La conversione AC-AC, conosciuta anche come conversione di frequenza, di tensione o di fase, è il processo di trasformazione di una tensione alternata (AC) in un’altra tensione alternata a una frequenza o a una tensione differente. Questo processo è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’alimentazione di motori elettrici, la regolazione di velocità e la modulazione di tensione.

Introduzione

La tensione di alimentazione alternata è, solitamente, di 230 VAC o di 110 VAC nei diversi stati del mondo e anche la frequenza può essere di 50 Hz oppure di 60 Hz. In altri contesti speciali alcuni dispositivi funzionano con tensioni e frequenze diverse, per esempio a 28 VAC e 400 Hz per applicazioni militari e aeronautiche. Per questi motivi è necessario, spesso, convertire una tensione alternata in un altra tensione alternata con caratteristiche diverse. Esistono diverse tecniche per la conversione AC-AC, ma la maggior parte di esse si basa sull’utilizzo di un convertitore statico, ovvero un dispositivo che converte una tensione AC in un’altra tensione AC a frequenza differente. In generale, un convertitore statico consiste in un ponte di diodi, un filtro e un circuito di controllo. Il ponte di diodi viene utilizzato per commutare la tensione AC di ingresso, convertendola in una tensione continua (DC). Questa tensione continua viene poi filtrata attraverso un filtro per rimuovere eventuali componenti di alta frequenza. Infine, la tensione continua viene riconvertita in una tensione alternata a frequenza o a tensione differente utilizzando un inverter. Come si vede nello schema di principio di figura 1, un convertitore AC-AC di solito viene realizzato attraverso due o tre stadi: AC-DC, DC-DC (in casi speciali) e DC-AC.

Figura 1: solitamente un convertitore AC-AC è realizzato con gli stati AC-DC, DC-DC e DC-AC

La conversione AC-AC, in alcuni casi, può essere ottenuta con componenti passivi come, ad esempio, i resistori e condensatori in configurazione di divisori e partitori di corrente o di tensione oppure trasformatori di corrente e di tensione. In questo tipo di conversione si possono utilizzare componenti attivi. I dispositivi AC-AC si usano massivamente negli impianti di energia elettrica alternativa, per esempio solare o eolica. Ma il punto essenziale è che essi siano caratterizzati da una efficienza molto alta. Dove vi sono molte potenze in gioco, infatti, un solo punto percentuale di inefficienza comporterebbe una molteplicità di problematiche relative alla sicurezza, allo spreco energetico, alla dissipazione di calore e alla emissione di segnali di interferenza. In figura 2 sono rappresentati due sistemi di riduzione della tensione AC del 50%. Il primo metodo utilizza un partitore resistivo e il secondo metodo usa un partitore capacitivo. Lo schema elettrico fornisce una tensione di 115 VAC(RMS) verso un carico di 500 ohm, per una corrente di circa 230 mA e una potenza dissipata di 26 W. Il primo esempio di partitore utilizza un divisore di resistori dal valore ohmico di circa un decimo del valore del carico, valore del tutto plausibile. La dissipazione termica, in questo caso, è troppo elevata e tutta l’energia viene perso in calore inutilizzato. La sua efficienza è estremamente bassa, solo del 4%. Il secondo esempio di partitore utilizza un divisore di condensatori elettrolitici non polarizzati di 22 uF, valore che assicura la giusta corrente al carico, grazie alla bassa reattanza capacitiva. L’efficienza del convertitore è di tutto rispetto, del 98%, i condensatori non si scaldano ma il sistema è molto costoso e abbastanza pericoloso. I condensatori, infatti, sono soggetti a stress elettrico a lungo termine e i modelli elettrolitici di queste capacità con una tensione di lavoro superiore a 400 V sono molto costosi e devono essere sostituiti molto frequentemente. Inoltre la presenza delle due capacità potrebbe comportare un tasso di sfasamento nella rete elettrica.

Figura 2: un esempio di conversione AC-AC con l’utilizzo di divisori resistivi e capacitivi

I convertitori AC-DC-AC sono utilizzati anche nei gruppi di continuità (UPS). Essi utilizzano una batteria nella parte DC del circuito, in modo da mantenere l’uscita AC anche quando l’ingresso si interrompe. Un’altra applicazione del convertitore AC-AC con componenti allo stato solido è quella che prevede una variazione delle frequenze di funzionamento del sistema, per esempio da 50 Hz a 60 Hz o da 60 Hz a 50 Hz. Una applicazione classica è quella dell’energia eolica generata dal vento. Per la sua natura estremamente incerta degli eventi naturali, la potenza risultante ha una frequenza e un’ampiezza molto variabile. La rete elettrica, al contrario, ha requisiti molto rigorosi in termini di frequenza, sfasamento e forma d’onda sinusoidale. In questi casi l’utilizzo di un convertitore AC-AC per adeguare l’energia prodotta alle esigenze della rete è assolutamente necessario. In questi casi la soluzione AC-DC-AC è preferibile a quella AC-AC, anche se è più complicata. Il percorso intermedio DC consente di ottenere una maggiore stabilità del sistema e un migliore controllo della potenza, per un funzionamento più affidabile ed efficiente. Per diminuire il livello di illuminazione di una lampada o la velocità di un motore in alternata, occorre alimentarla con tensioni inferiori a quella nominale. Tale scopo può essere raggiunto con le seguenti modalità:

• abbassare la tensione di alimentazione utilizzando un trasformatore o un autotrasformatore a rapporto variabile;
• produrre una caduta di tensione con un ulteriore carico in serie come, ad esempio, resistori, induttori o grossi condensatori;
• parzializzare l’alimentazione, ossia alimentare il carico solo per una frazione di tempo. In questo caso il circuito lavora sulla durata e non sulla tensione. La condizione essenziale è che la frequenza del segnale sia sufficientemente alta da non notare visivamente l’effetto di sfarfallio della lampada.

Il dimmer

Un convertitore AC-AC elettronico di potenza accetta l’energia elettrica da un sistema e la converte in un altro sistema AC, caratterizzata da forme d’onda di ampiezza, frequenza e fase diverse. I convertitori di potenza AC-AC in cui la frequenza viene convertita direttamente in un’altra frequenza, senza alcun collegamento intermedio di conversione DC (come nel caso degli inverter), sono chiamati cicloconvertitori. A questa categoria fanno parte i controllori di fase, mediante l’utilizzo di un Diac e un Triac. Normalmente le lampadine vengono accese e spente con l’uso di un interruttore, che può essere spostato su due posizioni distinte. Le due posizioni possono determinare una luminosità massima o una luminosità nulla e non ci sono posizioni intermedie. Con l’uso di interruttori elettronici molto rapidi (SCR, TRIAC, GTO, Transistor, MOSFET) si possono ottenere, invece, valori intermedi di luminosità. Il circuito controlla la potenza media di un carico attraverso il Triac, mediante il controllo di fase. L’alimentazione in corrente alternata viene applicata al carico solo per una frazione di tempo di ogni ciclo. Il Triac è mantenuto spento per una parte del suo ciclo, poi è attivato in un momento ben preciso. Il problema principale di questo circuito è l’emissione di interferenze radio che, tuttavia, possono essere attenuate inserendo un induttore come filtro in serie al carico. Con questo tipo di circuito si può regolare la quantità di corrente che fluisce attraverso una lampada o un dispositivo elettronico, in modo da variarne l’intensità luminosa o la potenza erogata. Come si vede nello schema elettrico di figura 3, il circuito di base è costituito da un Triac, un Diac, un potenziometro, un resistore e un condensatore. Quando il potenziometro viene ruotato, la sua resistenza di controllo varia e questo modifica il tempo di innesco del Diac. In questo modo la forma d’onda è parzializzata.

Figura 3: un convertitore AC-AC a dimmer

A seconda della posizione del potenziometro, la costante di tempo RC, determinata nello schema dell’esempio da R2 e C3, assume determinati valori che influiscono sulla temporizzazione dell’innesco del Triac. In figura 4 sono mostrati gli oscillogrammi relativi alla tensione di ingresso del circuito e alle tensioni sul Triac alle varie posizioni del potenziometro di regolazione.

E’ molto interessante notare che il circuito, per le sue caratteristiche intrinseche, genera molte interferenze e quando la potenza sul carico è ridotta, il segnale di uscita è affetto da molte armoniche, che disturbano la linea elettrica e, probabilmente, anche gli apparecchi radio posti nelle vicinanze del dimmer. Variando la posizione del potenziometro, purtroppo, non è solo la potenza erogata sul carico a variare ma cambiano anche le efficienze del circuito e l’ammontare delle interferenze emesse.

Conclusioni

L’utilizzo del dimmer per parzializzare la sinusoide sul carico rappresenta una tecnologia diffusa e consolidata nell’ambito dell’elettronica di potenza. Grazie alla sua versatilità, questa soluzione consente di controllare l’intensità luminosa di una lampada o la velocità di un motore elettrico, regolandone la potenza di uscita. Non tutti i tipi di lampade sono adatti alla variazione di luce con i dimmer elettronici. Per esempio le lampade fluorescenti, quelle a vapori di metallo e quelle al neon non sono adatte allo scopo. Le moderne lampade a LED potrebbero essere usate con il dimmer ma, in questo caso, occorre scegliere lampade create appositamente per questo scopo. Tuttavia, la ricerca nel campo della conversione di energia è in continua evoluzione e le tecnologie più avanzate e innovative sono sempre più presenti sul mercato. Nella prossima puntata, saranno esplorati alcuni dei convertitori più complessi e innovativi, che rappresentano un passo avanti nella progettazione di sistemi elettronici sempre più efficienti e performanti.