L'energia elettrica può essere trasmessa sia come corrente alternata (AC) che come corrente continua (DC). La corrente alternata è caratterizzata da un andamento di tipo sinusoidale, mentre la corrente continua ha una forma stabile nel tempo.
Corrente Continua e Corrente Alternata: Un Po' di Storia
Le prime applicazioni industriali dell'energia elettrica, nel XIX secolo, utilizzavano la corrente continua accumulata in batterie. L'uso della corrente alternata risale al 1888, con l'introduzione da parte di Tesla.
Sebbene Thomas Edison avesse brevettato la distribuzione dell'energia elettrica in continua già nel 1880, il suo sistema si rivelò inefficiente e poco conveniente, soprattutto a causa delle difficoltà nel trasporto.
La "Guerra delle Correnti", una competizione tra corrente continua e alternata, vide la vittoria di Tesla, che dimostrò i vantaggi della corrente alternata in termini di distribuzione dell'energia. Grazie all'uso dei trasformatori, la tensione poteva essere facilmente elevata, riducendo le perdite nel trasporto e i costi.
La corrente alternata si affermò così in tutto il mondo ed è attualmente distribuita a due diverse frequenze: 50 Hz in Europa, Asia e Africa, e 60 Hz in America e parte del Giappone. Inoltre, viene erogata a diverse tensioni.
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Corrente Continua e Corrente Alternata: Definizioni e Simbologia
Corrente elettrica continua e corrente elettrica alternata si distinguono soprattutto per simbologia e campi di applicazione.
Corrente Continua
La corrente continua è una tensione il cui andamento risulta essere stabile nel tempo. Idealmente, potrebbe essere rappresentata da una linea retta. La sua applicazione più evidente è una comune batteria, costituita da due differenti cariche elettriche polarizzate, una positiva e l'altra negativa, che restano invariate nel tempo.
Nella corrente continua, vi è un flusso di elettroni che si muovono sempre nello stesso verso all'interno del circuito; pertanto, la tensione sarà costante e di uguale intensità nel tempo.
La sigla per indicare la corrente continua è CC (continuous current) o DC (direct current). Simbolicamente, essa può essere rappresentata da una linea retta continua seguita da tre linee più corte tratteggiate. Questa simbologia è necessaria per rispettare la polarità della corrente continua, come nel caso delle batterie, dotate di un polo positivo e uno negativo.
Corrente Alternata
La corrente alternata è una tensione o corrente elettrica caratterizzata da un'alternanza di pulsazioni positive e negative e da una variabile nel tempo che le consente di mantenere una frequenza costante.
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In un contesto domestico, il valore di questo tipo di corrente oscilla da un picco positivo di 16 ampère ad uno negativo di -16 ampère. La simbologia utilizzata per rappresentarla è espressa dalla sigla AC o CA (alternating current o current alternating) e graficamente da un cerchio contenente al suo interno un'onda: (~).
Differenza tra Corrente Continua e Corrente Alternata e Ambiti d'Uso
La principale differenza tra corrente elettrica continua e corrente elettrica alternata risiede proprio nel diverso meccanismo di funzionamento, oltre che negli ambiti di applicazione.
Nella corrente continua, gli elettroni fluiscono e circolano in modo continuo seguendo una direzione costante, mentre nel caso della corrente alternata essi oscillano avanti e indietro secondo un andamento di tipo periodico.
Da un punto di vista pratico, la corrente continua è ampiamente utilizzata in elettronica in apparecchi alimentati con pile e batterie, cioè quelli che richiedono bassa tensione e dunque capaci di generare esclusivamente questo tipo di corrente.
La corrente alternata, invece, è utilizzata qualora siano richieste alte tensioni che la corrente continua non riuscirebbe a soddisfare, per le quali si avvale dell'ausilio dei trasformatori, in grado di assicurare un trasporto di elevate potenze elettriche a tensioni elevate.
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La corrente continua viene impiegata negli impianti elettrici delle automobili, dove viene generata da un alternatore e accumulata in una batteria di piombo. Può essere prodotta non soltanto con una dinamo ma anche a partire dalla corrente alternata e subire poi in processo di raddrizzamento tramite diodi o ponti raddrizzatori.
Gli alternatori assicurano un rendimento molto più elevato, a parità di semplicità costruttiva, rispetto alle dinamo in corrente continua, mentre i dispositivi detti inverter consentono di generare corrente elettrica alternata a partire da quella continua.
Oggi la corrente continua viene utilizzata in diversi ambiti di applicazione, che vanno da elettrodotti a cavi sottomarini e pile a combustibile fino ad arrivare al settore ferroviario o ai pannelli fotovoltaici.
Qual è la Differenza tra Tensione e Corrente?
Tensione e corrente sono due termini spesso scambiati per sinonimi nel linguaggio quotidiano, ma in realtà corrispondono a due concetti ben distinti.
Se volessimo trovare un'analogia utile a spiegare la differenza tra tensione e corrente potremmo scegliere il serbatoio di acqua, dove la tensione è rappresentata dalla pressione dell'acqua e la corrente dal flusso idrico.
In particolare, in presenza di due serbatoi di acqua posti a diverse altezze e collegati da un tubo osserveremo che il flusso si dirigerà da quello superiore a quello inferiore, mentre se i due serbatoi si trovassero alla stessa altezza non potremmo notare alcun flusso di corrente.
Riconducendo l'esempio ad un circuito elettrico, al posto delle differenti altezze troveremo una differenza di potenziale elettrico, cioè la presenza di un numero elevato di elettroni in un solo contenitore, mentre al posto dell'acqua le cariche elettriche e un filo di rame invece del tubo.
In questo caso, la differenza tra le cariche elettriche aumenterà parallelamente al potenziale in grado di farle muovere ossia gli elettroni tenderanno a spostarsi dalla parte con maggiore carica alle zone con carica inferiore fino ad avere la stessa densità.
Trasmissione di Energia negli Impianti Domestici
La trasmissione di corrente elettrica in un impianto può avvenire sotto forma di corrente continua o corrente alternata. La corrente continua utilizza un flusso costante di cariche elettriche, che attraverso un conduttore, circolano sempre nella stessa direzione. La corrente alternata invece ha un andamento sinusoidale e il flusso delle sue cariche elettriche si inverte: l'intensità varia nel tempo con un andamento oscillatorio, passando da un massimo positivo a un massimo negativo.
Le applicazioni più comuni per la corrente alternata sono nella produzione e nel trasporto di elettricità ad alta tensione. Usano corrente elettrica alternata quasi tutti gli impianti elettrici civili di case, uffici e negozi. Questo perché la corrente elettrica alternata viaggia meglio e costa meno, e le macchine usate per generare l’AC sono meno costose e più facili da produrre. Gli alternatori ad esempio sono più efficienti, semplici ed affidabili rispetto alle dinamo.
L’impianto elettrico di casa usa corrente alternata, più precisamente corrente alternata monofase, si tratta di circuiti cioè alimentati da una sola tensione alternata. Viene realizzato al fine di soddisfare un determinato fabbisogno di energia domestica; il processo energetico si svolge attraverso dei cavi elettrici che trasportano la corrente elettrica agli utilizzatori, ai punti luce e alle linee elettriche.
Interruttori Differenziali: Tipi e Scelta
Esistono quattro tipi di interruttori differenziali: tipo AC, A, F, B. Per proteggere le persone dai contatti indiretti, la norma CEI 64-8 prescrive la presenza di un interruttore in grado di interrompere automaticamente l’alimentazione in caso di guasto in tempi brevi (qualche decimo di secondo).
L’interruttore differenziale è un dispositivo che misura la differenza tra la corrente entrante e quella uscente nel circuito protetto. Interviene quando si manifesta una differenza tra le due correnti, infatti in assenza di guasti, la corrente che parte verso il carico è la stessa di quella che torna.
La scelta del tipo di RCD (Residual Current Device) da parte dell’installatore o del progettista dell’impianto, si deve tener conto della possibile corrente di guasto causata dagli apparecchi utilizzatori che si intendono alimentare.
Nella tabella seguente vi è un riepilogo dei principali casi ove le norme italiane richiedono o raccomandano esplicitamente l’installazione di differenziali almeno di tipo A.
| Applicazione | Tipo di Differenziale Raccomandato/Obbligatorio |
|---|---|
| Locali ad uso medico (gruppo 1) | Tipo A (obbligatorio per circuiti terminali con prese fino a 32A) |
| Inverter con collegamento fisso all'impianto | Tipo B (in alcuni casi, a seconda della corrente continua nel conduttore equipotenziale) |
Nei locali ad uso medico, le apparecchiature elettromedicali, come ad es. gli apparecchi per tomografia assiale computerizzata (TAC) o per risonanza magnetica (RM) ecc. Infatti, la norma CEI 64-8 Sez. 710 stabilisce che "I circuiti terminali dei locali ad uso medico di gruppo 1, che alimentino prese a spina con corrente nominale sino a 32 A, devono essere protetti con interruttori differenziali aventi corrente differenziale nominale non superiore a 30 mA (protezione addizionale).
Convertitori AC/DC: Trasformazione dell'Energia
La conversione di energia da una forma all’altra ha il compito di cambiare la forma d’onda, la tipologia, la tensione o la frequenza della corrente elettrica. Un sistema di conversione può anche prevedere più trasformazioni. Un convertitore di potenza è un dispositivo che converte l’energia elettrica. Potrebbe trattarsi di semplice trasformatore o di un complesso circuito che modifichi anche la frequenza o il tipo di segnale.
La trasformazione di potenza AC/DC (Alternate Current/Direct Current) ha lo scopo di convertire la corrente elettrica proveniente da una fonte di alimentazione alternata, come la rete elettrica, nei valori di tensione e corrente continue necessari per alimentare un carico.
Per realizzare un sistema di conversione occorre avere perfettamente chiari alcuni concetti sostanziali che stanno alla base della teoria della trasformazione del segnale. In figura 1 è possibile osservare un segnale sinusoidale con caratteristiche ben determinate. Il progettista che si appresti a creare un sistema di commutazione deve, in primo luogo, conoscere in modo approfondito le caratteristiche del segnale che deve trattare, gestire e modificare. Anche il segnale processato a valle deve essere noto.
Quando si acquista un trasformatore (sia che si tratti di elevatore o abbassatore) non basta conoscere solo la tensione di uscita, ma anche se essa è RMS, picco picco o zero picco.
Conversione Lineare AC/DC
La conversione lineare AC/DC risulta estremamente semplice ed economica. E’ sufficiente l’adozione di un trasformatore per alzare o abbassare la tensione d’ingresso, di un rettificatore e di un filtro.
Uno dei più grossi inconvenienti di tale metodo è rappresentato dalle dimensioni del trasformatore. La meccanica e la fisica impone grandi proporzioni, in relazione anche alle correnti e alle potenze richieste. La trasformazione lineare non risulta particolarmente efficiente, in quanto buona parte della potenza viene dissipata in calore.
Conversione Switching AC/DC
Per migliorare le prestazioni e l’efficienza negli alimentatori e nei convertitori AC/DC si adotta, da qualche tempo, la tecnica di Switching. La nuova tecnologia e la comparsa di migliori componenti di commutazione a semiconduttori permette di ottenere risultati estremamente importanti. La prima miglioria che balza subito agli occhi riguarda le dimensioni del trasformatore.
Aumenta anche la densità del circuito, grazie alla riduzione delle dimensioni degli elementi passivi, come gli induttori e i condensatori. Inoltre essi dissipano una minima potenza in calore. Il funzionamento ad alta frequenza evita il raggiungimento della saturazione da parte dell’induttore, che si traduce in dimensioni più compatte dell’intero circuito.
Il rovescio della medaglia è rappresentato, oltre che alla complessità circuitale, dalla generazione di rumore e interferenze nell’ambiente circostante. Sono necessari, pertanto, circuiti di filtro abbastanza complessi che si aggiungono all’intero progetto. Con questa tecnica l’efficienza del sistema può superare facilmente il 98%.
Pro e Contro tra Sistemi Lineari e Switching
Se si focalizza l’attenzione sull’efficienza e le prestazioni del sistema, la tipologia switching è senz’altro quella da preferire. Vi sono, tuttavia, alcune caratteristiche che a volte lasciano preferire il primo circuito al secondo.
- Efficienza: Relativamente alla tecnica Switching i transistor offrono una minore Rds(on) e la dissipazione della potenza in calore è molto minore.
- Rumore e interferenze: I regolatori lineari regolati sono caratterizzati da un rumore molto basso. Questo è il motivo per cui essi sono molto utilizzati nel campo medico. Nei circuiti switching è presente, invece, un importante tasso di rumore, dovuto proprio alla commutazione del sistema.
- Complessità circuitale: Un circuito lineare tende ad avere pochi componenti elettronici, per cui esso risulta sostanzialmente semplice, sia dal punto di vista funzionale che meccanico ed elettrico. I circuiti switching, invece, hanno molti componenti in più e le tecniche di commutazione possono scaturire in soluzioni più complesse e costose.
- Misure e peso: Un convertitore o alimentatore lineare necessita di un grosso trasformatore, per vie delle basse frequenze in gioco, e questo ne lievita, ovviamente, le dimensioni e il peso. La tecnica switching, al contrario, funzionando a frequenze molto alte, implica l’utilizzo di piccoli trasformatori, per via delle basse induttanze richieste.
Filtri EMI
L’incremento della frequenza di commutazione determina un aumento delle emissioni elettromagnetiche, causando problematiche di affidabilità e di compatibilità elettromagnetica. Se non si adottano adeguate protezioni e non vengono utilizzati filtri adatti, le loro prestazioni complessive potrebbero risultare gravemente ridotte. Una delle soluzioni più efficienti è l’impiego dei filtri EMI, che ormai fanno parte integrante del convertitore.
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