I convertitori boost: alcune applicazioni utili

I convertitori boost possono essere un’utile arma nell’arsenale dello scienziato dilettante, dato che possono risolvere vari problemi di alimentazione a basse, medie e alte tensioni. Vi manca una serie di pile per raggiungere una certa tensione? Non avete un alimentatore di media tensione adatto per un certo esperimento? Vi serve un generatore di alte tensioni impulsive che non sia pericoloso come le bobine di Tesla? Ebbene, in tutti questi casi, un convertitore elevatore di tensione vi risolverà il problema, facendo – in pratica – in corrente continua quel che un trasformatore fa in alternata.

Un convertitore boost, o convertitore elevatore (step-up), non è altro che un convertitore da corrente continua (DC) a corrente continua (DC), il quale aumenta la tensione V dal suo ingresso (alimentazione) alla sua uscita (carico). Di conseguenza, riduce contemporaneamente la corrente I, poiché la potenza P (data dalla nota e semplice legge P = V x I) deve essere conservata.

In pratica, un convertitore boost fa l’opposto del convertitore buck, o convertitore riduttore (step-down), che riduce – anziché elevare – la tensione in corrente continua (DC). L’alimentazione del convertitore può, in entrambi i tipi (boost e buck), provenire da qualsiasi fonte in corrente continua (DC) adatta, come: batterie, pannelli solari, raddrizzatori e generatori in corrente continua (DC). Potete trovare alcuni esempi di convertitori boost e relativi prezzi qui.

Come funziona un convertitore elevatore

I convertitori boost sono una classe di alimentatori a commutazione (o switching) contenente almeno due semiconduttori (un diodo e un transistor) e almeno un elemento di accumulo di energia: un condensatore, un induttore o i due in combinazione. Per ridurre l’ondulazione di tensione (ripple), normalmente vengono aggiunti dei filtri composti da condensatori – a volte in combinazione con gli induttori – all’uscita del convertitore (filtro sul lato carico) e all’ingresso (filtro sul lato alimentazione).

Schema di base di un convertitore boost o elevatore di tensione DC-DC.

In pratica, l’energia è immagazzinata nell’induttore durante l’attivazione dell’elemento di commutazione, la tensione attraverso l’induttore viene aggiunta alla tensione di ingresso e trasferita al condensatore di uscita quando la commutazione non è attivata. In questo modo, è possibile ottenere tensioni di uscita più elevate. Il guadagno di tensione dipende da numerosi fattori, come il duty cycle, il valore dell’induttore, la tensione in ingresso, il periodo di commutazione e la corrente in uscita.

Il principio di base di un convertitore boost consiste di 2 stati distinti: nello stato ON, l’interruttore S è chiuso, con conseguente aumento della corrente dell’induttore; nello stato OFF, l’interruttore è aperto e l’unico percorso offerto alla corrente dell’induttore è attraverso il diodo flyback D, il condensatore C e il carico R. Ciò comporta il trasferimento dell’energia nel condensatore durante lo stato ON.

Un convertitore boost che eleva a 9 V i 2,4 V forniti da due pile ricaricabili. (da Wikipedia)

Il punto è che, se l’interruttore viene fatto scorrere abbastanza velocemente, l’induttore non si scaricherà completamente tra una fase di carica e il carico vedrà sempre una tensione superiore a quella della sola sorgente di ingresso quando l’interruttore viene aperto. Anche quando l’interruttore è aperto, il condensatore in parallelo con il carico viene caricato a questa tensione combinata.

Quando l’interruttore viene quindi chiuso e il lato destro viene cortocircuitato dal lato sinistro, il condensatore è quindi in grado di fornire la tensione e l’energia al carico. Durante questo tempo, il diodo di blocco impedisce al condensatore di scaricarsi attraverso l’interruttore. L’interruttore deve ovviamente essere riaperto abbastanza velocemente da evitare che il condensatore si scarichi troppo.

L’evoluzione dei convertitori a commutazione

I convertitori boost sono stati sviluppati all’inizio degli anni ’60, per le necessità dell’industria aerospaziale di convertitori di potenza piccoli, leggeri ed efficienti. Per un’alta efficienza, gli interruttori dei dispositivi “switching” devono accendersi e spegnersi rapidamente e presentare basse perdite. L’avvento di un commutatore a semiconduttori commerciale negli anni ’50 rappresentò una pietra miliare importante che rese possibili i dispositivi a commutazione come il convertitore boost.

Molti circuiti switching si riconoscono facilmente dalla bobina in filo di rame dell’induttore.

Man mano che le apparecchiature elettroniche diventano sempre più piccole, il mercato richiede che i convertitori di potenza facciano lo stesso. Dall’introduzione delle tecniche a commutazione, questa è stata un’evoluzione inevitabile. L’efficienza di conversione è dunque aumentata, sono diventate disponibili frequenze di commutazione più elevate e, allo stesso tempo, il costo unitario è diminuito con l’aumento dei volumi di vendita, da quando il mercato globale è una realtà.

Esistono un certo numero di topologie di base utilizzate nei convertitori di potenza, che sono adatte a vari livelli di potenze, criteri di costo e livelli di prestazione. I componenti elettronici richiedono un’alimentazione in corrente continua ben regolata, che abbia basso rumore e fornisca una risposta rapida alle variazioni di carico. I convertitori boost forniscono anche isolamento dell’uscita dall’ingresso per sicurezza, riduzione del rumore e protezione transitoria.

L’uso delle topologie “switching” ha ridotto le dimensioni e migliorato l’efficienza degli alimentatori aumentando la frequenza operativa, riducendo le dimensioni fisiche di trasformatori, induttori e condensatori e utilizzando un elemento di commutazione “acceso o spento” per aumentare l’efficienza. I compromessi nell’adozione di questa tecnica sono l’aumento delle fluttuazioni (ripple) e del rumore sulla corrente continua (DC) in uscita, nonché delle perdite di commutazione.

Le fluttuazioni all’uscita di un convertitore boost con forma d’onda in ingresso sinusoidale.

Ciò ha portato all’introduzione di topologie risonanti, che assicurano che la tensione o la corrente siano a zero durante la transizione avviene, quasi eliminando queste perdite di commutazione e consentendo un funzionamento a frequenze ancora più elevate. Queste topologie vengono di solito chiamate Zero Voltage Switching (ZVS) o Zero Current Switching (ZCS) e hanno ulteriormente ridotto il volume degli alimentatori, o creato maggiore densità di potenza per una data potenza di uscita.

Alcune applicazioni dei convertitori boost

Le apparecchiature elettroniche sono alimentate da alimentatori in corrente continua (DC) a bassa tensione. La fonte sarà una pila, una combinazione di pila e convertitore DC/DC o un alimentatore che converte la corrente di rete in alternata (AC) in uno o più alimentazioni continue (DC) a bassa tensione.

I sistemi di alimentazione a batteria spesso impilano le pile in serie per ottenere una tensione più elevata. Tuttavia, in molte applicazioni ad alta tensione non è possibile un sufficiente accumulo di pile o batterie a causa della mancanza di spazio. I convertitori boost possono essere quindi impiegati proficuamente per aumentare la tensione e ridurre il numero di pile o batterie.

I convertitori boost sono utili anche per realizzare alimentatori per medie tensioni utilizzabili in varie applicazioni utili per lo scienziato dilettante. Ad esempio, la figura qui sotto mostra un convertitore boost con tensione in ingresso 10-60 V DC (e corrente di 25 A) e tensione in uscita 12-90 V DC regolabile in continuo (e corrente max di 20 A, ma oltre i 15 A occorre rafforzare il raffreddamento). Di solito, tali convertitori hanno anche protezioni contro il corto circuito e contro l’inversione di polarità.

Un convertitore boost con ingresso di 10-60 V DC e uscita (regolabile) di 12-90 V DC. Potete trovare vari convertitori boost per le basse tensioni qui.

I convertitori boost sono utilizzati anche nei veicoli ibridi elettrici. Il modello NHW20 della Toyota Prius HEV utilizza un motore da 500 V. Senza un convertitore boost, la Prius avrebbe bisogno di quasi 417 celle per alimentare il motore. Tuttavia, una Prius utilizza effettivamente solo 168 celle e aumenta, grazie a questo tipo di dispositivo, la tensione della batteria da 202 V a 500 V.

I convertitori boost alimentano anche i dispositivi in ​​applicazioni su scala ridotta, come ad es. i sistemi di illuminazione portatili. Un LED bianco richiede in genere 3,3 V per emettere luce e un convertitore boost può aumentare la tensione di una singola pila alcalina da 1,5 V per alimentare il led di una torcia. Alcuni convertitori boost offrono una corrente costante accurata, ideale per pilotare i LED.

Molte applicazioni – specie in fisica ma non solo – richiedono alimentatori ad alta tensione. Questi alimentatori sono in genere molto pericolosi: le bobine di Tesla, ad esempio, hanno causato molti morti fra i dilettanti in tutto il mondo, per cui non solo non le troverete in questo sito ma io stesso non le ho usate e non le userei MAI, perché il loro pericolo è molto subdolo anche a una certa distanza.

Un convertitore boost produce di solito un lieve ripple in ingresso.

I convertitori boost possono essere una valida alternativa per molte applicazioni che richiedono alte tensioni e bassissime correnti. Esistono molte topologie circuitali per generare una tensione di uscita elevata da una bassa tensione di ingresso. Generare alte tensioni da sorgenti di basso livello non è un facile. Un modo per risolvere il problema è l’uso di un convertitore boost a due stadi.

I convertitori boost per alte tensioni

Su Internet si trovano numerosi esempi (ne potete trovare alcuni qui) di convertitori boost per alte tensioni – ad esempio, da 3,7-7,4 V a 400 kV (con una corrente di ingresso di 4 A), ma i valori della tensione di ingresso e di uscita variano ovviamente da modello a modello – alimentabili con batterie al litio, o di altro tipo, pile comprese. La tensione di uscita è dunque molto elevata, mentre la dissipazione di calore interno è piccola. La tensione di ingresso influenza la tensione di uscita e la distanza della scarica ad arco o scintilla.

Si tratta di dispositivi molto delicati, perché se quando vengono alimentati la distanza fra i due terminali di uscita (si riconoscono perché più sottili) supera la distanza di arco o scintilla (grosso modo dell’ordine di 10 mm, ma potrebbe arrivare, in certi casi, finanche a 20 mm, pari a 2 cm), impedendo che questa scocchi, l’energia non può essere scaricata e il dispositivo può danneggiarsi. Inoltre, di solito vanno usati in modo intermittente (per un tempo massimo di un minuto) per non danneggiarli.

Un convertitore boost per alte tensioni da 400 kV di uscita (in alto); una sua scansione ai raggi X (nel centro); un circuito simile di un convertitore boost per alte tensioni (in basso). Potete trovare alcuni convertitori boost low-cost per alte tensioni cliccando qui.

Una questione molto dibattuta in Rete è se, nel caso due batterie standard da 1,5 V vengano collegate in serie (3 V) e la tensione venga aumentata utilizzando un convertitore boost a 400 kV, vi sia il pericolo di bruciature o di elettrocuzione, data la corrente di uscita in teoria incredibilmente piccola (diversamente da quello che dichiarano i datasheet di qualche dispositivo, spesso errati perché mal tradotti). Fermo restando che, in ogni caso, una scossa molto forte con il relativo shock è sempre garantita.

Alcuni commentatori osservano che è possibile assorbire un massimo di circa 1-2 watt da una pila standard (AA), per cui non riescono a pensare a nessuna topologia che generi 700 kV usando 2 watt di potenza continua. In altre parole, mettono il dubbio che questi convertitori di fabbricazione cinese – o comunque asiatica – facciano quanto dichiarato. Di conseguenza, anche le indicazioni fornite sulle specifiche di questi prodotti, spesso mal tradotte dal cinese all’inglese, vanno prese “con le molle”.

Dato che la potenza rimane costante, se io alimento un convertitore boost con una potenza P di 2 watt fornita all’ingresso a bassa tensione, nel caso l’uscita sia di 50 kV, dato che P = V x I, la corrente dovrebbe essere molto bassa: I = P / V = 2 / 50000 = 0,00004 A = 40 μA. Se l’uscita del convertitore boost è di 400 kV la corrente è ancora più bassa: circa 5 μA. Quanto sono piccole queste correnti, ammesso che siano queste le correnti e non quelle – molto più alte – dichiarate da alcuni costruttori?

Un generatore elettrostatico di Van de Graaff da 200 kV, come quelli comunemente usati per esperienze didattiche nelle scuole, produce tensioni per l’appunto di 200.000 V e scintille ad arco lunghe fino a 12-13 cm con una bacchetta o sfera di scarico (una bobina di Tesla da 250 kV produce invece scintille da 25 a 30 cm). Nonostante l’alta tensione, però, lavorare con un Van de Graaf da 200 kV non è pericoloso – a differenza di quanto accade con le bobine di Tesla – poiché le correnti che possono essere prelevate sono molto piccole (la corrente di cortocircuito è inferiore a 10 μA).

Un generatore Van de Graaff da 200 kV e il suo schema di funzionamento.

Io ho utilizzato spesso un Van de Graaf di questa potenza e, se si viene a contatto con l’elettrodo carico si prende una forte scossa, certamente non piacevole. Inoltre, non si deve consentire alle persone a rischio (ad es. quelle che portano un pacemaker cardiaco) di soffermarsi vicino allo strumento quando è in funzione. In pratica, esso deve essere utilizzato solo in locali tecnici o nelle strutture di insegnamento, ricerca e formazione sotto la supervisione di personale qualificato.

L’arco o scintilla che risulta durante la scarica da 200 kV di un Van de Graaff può causare disturbi radio a distanze fino a qualche centinaio di metri. Oltre a questo, lo strumento non deve essere utilizzato nelle vicinanze di apparecchiature elettroniche come computer e strumenti di misura digitali, in quanto potrebbero essere distrutti dall’alta tensione del generatore di Van de Graaff.

Direi, quindi, che cautele almeno analoghe vanno usate se si usa un boost converter per alta tensione. Tuttavia, mentre un generatore Van de Graaf didattico (finanche da 400 kV) non è affatto letale, un convertitore boost potrebbe invece esserlo, se lo si usa male: ad esempio, toccando con la mano uno dei due terminali d’uscita e con l’altra mano l’altro terminale. Dunque, MAI toccare i suoi terminali di uscita, né avvicinare o toccare con essi un’altra persona per usarlo come se fosse un Taser.

La differenza fra il Van de Graaff ed un comune convertitore boost non è solo nell’intensità della corrente – che nel caso del convertitore boost non conosciamo con sicurezza – ma nel fatto che nel Van de Graaf, dopo la scarica, passa un certo tempo prima che vi sia una nuova scarica perché l’elettrodo deve avere il tempo di venire ricaricato, mentre nel convertitore boost è tutto molto più veloce, fermo restando che i dettagli tecnici dei loro circuiti non sono noti e quindi la cautela è d’obbligo.

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