L’elettronica al servizio del risparmio energetico

Come possono contribuire le nuove tecnologie e i nuovi componenti ‘verdi’ al risparmio energetico all’interno dei prodotti finiti (sia professionali che consumer)?

Sul tema abbiamo raccolto l’opinione di Alfred Hesener, Director Marketing & Applications Europe di Fairchild Semiconductor.

Secondo Hesener, un’area nella quale le nuove tecnologie e i nuovi componenti contribuiscono al risparmio energetico riguarda l’assorbimento di corrente in standby, ovvero il consumo di elettricità imputabile ad apparecchi che risultano spenti o che comunque non stanno svolgendo la loro funzione primaria. “Quasi tutti i prodotti dotati di alimentatore esterno, telecomando, display permanente (orologi a LED, per esempio) o caricabatterie assorbono elettricità costantemente”, egli afferma. “Una tipica abitazione statunitense possiede 40 apparecchi di questo genere: il loro assorbimento in standby equivale a quasi il 10% del consumo residenziale di elettricità, pari a un costo di 220 dollari all’anno.

I numeri riferiti ai Paesi più sviluppati indicano che l’assorbimento in standby è responsabile di una quota variabile dal 5% al 10% dell’intero consumo elettrico”.

Osservando i dati cumulati nel loro insieme, Hesener sottolinea che la situazione è ancora più drammatica: “Negli Stati Uniti la bolletta collettiva prodotta dall’assorbimento in standby supera i 4 miliardi di dollari all’anno.

Sommando uffici e abitazioni, gli apparecchi in standby producono l’1% delle emissioni globali di CO2. Gli esperti inoltre concordano sul fatto che la maggior parte di questo consumo inutile possa essere eliminato mediante policy normative, soluzioni tecniche intelligenti e modifiche delle abitudini personali”.

Per i principali marchi di apparecchiature elettroniche, risparmio energetico e responsabilità ambientale sono certamente due vantaggi competitivi.

Ma poiché anche il prezzo è un fattore di importanza decisiva sul mercato, questi stessi produttori possono essere disposti a mettere in secondo piano la riduzione dei consumi in standby quando il costo degli alimentatori risulta troppo elevato.

In questo modo le soluzioni basate su semiconduttori per alimentazione che richiedono componenti ulteriori aumentando conseguentemente i costi della BOM (Bill of Materials) si trovano in una situazione di svantaggio competitivo.

“Per i produttori di semiconduttori come Fairchild, le sfide tecniche necessarie a raggiungere valori bassi di assorbimento in standby con la minima quantità di componenti possibile non sono banali. In condizione di standby/assenza di carico esistono numerose fonti di perdita di potenza, e per ridurle occorrono varie tecnologie”, prosegue Hesener.

“Per risolvere il problema Fairchild ha sviluppato la tecnologia mWSaver, una combinazione ottimizzata di tecnologie di processo e di circuito che verrà integrata nei principali componenti degli alimentatori. La soluzione comprende cinque brevetti tecnologici (modulazione off time, circuiteria e start-up a JFET HV, switch di impedenza di feedback, scarica HV e controllo PSR per i salti di tensione), oltre a tecniche apposite per il funzionamento in modalità burst e per la limitazione delle correnti quiescenti”.

Maggiore attenzione ai consumi

Chiediamo allora a Hesener se, considerando il punto di vista del risparmio energetico, pensa sia possibile adottare anche i componenti e le tecnologie di precedente generazione in maniera più efficace…

“Per quanto sia possibile implementare i componenti in modo più attento ai consumi, ciò avverrebbe a scapito dei costi, dell’affidabilità, dello spazio occupato sulla scheda e della complessità del design”, egli risponde. “La modulazione off time è difficile da realizzare usando chip di controllo, dal momento che questi potrebbero non fornire l’accesso ai punti interni che è invece necessario per implementare un tale metodo di controllo.

Oltretutto, le tecniche di risparmio energetico di vecchia generazione sono di tipo esterno, mentre oggi noi possiamo integrare i nuovi circuiti direttamente all’interno degli integrati.

Le vecchie tecniche prevedono inoltre la realizzazione di un circuito di start-up a Jfet esterno variando la frequenza dell’oscillatore o commutando la frequenza per ottimizzare secondo il cambiamento delle condizioni di carico, più la realizzazione di un circuito esterno per la scarica HV degli X-Cap, per non parlare del ricorso a ulteriori avvolgimenti sul trasformatore per il PSR”.

Tutto questo, secondo Hesener, aggiunge costi, occupazione su scheda e complessità progettuale. Integrare le tecnologie come è stato fatto con mWSaver significa invece realizzare design intelligenti.

Una serie di vantaggi

Concludiamo con la domanda più importante: a parte alleggerire la bolletta elettrica, quali sono gli altri vantaggi che possono scaturire dall’utilizzo di tecnologie e componenti ‘verdi’?

“Con la diminuzione delle riserve di combustibili fossili sale la preoccupazione globale inerente la sostenibilità dei nostri stili di vita attuali e dell’elettronica che li rende possibili”, afferma Hesener. “Il ‘green engineering’ è un concetto che sta emergendo non solo nell’industria dei semiconduttori ma anche nel mondo delle università e degli enti pubblici.

Ogni anno la EPA (Environmental Protection Agency), l’agenzia ambientale statunitense, promuove specifiche sempre più rigorose in termini di efficienza energetica per chi vuole ottenere il logo Energy Star, con l’obiettivo di ridurre gli sprechi di corrente e alleggerire la richiesta alla griglia di distribuzione.

E in altre parti del globo continuano a proliferare normative volontarie e obbligatorie per l’uso di apparecchi elettronici efficienti. In tutto questo la tecnologia dei semiconduttori è in grado di giocare un ruolo fondamentale nella creazione di un mondo sostenibile”.

Hesener sottolinea che le decisioni tecniche inerenti il design e il packing degli IC hanno un profondo impatto sul risparmio di energia elettrica.

“L’efficienza è un parametro prestazionale complesso che viene definito dalla comunità tecnica in una miriade di modi”, egli sostiene. “Progettare circuiti capaci di ridurre l’assorbimento in standby di un sistema per rispettare il limite legale di 1W può avere un impatto enorme sul risparmio energetico.

Usare IC di rifasamento per equilibrare il rapporto tra potenza effettiva e potenza apparente può far risparmiare costi ed energia. I design a motori basati su inverter che si avvalgono di IC integrati vantano un’efficienza di corrente superiore almeno del 40% salvaguardando quantità significative di elettricità.

Soluzioni a Mosfet o Mosfet integrati con valori superiori di on resistance e bassa gate charge riducono le perdite di commutazione e favoriscono maggiori livelli di efficienza nelle applicazioni finali.