Il costo dell'elettricità nel mondo ha continuato ad aumentare negli ultimi 40 anni. A parte qualche periodo di tariffe fisse e qualche piccola riduzione, il costo dell'elettricità è aumentato quasi ogni anno a partire dal 1970. Tra i fattori che hanno favorito questa tendenza figurano l'incremento della popolazione e l'avvento dell'era digitale. Ma se la storia può fungere da indicatore per il futuro, le aziende che forniscono servizi pubblici devono affrontare tutta una serie di nuove sfide che provocheranno ulteriori aumenti delle tariffe negli anni a venire. I tre fattori principali che causeranno un aumento delle tariffe nei prossimi dieci anni sono: gli investimenti nelle infrastrutture; l'effetto prezzi composti; l'aumento delle norme ambientali. È probabile che la combinazione di questi fattori comporti un aumento del costo dell'elettricità per uso domestico, con potenziali impennate dei prezzi negli anni successivi. Le 'public utilities' sono aziende con investitori e azionisti, esattamente come qualsiasi altra società quotata in Borsa. Devono ricavare utili per i propri investitori sotto forma di profitti e, quando i loro costi aumentano, li fanno ricadere sui rispettivi clienti.
Investimenti in infrastrutture
Gli investimenti nelle infrastrutture sono cresciuti poco per un bel po' di tempo. Quello delle aziende elettriche è uno dei settori più fortemente capitalizzato e i costi di capitale necessari per migliorare la rete influiscono notevolmente sulla definizione dei prezzi dell'elettricità al dettaglio. Per compensare decenni di carenza di investimenti, le 'public utilities' hanno iniziato a reinvestire nella loro infrastruttura primaria, ad esempio costruendo nuove centrali elettriche e rinforzando il sistema di fornitura, in particolare le linee di trasmissione ad alta tensione, le sottostazioni e i sistemi di distribuzione che forniscono elettricità alle case. Ad esempio negli Usa l'Edison Electric Institute prevede che, entro il 2030, le aziende erogatrici dovranno spendere da 1,5 a 2 trilioni di dollari per far crescere e migliorare l'infrastruttura. Inoltre si prevede che, per integrare la tecnologia 'smart grid' e far diventare il sistema “intelligente”, rispettando le norme ambientali in vigore e proposte, serviranno altri 250 miliardi di dollari.
I prezzi composti
L'effetto prezzi composti fa riferimento alla necessità di aumentare le tariffe elettriche più velocemente del tasso di uscita dalla rete da parte degli utenti e della diminuzione di kilowattora dovuta a un uso più razionale dell'elettricità. Per evitare tariffe elettriche sempre più elevate molti proprietari di case e molte aziende adottano fonti energetiche alternative come l'energia solare. Quando i clienti lasciano la rete e interrompono i pagamenti, le aziende fornitrici devono recuperare le mancate entrate dai clienti rimasti. Al momento solo una piccola percentuale ha optato per l'energia solare, ma è un dato destinato ad aumentare, pertanto l'onere economico delle aziende fornitrici verrà trasferito ai loro vicini. Giusto o no, questa è la realtà: le 'public utilities' devono generare ricavi sempre maggiori per coprire costi sempre crescenti.
Le norme ambientali
L'aumento delle norme ambientali è il terzo fattore che fa aumentare le tariffe elettriche. La maggior parte delle aziende elettriche è soggetta a norme ambientali, oltre che a norme relative alla qualità dell'aria e dell'acqua. Non c'è dubbio che queste normative abbiano come conseguenza emissioni più pulite e condizioni ambientali migliori, ma i costi ad esse associati sono notevoli. I costi che le aziende sosterranno per ridurre sempre più le emissioni peseranno sulle bollette e dovranno essere distribuiti equamente tra tutti gli utenti della rete. Ecco quindi che i pannelli solari si diffondono nelle case, nelle scuole, negli edifici industriali, nei parcheggi e ovunque il sole sia ampiamente visibile. Le fattorie solari vengono installate in aree strategiche in cui il clima favorisce la generazione di energia solare. La maggior parte dei sistemi a energia rinnovabile viene utilizzata in aggiunta alla rete elettrica; alcuni però, compresi nuovi progetti per i centri di elaborazione dati, sono progettati in modo da assorbire energia dalla rete solo come riserva. La tensione e l'energia erogabile variano molto in base al numero dei pannelli solari, al tipo di configurazione e alle loro dimensioni relative. Tale variazione può comportare l'uso di più stadi di potenza per raggiungere la tensione di uscita desiderata e livelli di massima potenza che, tuttavia, può portare a una riduzione del rendimento e ad un aumento dei costi. È evidente che occorre migliorare il processo di conversione dell'energia solare allo stato puro in una tensione fissa regolata, da usare per caricare una batteria o da convertire in una tensione Ac da ridistribuire sulla rete. Il nuovo dispositivo di Linear Technology, l'LT8705, risolve molti di questi problemi e offre una soluzione semplificata.
Un approccio nuovo
L'LT8705 è un controller Dc/Dc buck-boost sincrono ad altissimo rendimento (fino al 98%) che funziona con tensioni di ingresso superiori, inferiori o uguali alla tensione di uscita regolata. Questo dispositivo è dotato di quattro loop di feedback per regolare la corrente/tensione di ingresso e di uscita. I loop di feedback della corrente e della tensione possono impedire il sovraccarico delle celle solari. Il loop della corrente di uscita fornisce una corrente di uscita regolata per il caricabatteria o una sorgente di corrente. L'LT8705 funziona in un ampio range di tensioni di ingresso comprese tra 2,8 V e 80 V e produce tensioni di uscita da 1,3 V a 80 V usando un solo induttore con un rettificatore sincrono a 4 switch. Un solo dispositivo può fornire fino a 250 W di potenza. La configurazione in parallelo di più circuiti garantisce una maggiore potenza di uscita. L'LT8705 si basa su un'architettura di controllo in 'current mode' proprietaria per il funzionamento a frequenza costante nella modalità buck o boost e utilizza on-board quattro potenti driver per i gate dei Mosfet a canale N. L'utente può selezionare il funzionamento forzato continuo, discontinuo e Burst Mode per ottimizzare il rendimento con carichi leggeri. Tra le altre caratteristiche figurano servo pin che indicano i loop di feedback attivi, un Ldo da 3,3V/12mA per l'alimentazione di dispositivi esterni, la funzione soft-start regolabile, il monitoraggio on-board della temperatura del die e un range di temperature di giunzione comprese tra -40°C e 125°C. L'LT8705 è disponibile in un package QFN-38 da 5 x 7 mm e un package TSSOP-38. È inoltre disponibile un modello di circuito LTspice per l'LT8705 da utilizzare per valutare velocemente qualsiasi tipo di applicazione creativa. L'LT8705 contiene quattro amplificatori di errore che consentono di regolare o limitare la corrente e la tensione di ingresso e di uscita. In un'applicazione tipica la tensione di uscita potrebbe essere regolata, mentre gli altri amplificatori di errore monitorano eventuali condizioni di sovracorrente di ingresso o uscita o di sottotensione di ingresso. In altre applicazioni (ad esempio caricabatteria) il regolatore della corrente di uscita può facilitare la carica a corrente costante fino al raggiungimento di una tensione predefinita nel punto in cui subentrerebbe il controllo della tensione di uscita. Lo schema a blocchi di Fig. 1 mostra l'ingresso di un pannello solare in cui l'LT8705 viene utilizzato per caricare delle batterie.
I servoindicatori
Nello schema a blocchi di Fig. 1, l'LT8705 rileva la tensione di ingresso del pannello solare con l'amplificatore di errore EA3 on-board per evitare che crolli. Inoltre carica quattro batterie al piombo-acido in serie con una corrente costante utilizzando l'amplificatore di errore EA1. L'LT8705 è dotato di quattro servo pin ma, per rendere l'esempio più chiaro, ne vengono mostrati solo due. La fonte di corrente del caricabatteria controlla l'LT8705 in modo da fornire una corrente di carica da 5 A (si veda l'indicatore Led rosso). Quando la tensione del pannello solare scende al di sotto di un determinato valore, l'LT8705 riduce la corrente di carica per evitare un crollo di tale tensione. Gli altri due servo pin che non si vendono nello schema a blocchi sono quelli della corrente di ingresso e della tensione di uscita. Tutti questi servo indicatori sono molto utili in caso di utilizzo della funzione Mppt (Maximum Power Point Tracking). Nella Fig. 2 si vede lo schema completo dell'LT8705 che funziona con tensioni di ingresso comprese tra 28 V e 72 V, un range abbastanza ampio da coprire la tensione di ingresso del pannello solare in questa applicazione. Quattro Mosfet esterni consentono di utilizzare questo circuito come convertitore buck-boost sincrono; ognuno è configurato come fonte di corrente per caricare 4 batterie al piombo-acido in serie.
Lo switch di alimentazione
Nella Fig. 3 si vede lo schema semplificato del collegamento dei quattro interruttori di alimentazione con l'induttore, VIN, VOUT e la terra. Quando il valore di VIN è molto più alto di VOUT, il dispositivo opera nella modalità buck (step-down). In questa regione M3 è sempre disattivato, mentre M4 è sempre attivo, a meno che venga rilevata corrente inversa durante il funzionamento in modalità Burst Mode o discontinuo. All'inizio di ogni ciclo l'interruttore sincrono M2 viene attivato per primo e un amplificatore interno rileva la corrente dell'induttore. Una rampa di compensazione della pendenza viene aggiunta alla tensione rilevata che viene poi confrontata con una tensione di riferimento. Quando la corrente dell'induttore rilevata scende al di sotto del valore di riferimento, l'interruttore M2 viene disattivato e l'interruttore M1 (raddrizzatore sincrono) rimane attivo per il resto del ciclo. Gli interruttori M1 e M2 si alternano, comportandosi come un normale regolatore buck sincrono. Quando i valori di VIN e VOUT sono quasi uguali, il duty cycle diminuisce fino a raggiungere il duty cycle minimo del convertitore nella modalità buck, il dispositivo passa nella regione buck-boost e i quattro Mosfet commutano. Quando il valore di VOUT è molto più alto di VIN, il dispositivo opera nella modalità boost (step-up). In questa regione M1 è sempre attivo, mentre M2 è sempre disattivato. All'inizio di ogni ciclo l'interruttore M3 viene attivato per primo e un amplificatore interno rileva la corrente dell'induttore. Quando la corrente dell'induttore rilevata supera la tensione di riferimento, l'interruttore M3 viene disattivato e l'interruttore M4 rimane attivo per il resto del ciclo. Gli interruttori M3 e M4 si alternano, comportandosi come un normale regolatore boost sincrono.
Caricatore per supercondensatori bidirezionale
L'LT8705 può essere configurato anche come caricatore per supercondensatori bidirezionale. Questo circuito opera da un backplane Pci con una tensione di ingresso nominale di 12 V. In presenza della tensione di ingresso, l'alimentazione passa direttamente ai convertitori Dc/Dc del carico di sistema e al circuito del caricatore per supercondensatori LT8705 attraverso un diodo di blocco. Un banco di sei supercondensatori in serie viene caricato a 15 V con una corrente di carico da 1 amp. Quando l'ingresso del backplane Pci a 12 V viene rimosso, l'LT8705 opera nella direzione opposta e l'energia dei supercondensatori viene fornita ai carichi da 12 V. In questa modalità si possono fornire fino a 6 A di corrente. In questo modo un'unica alimentazione bidirezionale sostituisce due alimentazioni Pwm tradizionali, con conseguente riduzione dei costi e del numero di componenti. Non occorre un power routing/management supplementare, pertanto diminuisce il numero di componenti e le perdite di potenza a cui sono soggetti i circuiti aggiuntivi.
Condizioni di guasto
In presenza di determinate condizioni operative l'LT8705 attiva una 'fault sequence'. Qualora una di queste condizioni dovesse verificarsi (ad esempio sovracorrente o sovratensione), lo switching interno e l'uscita di clock vengono disattivati. Contemporaneamente inizia una sequenza di timeout in cui occorre reinizializzare la funzione soft-start. Se il guasto permane (ad esempio durante un evento di sovracorrente), la funzione soft-start non può riavviare il convertitore. Una volta rimosso il guasto e al termine di un periodo di timeout predefinito, il convertitore viene riavviato a una velocità che dipende dal valore del condensatore assegnato al pin di soft-start dell'LT8705. Il periodo di timeout evita sollecitazioni elettriche e termiche al dispositivo e ad altri componenti a valle.
