Conclusioni e Sviluppi Futuri 160
Conclusioni e Sviluppi Futuri
Lo scopo della tesi è stato quello di migliorare le prestazioni di un sistema di accensione innovativo a scarica capacitiva, analizzando le cause delle discrepanze riscontrate tra i dati sperimentali e quelli ricavati mediante simulazioni in fase di progetto.
L’analisi si è concentrata principalmente sul moltiplicatore di tensione, realizzato secondo l’architettura Cockorft-Walton Half-Wave, il quale rappresenta il blocco principale del sistema ovvero quello che permette di generare la tensione di breakdown e di accumulare l’energia necessaria per la scarica.
Lo studio mediante simulazioni di un moltiplicatore ideale, ossia con i diodi sostituiti da interruttori ideali, ha permesso l’implementazione di un modello analitico per il moltiplicatore. Il confronto tra i risultati ottenuti dalle simulazioni e quelli forniti dal modello è stato soddisfacente.
Introducendo nel modello gli effetti dovuti alle capacità di giunzione dei diodi polarizzati inversamente, si è constatata una riduzione del guadagno del moltiplicatore all’aumentare del valore assunto da queste capacità.
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A differenza di quanto si è ottenuto dalle simulazione della prima versione del moltiplicatore, effettuate utilizzando i diodi STTH112, i dati forniti dal modello sono risultati coerenti con le misure sperimentali realizzate nel precedente lavoro di tesi.
E’ stata quindi messa in discussione la validità della model dei diodi fornita dal costruttore, in particolare il valore assunto dalla capacità di giunzione del diodo in polarizzazione inversa. Infatti dalle curve C-V ottenute mediante simulazione tale capacità è risultata inferiore di circa due ordini di grandezza rispetto ai valori tipici riportati dal costruttore. Attraverso l’analisi di un semplice moltiplicatore a singolo stadio è stato possibile valutare come le capacità di giunzione possano intervenire negativamente sottraendo carica utile ai condensatori del moltiplicatore. Inoltre si è constatato che la perdita introdotta da tali capacità è legata al valore che esse assumono rispetto alle capacità del moltiplicatore. In particolare quanto più le capacità di giunzione sono prossime a quelle del moltiplicatore maggiore risulta la riduzione del guadagno effettivo.
Sempre dall’analisi di un moltiplicatore a singolo stadio, si è osservato che per avere una riduzione del tempo di salita della tensione d’uscita del moltiplicatore, è necessario far assumere ai condensatori valori di capacità decrescenti partendo dall’ingresso verso l’uscita. In tal modo si favorisce la distribuzione di carica lungo gli stadi del moltiplicatore ottenendo al contempo una riduzione del ripple sulla tensione d’uscita.
Il miglioramento sul tempo di risposta è tanto maggiore quanto maggiore è il salto di capacità fra un condensatore e il successivo.
Sfruttando il modello implementato è stato possibile realizzare un programma scritto in linguaggio C che ha permesso di determinare una possibile configurazione ottima per i condensatori del moltiplicatore.
E’ stata così realizzata una nuova versione del moltiplicatore nel quale al fine di ridurre (idealmente dimezzare) le capacità di giunzione sono stati utilizzati due diodi in serie invece che un unico diodo, mentre per i condensatori sono state considerate le capacità della configurazione ottima ricavata.
I risultati sperimentali hanno confermato quanto predetto dal modello. La massima tensione raggiunta in uscita a regime è circa pari a 12 kV contro i 5 kV del precedente moltiplicatore. Anche il tempo impiegato per generare una scarica in aria è notevolmente migliorato passando da 1,62 ms a circa 84 μs.
Sono stati effettuati dei test in ambienti a pressioni superiori a quella atmosferica, dai quali è emerso che il sistema è in grado di generare scariche fino a pressioni di 5 bar. Di fatti a
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tale pressione la tensione di breakdown è risultata pari a circa 12 kV, ovvero la massima raggiungibile con il moltiplicatore realizzato. Il tempo impiegato per generare una scarica in queste condizioni è di circa 1,56 ms, inferiore quindi a quello richiesto dal precedente moltiplicatore per generare scariche a pressione atmosferica.
Nonostante il notevole miglioramento tale tempo risulta ancora elevato se si desidera generare una seconda scarica per garantire l’innesco della combustione.
Inoltre affinché il sistema sia in grado di generare scariche all’interno della camera di combustione, dove la pressione è all’incirca 10 bar, occorre aumentare ulteriormente il guadagno reale del moltiplicatore.
Tenendo presente i limiti emersi dalle misure sperimentali e al fine di eliminare i problemi riscontrati durante le misure con l’attuale sistema, è stata progettata una nuova versione del sistema di accensione realizzata su di un’unica PCB.
Nel progetto è stato previsto l’utilizzo del moltiplicatore Full-Wave, che rispetto all’ Half-Wave permette di ottenere una significativa riduzione dei tempi di salita della tensione d’uscita. Inoltre, per diminuire ulteriormente le perdite dovute alle capacità di giunzione dei diodi, sono stati utilizzati tre diodi in serie per ogni stadio.
Le misure effettuate su questa nuova versione del sistema saranno significative per capire il margine di miglioramento introdotto dal Full-Wave sulla risposta temporale del sistema, ma anche per valutare fino a che punto la strategia di utilizzare più diodi in serie risulta essere una buona strada per aumentare il guadagno reale del moltiplicatore. Infatti bisogna tener presente che la massima tensione inversa applicata a ciascun diodo risulta una frazione della tensione applicata all’intera serie e quindi la capacità di giunzione di ciascun diodo risulterà maggiore all’aumentare del numero di diodi.
Nel caso in cui con il Full-Wave non si dovessero ottenere i risultati sperati sarà necessaria un’ulteriore revisione del sistema. La via giusta potrebbe essere quella di aumentare il numero di stadi del moltiplicatore e realizzare uno stadio driver in grado di lavorare a frequenze dell’ordine del MHz, oltre che ricercare dei diodi che abbiano una piccola capacità di giunzione in polarizzazione inversa. Inoltre sfruttando il programma C realizzato e modificando il set di condensatori disponibili, sarà possibile ricercare nuove configurazioni ottimali per le capacità del moltiplicatore che siano più efficienti di quella attualmente utilizzata.
