:

=== Stato OFF ===

====Corrente secondaria====

Durante lo stato OFF, l'energia immagazzinata nel circuito magnetico nello stato ON viene trasferita al condensatore (C (in figura 1).

<math>V_s=V_2=-L_2\frac{d I_2}{dt}</math>

Line 133 ⟶ 111:

:<math>V_s=\frac{n_2}{n_1}\frac{\alpha}{1-\alpha}V_e</math>

Otteniamo la stessa relazione del [[convertitore buck-boost]] con l'aggiunta del rapporto <math>\frac{n_2}{n_1}</math>. Ciò è dovuto al fatto che lo schema di principio di un convertitore flyback è lo stesso di quello di un convertitore buck-boost in cui l'induttanza è sostituita da un [[trasformatore]] con rapporto spire <math>\frac{n_2}{n_1}</math>. La tensione di uscita non dipende dalla corrente di uscita, ma solo dal duty cycle e dalla tensione di ingresso.

====Corrente====

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==Modo di funzionamento discontinuo==

[[File:Flyback chronogram discontinuous fr.svg|thumb|350pxupright=1.6|Fig. 4: Forma d'onda convertitore flyback di corrente/tensione in conduzione discontinua.]]

In alcuni casi, la quantità di energia richiesta dal carico è sufficientemente bassa e può essere trasferita in un tempo inferiore al periodo di commutazione. In questo caso, il flusso circolante nel trasformatore è zero per una parte del periodo. L'unica differenza con il principio di funzionamento sopra descritto, è che l'energia immagazzinata nel circuito magnetico è zero all'inizio del ciclo (vedi forme d'onda in figura 4). Sebbene piccola, la differenza tra conduzione continua e discontinua ha un forte impatto sulla formula della tensione di uscita. La tensione di uscita può essere calcolata nel modo seguente.

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==Confine tra modo di funzionamento continuo e discontinuo==

[[File:Flyback continuous discontinuous french.svg|thumb|250px|Fig. 5: Evoluzione della tensione di uscita normalizzata di un convertitore flyback con una corrente d'uscita normalizzata.]]

Come spiegato nel paragrafo precedente, il convertitore funziona in conduzione discontinua quando la corrente richiesta dal carico è bassa, e funziona in conduzione continua per correnti più elevate. Il confine tra conduzione continua e discontinua viene raggiunto quando la corrente nell'induttore è zero appena prima della commutazione. Con le notazioni della figura 4, questo corrisponde a:

:<math>\alpha\cdot T + \delta \cdot T=T</math>

Line 225 ⟶ 203:

Useremo due nuove notazioni:

* La tensione normalizzata, definita da <math>\left|V_s\right|=\frac{V_s}{V_e}</math>, che corrisponde al guadagno di tensione del convertitore.

* Lo corrente normalizzata, definita da <math>\left|I_s\right|=\frac{n_2}{n_1} \frac{L_1}{T\cdot V_e}I_s</math>. Il termine <math>\frac{n_1}{n_2} \frac{T\cdot V_e}{L_1}</math> corrisponde alla corrente di uscita massima che può raggiungere teoricamente in un ciclo (variazione di corrente primaria raggiunta per <math>\alpha=1</math> ). Si ottiene dunque, in regime permanente, <math>\left|I_s\right|</math> uguale a 0 quando la corrente di uscita è zero, e 1 per la massima corrente che può fornire il convertitore.

Utilizzando queste notazioni, otteniamo:

Line 235 ⟶ 213:

==Influenza delle induttanze di dispersione==

[[File:Flyback with primary leakage inductance french.svg|thumb|right|Schema di un convertitore flyback con induttanza di dispersione primaria.]]

Le forme d'onda sopra descritte sono valide solo se tutti i componenti sono considerati ideali. Nel caso reale, si può osservare una sovratensione ai capi dell'interruttore nell'istante della sua apertura. Questo aumento deriva dall'energia immagazzinata nella [[induttanza]] dispersa <math>L_{f1}</math> del trasformatore.<ref>Questa induttanza tiene conto del fatto che l'accoppiamento magnetico tra primario e secondario non è perfetto.</ref> Non essendo l'induttanza di dispersione "direttamente" collegata al primario del trasformatore, l'energia che contiene al momento dell'apertura dell'interruttore non può essere trasferita al secondario. L'evacuazione dell'energia immagazzinata nella induttanza parassita creerà una sovratensione ai capi dell'interruttore. Inoltre, l'annullamento della corrente attraverso l'interruttore non avvenendo con una tensione nulla, <math>L_{f1}</math> comporterà anche perdite di commutazione. Queste perdite possono essere ridotte mediante l'aggiunta di circuiti di aiuto nell'istante della commutazione.

C'è anche una induttanza di dispersione secondaria. Questa induttanza, a sua volta, porta a perdite e riduce l'energia fornita dall'alimentazione al carico. Nel caso di alimentazione con uscite multiple, le induttanze di dispersione dei secondari creeranno differenti perdite su ciascuna uscita.

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==Versioni particolari==

===Alimentazione ad assorbimento sinusoidale===

Nel caso di un convertitore alimentato da un ponte di diodi la cui uscita è collegata ad un condensatore, il [[fattore di potenza]] non è unitario, principalmente a causa alla forma d'onda della corrente assorbita. Questa configurazione, che non rispetta le regole di interconnessione dell'elettronica di potenza, collegaprevede il collegamento tra un [[generatore di tensione]], la rete elettrica, con un'altra fontealtro generatore di tensione, il condensatore, che diviene un carico. ComeIl risultatofunzionamento del ponte di graetz ha l'effetto di produrre una corrente con forma d'onda fortemente distorta, lache non rispetta le normative. Se invece il carico del ponte a diodi è un convertitore di tipo flyback (con un controllo appropriato), si può richiedere al convertitore di assorbire una corrente pressoché sinusoidale in fase con la tensione di rete e raggiungere quindi un fattore di potenza unitario. Grazie al convertitore le regole di interconnessione tra sorgenti e carichi saranno rispettate ed è limitatapossibile ottenere un ottimo utilizzo delle risorse energetiche.

solo dalle imperfezioni dei componenti e delle connessioni. Se il carico del ponte di diodi è un convertitore di tipo flyback, quindi le regole di interconnessione delle sorgenti sono rispettate ed è possibile controllare il consumo di corrente. Con un controllo appropriato, si può richiedere al convertitore di assorbire una corrente pressoché sinusoidale in fase con la tensione di rete e quindi un fattore di potenza unitario.

===Regime auto-oscillante===

Un convertitore flyback in regime auto-oscillante fa variare la sua frequenza di commutazione per operare sempre al limite della conduzione continua e discontinua. Tale dispositivo permette di ridurre l'entità delle perdite del trasformatore e di limitare le perdite di recupero nei diodi; per contro, introduce ulteriori sollecitazioni all'interruttore.<ref>{{Cita|Jean-Paul Ferrieux, François Forest|Cap. II Alimentations à découpage à commutation commandée, paragrafo « 2.2.3 : Alimentation FLYBACK en régime auto-oscillant », pag. 54-56|Ferrieux_Forest}}.</ref>

==Applicazioni==

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=== Potenza costante ===

[[File:125 2561.JPG|thumb|Circuito elettronico di un ballast per [[Lampada ad alogenuri metallici|lampada HMI]] che utilizza un convertitore flyback da 250 W.]]

Se si impone di mantenere la corrente <math>I_{1_{max}}</math> costante, il flyback mantiene costante la potenza sul carico<ref>L'energia elettrica <math>W_e=\frac{1}{2}L_1 I_{1_{max}}^2</math> immagazzinata nel trasformatore e quindi trasmessa al carico è costante.</ref> Ciò è particolarmente adatto per l'alimentazione delle [[Lampada a scarica|lampade a scarica]], come le [[Lampada ad alogenuri metallici|lampade ad alogenuri metallici]] in cui la potenza deve essere mantenuta costante per tutta la loro vita, aumentando la tensione dell'arco in funzione dell'usura degli elettrodi (il duty cycle della commutazione cambia di conseguenza "naturalmente"). Il controllo-comando di un tale convertitore è quindi molto semplice perché non richiede l'utilizzo di alcun controllo di potenza. Pertanto, non vi è rischio di instabilità di regolazione in relazione alle caratteristiche dinamiche della lampada (in particolare a causa della resistenza negativa dell'arco durante le fasi di accensione).<br />

Nel caso di un apparecchio portatile, alimentato a batteria, la compensazione della variazione di tensione della stessa è facilmente ottenuta controllando il riferimento di corrente durante questa variazione. Il ''[[Dimmer|dimming]]'' (regolazione dell'intensità luminosa) è altrettanto semplificato con la regolazione diretta del valore impostato della corrente nell'alimentatore.

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== Bibliografia ==

*{{cita libro|cognome= Girard|nome= Michel|coautori= Hugues Angelis; Magali Girard|titolo= Alimentations à découpage - Cours et exercices corrigés|anno= 2003|editore= Dunod|città= Parigi|lingua=fr|id= ISBN 2100069403|pp=p. 336|cid=Girard}}

*{{cita libro

*{{cita libro|cognome= Ferrieux|nome= Jean-Paul|coautori= François Forest|titolo= Alimentations à découpage - Convertisseurs à résonance, principes, composants, modélisation|anno= 2006|editore= Dunod|città= Parigi|lingua=fr|id= ISBN 2100505394|pp=p. 316|cid=Ferrieux_Forest}}

|cognome= Girard

*{{cita libro|cognome= Basso|nome= Christophe P.|titolo= Switch-mode Power Supplies - SPICE Simulations and Practical Designs|anno= 2008|editore= McGraw-Hill|città= New York|lingua= inglese|id= ISBN 0071508589|pp=p. 889|cid=Basso}}

|nome= Michel

|coautori= Hugues Angelis; Magali Girard

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|anno= 2003

|editore= Dunod

|città= Parigi

|lingua= francese

|id= ISBN 2100069403

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}}

*{{cita libro

|cognome= Ferrieux

|nome= Jean-Paul

|coautori= François Forest

|titolo= Alimentations à découpage - Convertisseurs à résonance, principes, composants, modélisation

|anno= 2006

|editore= Dunod

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*{{cita libro

|cognome= Basso

|nome= Christophe P.

|titolo= Switch-mode Power Supplies - SPICE Simulations and Practical Designs

|anno= 2008

|editore= McGraw-Hill

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}}

== Voci correlate ==

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== Altri progetti ==

{{interprogetto|commons=Category:Flyback converters}}

== Collegamenti esterni ==

*{{cita web|autore = Philippe Dondon|url = http://uuu.enseirb.fr/~dondon/puissance/flyback/Flyback.html|titolo = Alimentation a decoupage flyback|anno = 2000|lingua = fr|accesso = 20 aprile 2012|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20100808105442/http://uuu.enseirb.fr/~dondon/puissance/flyback/Flyback.html|urlmorto = sì}}

*{{cita web

*{{cita web|url = http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-4147.pdf|titolo = Application Note AN-4147 - Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters|editore = Fairchild Semiconductor Corporation|anno = 2006|lingua = en|accesso = 20 aprile 2012|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20090419141323/http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-4147.pdf|urlmorto = sì}}

|autore=Philippe Dondon

*{{cita web|url=https://www.ti.com/lit/an/slua101/slua101.pdf|titolo=Unitrode Application Note U-97 - Modelling, Analysis and Compensation of the Current-mode Converter|editore=Texas Instruments Incorporated|anno=1999|lingua=en|accesso= 20 aprile 2012|formato=PDF}}

|url=http://uuu.enseirb.fr/~dondon/puissance/flyback/Flyback.html

*{{cita web|url=https://docs.google.com/file/d/0B6tbPeG2hrjQNWU3OTI4NDYtYTcwYS00YTNhLWFlNzYtNDhlY2U1NWIxOTFh/edit?hl=fr&pli=1|titolo=Projet ENPU – Réalisation d'un convertisseur Flyback|editore=INSA Strasbourg|lingua=fr|accesso= 20 aprile 2012}}

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*{{cita web

|url=http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-4147.pdf

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}}

*{{cita web

|url=http://www.ti.com/lit/an/slua101/slua101.pdf

|titolo=Unitrode Application Note U-97 - Modelling, Analysis and Compensation of the Current-mode Converter

|editore=Texas Instruments Incorporated

|anno=1999

|lingua=en

|accesso= 20 aprile 2012

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*{{cita web

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{{Portale|elettronicaelettrotecnica|scienza e tecnica}}

[[Categoria:Convertitori elettronici]]