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Alimentazione elettrica delle schede. Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Alimentazione delle schede Da reteBatterie Tecnologia.

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1 Alimentazione elettrica delle schede

2 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Alimentazione delle schede Da reteBatterie Tecnologia lineare Switching o a Commutazione Non Ricaricabili Ricaricabili Componenti tradizionali Oscillatore Sistema di alimentazione CPADPAPOL Effetto memoria Componenti tradizionali Caratteristiche Normativa

3 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Caratteristiche di un’alimentazione elettrica  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 tecniche : Caratteristiche tecniche :  Continuità  Autonomia  Stabilità  Pulizia della rete espressa in % (contenuto armonico THD) Caratteristiche qualitative : Caratteristiche qualitative : affidabilità efficienza efficienza sicurezza sicurezza

4 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo tensioni nominali da bassissima tensione no isolamento da sistemi in bassa tensione. 50 e 1000 V in AC 75 e 1500 V in CC Es. tensione domestica (230V) industriali (400V) Riferimenti normativi Normativa CEI 64-8 parte 4 Direttiva bassa tensione (CEE 73/23 aggiornata dalla CEE 93/68) Normativa CEI 64-8 parte 4 BASSA TENSIONE BASSISSIMA TENSIONE (di categoria zero) V < 50 V in AC V < 120 V inCC no rischio di folgorazione SELV (Safety Extra Low Voltage): (Safety Extra Low Voltage): fonte autonoma (batteria) fonte autonoma (batteria) trasformatore con 2 isolamenti trasformatore con 2 isolamenti no collegamento verso terra no collegamento verso terra isolamento da ogni altro circuito no spina a prese di altro sistema PELV ( Protective Extra Low Voltage): un punto del circuito connesso al potenziale connesso al potenziale di terra FELV ( Functional Extra Low Voltage):

5 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Adattatore (Alimentatore) Caratterizzazione Potenza gestita Distorsione Tecnologia Tradizionale o lineare Basso rendimento Sviluppo di calore Incremento di dimensioni e peso Proporzionale alla potenza Utilizzabili in laboratorio Potenza limitata-basso costo Switching Basso rendimento minore calore prodotto Minore ingomro e peso Non utilizzabili in laboratorio Elevato ripple Da laboratoro(Tensione di uscita regolabile) Uscite multiple(es.notebook3.3, 5, 12, -5, -12 V. ) Fattore di regolazione(immunità ai disturbi) Rendimento energetico Costi più elevati trasformatore Filtro livellatore Regolatore Raddrizzatore

6 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Trasformatore E’ una macchina elettrica statica (famiglia dei convertitori) E’ una macchina elettrica statica (famiglia dei convertitori) Riduce la tensione proveniente dalla rete elettrica per avvicinarla al valore richiesto dal carico da servire  Riluttanza del nucleo non nulla  Perdite nel nucleo non nulle  Flussi di dispersione  Resistenza degli avvolgimenti non nulle  ↓↓ numero di avvolgimenti  Nucleo :lunghezza ↓↓ Resistenza↑↑  ↓↓ Forza coecitiva  lamierini di acciaio magnetico al silicio  Trade off: η↑dimensione↑potenza↑calore↑ E valore efficace Em ampiezza massima

7 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di VincenzoRaddrizzatore 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 Raddrizzatore a doppia semionda Raddrizzatore a ponte di Graetz 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 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.

8 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Stabilizzatore-DC/DC Diminuzione V applicata Aumento di I sul silicio DPA DC/DC su ogni scheda Condensatori ceramici transistor Mosfet. prestazioni ingombro Pin 0,62mm senza problemi di saldatura Buon passaggio di corrente Miglior layout scheda ↓↓R di conduzione ↓↓ QBase ↓↓pilotaggio di base ottime e veloci risposte ai transitori 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 trasferimento diretto I/O dell’energia Trasferimento ritardato Convertitori isolati Convertitori non isolati Flyback Buck V costante nel tempo V entro stretta tolleranza un diodo zener in polarizzazzione inversa integrato identificabile con la sigla 70xx

9 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo 10 e 100 W. Uscite multiple, basso numero di componenti Ottimo rendimento sopporta elevate correnti di ripple W no reset del trasformatore buon isolamento basso numero di componentiil possibile interferenza in conduzione ottimo sfuttamento del trasformatore ripple in ingresso piuttosto alto ripple in uscita basso 1-25W Forte isolament0 Ic proporzionale a rapporto prop avvolgimenti Ripple uscita alto (Point of Load) V<15V Ripple d’ussita basso Uscita=90%alimentazione buon isolamento quadrante positivo reset del trasformatore duty cycle limitato FORWARDFORWARD BRIDGEBRIDGE F B L A Y C K BUCKBUCK Assenza di trasformatori Schema semplice Senza isolamento una sola uscita I pilotaggio alta

10 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Switching o “a commutazione”  Trasformatore più efficiente  N  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 Tensione di rete Raddrizzata e stabilizzata oscillatore genera I ad alte freq. trasformatore Stabilizzato in retroazione Raddrizzata

11 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo Batterie primarie Batterie alcaline 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 Batterie a mercurio Usi: 1.3V-Orologi, calcolatrici Vantaggi: Dimensioni ridotte, voltaggio relativamente alto Svantaggi: Il mercurio è un metallo pesante molto tossico e pericoloso Batterie ad argento 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) Piombo30-50 Wh/kg2 V h5 %2,3 V Ni-Cd48-80 Wh/kg1,25 V h> 20 %1,25 V Ni-MH Wh/kg1,25 V h> 30 %1,25 V Alcalina Wh/kg1,5-1,65 V h< 0,3 %a seconda della batteria Li-ion Wh/kg3,7 V h10 %3,7 V Li-Po Wh/kg3,7 V h10 %3,7 V

12 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo 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 Usi: Apparecchi elettronici, autotrazione. Vantaggi: oltre 1500 cicli di carica/scarica, si ricarica velocemente, economica. Svantaggi: Notevole autoscarica, effetto memoria, contiene metalli pesanti tossici 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 Nickel-cadmio Nickel-cadmio Nichel-metallo idruro Batteria Vanadio Redox. Effetto memoria Batterie ricaricabili 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

13 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo 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

14 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo 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  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  elimina i problemi legati alla distribuzione via bus e  minimizza la dispersione di potenza  semplicità nell'identificare eventuali guasti:  'plug and play' DPA distributed power architecture CPA (Centralised Power Architecture) POL point-of-load V # V

15 Prof. Riccò Bruno Sistemi a μprocessore L-SM. Di Vincenzo 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. 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. Dispositivi di controllo 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 Contatore elettronico basato su microcontrollore I circuiti di Reset


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