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Introduzione
L‟esperimento SIDDHARTA sull‟acceleratore DA NE
L‟esperimento SIDDHARTA sull‟acceleratore DA NE dei Laboratori Nazionali di Frascati dell‟INFN ha
come obiettivo quello di effettuare, per la prima volta al mondo, misure di altissima precisione di
raggi X di energia fra 2 e 12 keV emessi dalla diseccitazione sul livello fondamentale (1s) dagli atomi
kaonici, in particolare idrogeno e deuterio kaonici. Tali atomi si formano in seguito alla cattura dei
kaoni negativi generati all‟acceleratore DA NE in bersagli di idrogeno/deuterio. In seguito alla cattura
l‟elettrone dell‟atomo di idrogeno/deuterio viene espulso e sostituito col kaone negativo; si formano
atomi kaonici in orbite eccitate. Segue un processo di diseccitazione in cui vengono emessi i raggi X
specifici; l‟interesse di SIDDHARTA e‟ di misurare l‟energia di questi raggi X. Tale misura darà
informazioni fondamentali per quel che riguarda aspetti della fisica fondamentale, in particolare sulla
forza forte (che si esercita fra quark) a basse energie. Tali informazioni mancano ad oggi e
SIDDHARTA intende completare il quadro proprio con questi risultati che daranno una forte spinta alla
conoscenza di questi aspetti importanti.
SIDDHARTA usa come rivelatori di raggi X dei nuovi rivelatori di tipo Silicon Drift Detector di grande
area (
2
1cm ), triggerabili, che sono stati sviluppati nell‟ambito della collaborazione.
Tali rivelatori, non che l‟elettronica di lettura front-end, hanno bisogno di un sistema di alimentazione
che soddisfi alcuni criteri ben precisi: generi tensioni sia per le alimentazioni dei rivelatori che per
quelle dell‟elettronica, cioè tensioni da qualche Volt fino a 150 V. Inoltre, le tensioni devono essere
molto stabili, per permettere di effettuare una misura di altissima precisione come quella di
SIDDHARTA. Si e‟ reso dunque necessario sviluppare e costruire degli alimentatori tipo switching che
sono molto stabili e forniscano le tensioni richieste.
Il lavoro riportato in questa tesi si riferisce allo studio, design, costruzione e collaudo di un
alimentatore switching di tipo low-noise, duale per alimentare degli amplificatori che
verranno utilizzati nel sistema di SIDDHARTA.
Nella Fig. 1 riportiamo lo schema di SIDDHARTA come verrà installato nei primi mesi del 2008
sull‟acceleratore DAFNE.
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introduzione
Fig. 1 Apparato SIDDHARTA installato sull‟acceleratore DAFNE (design)
La tesi contiene nel capitolo Introduzione una descrizione degli elementi reattivi e degli scambi
energetici fra elementi reattivi; nel Capitolo 1 oltre che dei perché si sceglie uno switching, si cercherà
di dare una panoramica sulle tipologie che sono alla base di tutti i circuiti di tipo switching, quindi si
parlerà in particolare del regolatore buck, del regolatore boost e del back-boost; nel capitolo 2 invece
si vanno a vedere nei particolari gli elementi che compongono uno switching, parlando in particolare
dell‟induttore, dei condensatori d‟uscita, degli elementi a semiconduttore ecc, cercando di
dimensionarli e di trovare compromessi tra i vari componenti. Nel terzo capitolo si parlerà delle
possibilità di controllo che si hanno nel circuito, parlando brevemente del controllo in PWM; Nel
capitolo 4 si parlerà della progettazione del regolatore che poi è stato realizzato soffermandosi sui
vari blocchi che lo compongono e sulle differenze che esistono con le tipologie di base;
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introduzione
l‟ultimo capitolo sarà quello della realizzazione e del collaudo, per poi concludere la tesi con alcune
considerazioni.
L‟ultimo capitolo cioè il quinto si basa sulla fase di simulazione del circuito completo e sul suo
collaudo, prima di essere mandato in realizzazione.
La tesi chiude con il capitolo delle Conclusioni dove si vanno a valutare gli aspetti positivi e negativi
del circuito costruiti e dove parlerò delle problematiche che ho incontrato sia nella fase di progetto
che in quella di collaudo.
Elementi reattivi
I circuiti risonanti sono dei particolari circuiti costituiti da elementi reattivi, quali condensatori e
induttori capaci di “oscillare” o “vibrare” ad una propria frequenza di oscillazione. Questa frequenza è
detta di "risonanza" proprio perché l'effetto prodotto dal rimbalzo energetico è identico a quello
prodotto dal fenomeno fisico della risonanza acustica.
Bisogna dire che a causa dei componenti intrinseci presenti in ogni circuito elettronico, ci saranno
sempre delle componenti elettriche induttive e componenti capacitive, per le quali si avrà sempre a
che fare con circuiti risonanti (anche dove non sono stati progettati), da qui la lotta alle auto-
oscillazioni in molti circuiti.
Il principio base dei circuiti risonanti è perfettamente paragonabile al principio per cui un pendolo in
fisica meccanica subisce delle oscillazioni se lo si sollecita con una energia dall‟esterno. Questa
energia può essere somministrata in due modi:
1)Somministrandogli dell‟energia cinetica (fig.a)
2)Caricandolo di energia potenziale(fig.b)
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introduzione
Nel primo caso abbiamo applicato una energia cinetica, cioè energia duratura nel tempo in grado di
compiere un lavoro. L‟energia somministrata è:
2
2
v m
Ec
in cui “m” è la massa del pendolo e “ v ” è la sua velocità. Nel secondo caso invece non abbiamo fatto
altro che portare la massa ad una certa altezza, così che per effetto della gravità si è andata a creare
un energia potenziale pari a:
h P Ep
Dove P è la forza peso, uguale a “g ⋅ m” e h è l‟altezza da terra della massa.
Durante il periodo di oscillazione avviene una trasformazione di energia meccanica:
da energia potenziale a energia cinetica e viceversa, fino a che il moto persiste.
Come si nota, in figura 2, quando il pendolo si trova agli estremi (A e B), la massa si è caricata di
energia potenziale che poi discendendo si ritrasforma in energia cinetica e così fino all‟infinito se non
vi fossero forse di attrito e disturbi.
figura 2
Questo fenomeno dell‟oscillazione meccanica è equivalente al fenomeno dell‟oscillazione elettronica.
Naturalmente cambiano le energie in gioco, non più energia cinetica e potenziale ma bensì energia
elettromagnetica “Em” e energia elettrostatica “Es”. Tali energie sono rispettivamente definite come:
2
2
V C
Es
2
2
I V
Em
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introduzione
Scambi energetici tra elementi reattivi
Un circuito risonante deve possedere una componente induttiva ed una componente capacitiva, in
grado di immagazzinare rispettivamente l‟energia elettromagnetica e elettrostatica. Questi elementi
sono anche chiamati elementi reattivi in quanto reagiscono alle sollecitazioni energetiche.
I due circuiti risonanti per eccellenza sono:
Il primo a sinistra è anche detto risonatore mentre l‟altro a destra è anche conosciuto come anti-
risonatore.
Per entrambe l‟applicazione di una batteria nei capi A e B, sarà la sollecitazione esterna che
innescherà le oscillazioni elettriche.
Durante queste oscillazioni ci sarà uno scambio periodico di energia tra induttore e condensatore,
quel energia che era stata ceduta dalla batteria e che in seguito era stata immagazzinata negli
elementi reattivi.
All‟inizio, prima che l‟oscillazione si inneschi, l‟energia viene immagazzinata nell‟induttore,
sottoforma di energia elettromagnetica Em.
L‟induttore comportandosi come elemento reattivo rilascia velocemente l‟energia immagazzinata
cedendola alla capacità postagli in parallelo, la quale immagazzinerà l‟energia sottoforma di energia
elettrostatica Es.
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introduzione
Il condensatore essendo anch‟esso un elemento reattivo cederà nuovamente l‟energia all‟induttore.
Figura 3
Si viene così a creare un continuo scambio di energia tra induttore e condensatore e di conseguenza,
come si nota in figura 3, una continua trasformazione di energia da elettromagnetica a elettrostatica e
viceversa.
Le due energie si presentano in modo molto diverso, l‟energia elettrostatica si presenta come energia
ad alta tensione, quella che si trova ai capi delle armature del condensatore, quella elettromagnetica
invece si presenta come un energia ad alta corrente, che ragionando per istanti temporali ci induce a
vedere l‟induttore come un cortocircuito per cui una tensione nulla. Ciò ci permette di schematizzare
le quattro fasi presenti in periodo di oscillazione (e di trasferimento di energia), da Em a Es prima e in
verso opposto poi, con le stesse modalità.
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introduzione
A questo punto ci si può chiedere cosa centrino gli elementi reattivi e i loro scambi energetici con la
progettazione di alimentatori? In effetti come si vedrà nel seguito, gli alimentatori switching fondano
la loro forza proprio nella possibilità di effettuare scambi energetici tramite elementi reattivi,
induttore in primo luogo, ed è proprio per questo che ci si è interessati ad essi. In particolare diviene
di particolare importanza capire cosa accade in un induttore e come sia possibile immagazzinare
energia i esso, perché il suo dimensionamento sarà una parte molto importante della progettazione
del regolatore.
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Capitolo 1
1.1 Perché lo switching
L‟esigenza di cambiare tipo di alimentatori, cioè passare da alimentatori da rete classici lineari a
regolatori switching o circuiti chopper, nasce dal fatto che i regolatori lineari (fig. 4), presentano
innumerevoli inconvenienti, legati soprattutto alla presenza del pesante e costoso trasformatore da
50Hz e da un regolatore lineare che, utilizzando transistor in regione attiva ne conseguono grosse
dissipazioni di potenza. In questo modo si abbassa e non di poco il rendimento dell‟alimentatore che
al massimo può raggiungere il 50%.
fig.4
Nel caso invece di alimentatori switching, gli elementi attivi vengono usati come interruttori, cioè
passano dalla zona di saturazione a quella di interdizione molto rapidamente, passando per un breve
periodo nella zona attiva.
Tanto più veloce sarà la frequenza a cui si lavora, tanto minori saranno le dissipazioni. In questo caso
il rendimento sale parecchio, arrivando anche oltre il 95%.
Questi alimentatori, oltre ad avere un rendimento maggiore, possiedono, proprio per la minor
dissipazione, anche la qualità di scaldare meno e di poter avere in ingresso tensioni continue ma non
necessariamente costanti, come possono essere quelle provenienti da dinamo o da accumulatori che
perdono la carica nel tempo.
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Grazie al miglior rendimento e ai minori consumi, questi alimentatori vengono largamente utilizzati in
apparecchi elettronici di consumo (come computer,stereo, tv ecc), e soprattutto in apparecchi che
utilizzano batterie (ad es. laptop, lettori mp3...).
Capitolo 1.perchè lo switching
CONVERTITORI SWITCHING
o Vantaggi:
Alta efficienza
Piccoli
Flessibili
o Svantaggi:
Rumore
Progettazione complessa
Costi
Gli alimentatori switching sono una classe particolare dei dispositivi chiamati DC/DC converter e
costituiscono al giorno d‟oggi la quasi totalità dei mezzi di alimentazione dei circuiti elettronici. Nei
dispositivi da rete (figura 5), si inseriscono
nello schema classico, dopo il condensatore di filtro e vengono utilizzate delle particolari topologie,
che uniscono ai pregi sopra citati l‟isolamento galvanico obbligatorio per legge.
fig.5
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