Le prestazione di un convertitore switching possono diminuire sensibilmente se il segnale in uscita è affetto da ripple. La sua presenza è abbastanza visibile in un misuratore di spettro. La riduzione del ripple di uscita e dei transitori di commutazione è molto importante per tutte le applicazioni. Vediamo come accorgersi e come misurare l’eventuale ripple presente nella tensione continua di uscita.

Introduzione

La misurazione del ripple di uscita nei regolatori switching è una operazione molto importante e delicata, per tanti motivi. Misurare questo segnale indesiderato richiede grande cura perché risulta facile ottenere letture errate. Il ripple è un segnale indesiderato che è presente all’uscita del regolatore switching. Esso dipende dalla qualità del regolatore stesso e dalle caratteristiche dei componenti esterni utilizzati. L’ondulazione è il residuo della tensione alternata in uscita CA e la sua frequenza dipende dalla commutazione del circuito. La sua frequenza fondamentale è la stessa della frequenza di switching. Un parametro importante che lo identifica è il fattore di ripple, che equivale al rapporto tra il valore RMS della componente CA nell’uscita e il valore medio dell’uscita rettificata (vedi formula 1). Esso è sempre inferiore all’unità.

Spesso è difficile da misurare in modo accurato. Gli ingegneri, infatti, potrebbero avere difficoltà a effettuare misurazioni accurate utilizzando un oscilloscopio. La somma delle fonti di errore deve risultare solo pochi mV. Ma per altre applicazioni più critiche, come ad esempio quelle mediche, i limiti sono ancora più ristretti.

Misurare il ripple con un oscilloscopio

Per effettuare misurazioni del ripple normalmente si utilizza un oscilloscopio (vedi figura 1). A livelli elevati questa scelta non è la migliore. I cavi che fanno capo ai puntali dell’oscilloscopio formano un loop. La sonda e i conduttori di massa creano una vera e propria induttanza parassita che influisce negativamente sul segnale da misurare. Il problema si aggrava quanto più è elevata la frequenza da misurare. Per questo motivo, per alcune tipologie di misura, compresa la misura del ripple, occorre utilizzare cavi molto brevi e sonde di altissima qualità. Anche l’oscilloscopio, ovviamente, deve fare la sua parte e risultare di ottima fattura. Esso, infatti, deve possedere buona sensibilità, un ottimo SNR, un’alta risoluzione e una larghezza di banda sufficiente. Le sonde di scarsa qualità non sono compensate. Gli oscilloscopi di basso livello presentano un rumore di fondo elevato se usati con una impedenza di ingresso elevata. Se il ripple è minimo, la sua visualizzazione risulta oltremodo scomoda e complicata. Per misurare un ripple sovrapposto ad una tensione continua di alimentazione, è necessario eliminare la componente DC del segnale acquisito e ingrandire il piccolo segnale AC. Per questo motivo si disaccoppia l’ingresso in AC con un condensatore di capacità C in serie al cavo, creando un semplice filtro passa alto, caratterizzato dalla costante di tempo:

t = 2 x Z x C

Come puoi vedere in figura, benché il segnale in uscita di circa 17 V sia in corrente continua, esso risulta affetto da una componente alternata non desiderata. A volte è utile amplificare la componente alternata dopo avere bloccato la continua tramite un condensatore.

Misurare il ripple con un tester

La tensione di ondulazione è una piccola tensione CA, che si posiziona sopra un offset CC. Può anche essere misurato utilizzando un multimetro digitale, anche se l’operazione è scomoda, non precisa e difficoltosa. Per questo scopo si devono collegare le sonde del multimetro digitale all’uscita del regolatore, la rossa al terminale positivo e la nera al terminale negativo. Si selezioni la modalità “tensione CA” ruotando la manopola del tester. Lo strumento misurerà solo la componente CA del segnale, ovvero la tensione di ondulazione, se è presente. Il display visualizza il valore misurato dell’ampiezza della tensione di ondulazione. Se mostra il valore 0.00 mV vuol dire che, molto probabilmente, il ripple è assente. Per caratterizzare correttamente la tensione di ondulazione, è necessario misurare la sua frequenza. Occorre prestare attenzione alla tipologia di tensione AC che il tester misura. Essa potrebbe essere un valore efficace, un valore medio, picco picco o altro. Inoltre si deve ricordare che nella maggior parte delle volte la forma d’onda del ripple non è sinusoidale, pertanto occorre sempre controllare la tipologia di misura del multimetro. Il semplice schema elettrico raffigurato in figura 2 mostra un semplicissimo alimentatore AC/DC. I componenti sono stati volutamente dimensionati in modo da fornire un segnale DC in uscita affetto da un disturbo ripple.

Osservare lo spettro audio

Un metodo per verificare la presenza del ripple prevede l’osservazione dello spettro audio del segnale di uscita, come si può osservare dalla figura 3. Un segnale perfetto, pulitissimo ed esente da ondulazioni dovrebbe restituire una schermata di colore nero. Quella in figura, invece, si riferisce alla tensione prodotta dal precedente schema elettrico è affetta da ondulazioni e da disturbi anche sulla linea elettrica. Sono presenti i segnali del ripple e relative armoniche (50 Hz, 100 Hz, 150 Hz, ecc). Nello spettrogramma si notano anche dei picchi di diversa natura, spesso presenti nella linea di alimentazione.

Hum sonoro e software audio

Per elevati livelli di ripple è possibile adottare metodi di misura meno consueti. Uno di questi consiste nel collegare l’uscita del nostro alimentatore o convertitore all’ingresso di una scheda audio e digitalizzare il segnale, proveniente dal convertitore, usando un software di analisi audio come, ad esempio, Audacity. Con una buona amplificazione del segnale alternato è possibile osservare anche livelli molto bassi di ondulazione. La figura 4 mostra l’ondulazione generata dallo schema elettrico precedente e il relativo spettrogramma, che evidenzia la presenza dell’ondulazione a 50 Hz e le sue armoniche. Se il ripple ha una frequenza bassa può essere udita in altoparlante.

Stima del ripple in un regolatore buck

Per il corretto calcolo, il ripple della corrente dell’induttore, che scorre principalmente attraverso il condensatore C, non deve essere trascurato (vedi in figura 5). La corrente sull’induttore contiene una componente continua, che attraversa anche il carico, e anche una piccola ondulazione. La corrente continua attraversa solo la resistenza di carico e il condensatore blocca tale corrente continua. Il ripple si divide tra il condensatore e la resistenza di carico. Per tale motivo la capacità deve essere sufficientemente grande in modo che la sua impedenza, alla frequenza di switching, sia notevolmente minore dell’impedenza del carico (almeno dieci volte meno). il condensatore si comporta da filtro in modo che la maggior parte del ripple dell’induttore lo attraversi. La forma d’onda della corrente sul condensatore è la stessa di quella dell’induttore senza quella del carico. L’induttore e il condensatore sono componenti reattivi che influiscono sul ripple. I valori dell’induttore devono essere attentamente calcolati. Un condensatore con basso valore ESR riduce al minimo il ripple. Aumentando, però la sua capacità aumenta anche il costo e la dimensione del convertitore. E’ utile, a volte, utilizzare un analizzatore di spettro perché il ripple può anche manifestarsi attraverso le sue armoniche superiori.

Stima del ripple in un regolatore boost

In un regolatore boost la percentuale del ripple all’uscita può variare da tantissimi fattori, quali:

• la qualità dei componenti elettronici;
• l’assorbimento e la tipologia del carico;
• la capacità dei condensatori di livellamento e di filtro:
• il valore dell’induttore;
• la frequenza di switching;
• e molto altro.

La figura 6 mostra un semplice regolatore boost, realizzato con l’LTC1872 della Analog. Sono sufficienti pochi altri componenti elettronici esterni per costruire un valido convertitore.

Il grafico della figura 7 mostra due diversi segnali di ondulazioni, a seconda se si utilizza un condensatore di filtro di 44 uF oppure di 100 uF.

Conclusioni

Il ripple è quasi sempre presente sugli alimentatori e convertitori, specialmente quelli di fascia bassa. Quando si misura con un oscilloscopio è importante ridurre al minimo l’area del loop della sonda per evitare la distorsione del segnale. Si devono anche rispettare le condizioni di lavoro del circuito, secondo le documentazioni ufficiali del dispositivo. Anche l’impedenza degli strumenti di misura dovrebbe attestarsi intorno ai 50 Ohm, assieme ai cavi e alle sonde che devono rispettare la stessa impedenza, in modo da offrire una risposta piatta e un guadagno unitario.