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Alimentatori Switching
Alimentatori Switching

 

Alimentatori Switching



Premessa

Gli alimentatori utilizzati nei computer, conosciuti anche come SMPS (Switching Mode Power Supplies), basano il loro funzionamento sulla conversione DC-DC. Esamineremo, con qualche dettaglio, un tipico schema di alimentatore switching e faremo una panoramica sui principali componenti di un alimentatore per PC.

Diamo per scontato che il lettore conosca le problematiche base degli alimentatori lineari che, utilizzando un trasformatore, abbassano la tensione alternata di ingresso (220 V oppure 125 V) in una tensione alternata di valore più basso (es.: 15 V). Segue quindi un blocco di rettificazione che con l'uso di diodi trasforma la tensione da alternata a pulsante (2-3).





Il blocco successivo trasforma, tramite un filtro a condensatore (3-4), la tensione pulsante in una tensione quasi continua. La tensione DC ottenuta dopo il condesatore oscilla ancora un poco (questa oscillazione è chiamata ripple) per cui è necessario uno stadio di regolazione, realizzato o con un semplice diodo zener o con un apposito circuito integrato (voltage regulator). Dopo questo stadio la tensione può considerarsi veramente continua o DC.





La figura 2 mostra le forme d'onda rilevabili in alcuni punti caratteristici del circuito di figura 1. Si noti l'effetto ripple (ondulazione residua) nel punto 4.

Benchè gli alimentatori lineari lavorino molto bene per impieghi in bassa potenza (telefoni, radioline, etc.), quando però viene richiesta una certa potenza le loro dimensioni divengono presto eccessive. La grandezza del trasformatore e del condensatore di filtro è inversamente proporzionale alla frequenza di ingresso della tensione alternata. Poichè la frequenza della rete domestica è di 50 Hz (60 Hz in alcune nazioni), che è una frequenza molto bassa, il trasformatore ed il condensatore divengono molto grandi al crescere della potenza richiesta. Utilizzare un alimentatore lineare per il PC sarebbe una follia in quanto avrebbe dimensioni e peso eccessivi. La soluzione consiste quindi nell'uso di un alimentatore switching ad alta frequenza.



Concetti generali

Negli alimentatori switching ad alta frequenza (nel seguito indicati semplicemente con switching) la frequenza della tensione di ingresso viene innalzata prima di raggiungere il trasformatore, tipicamente di circa 1000 volte, fino a 50-60 KHz). Con questo accorgimento le dimensioni del trasformatore e del condensatore di filtro si riducono notevolmente. Questo è il tipo di alimentatore usato nei PC e in tanti altri dispositivi elettronici moderni. Gli alimentatori usati nei PC utilizzano anzi un accorgimento ulteriore che consiste in un sistema ad anello chiuso: il circuito che controlla il transistor di switch ha una retroazione proveniente dall'uscita dell'alimentatore che fa aumentare o diminuire il duty-cycle della tensione applicata al trasformatore in funzione del consumo del PC (questo metodo è chiamato PWM, Pulse Width Modulation). Quindi l'alimentatore si autoregola in funzione del carico che gli viene applicato e quando il PC consuma poco eroga una minore corrente sottoponendo i propri componenti critici ad un minore stress e quindi generando minore calore. Questo vantaggio non si ha invece negli alimentatori lineari che sono progettati per fornire la loro potenza massima anche quando questa non viene erogata con il risultato che la quantità di calore generata è rilevante e costituisce un ulteriore inconveniente per questo tipo di dispositivo.



Schema Logico

Nelle figure 3 e 4 vengono riportati i diagrammi a blocchi per gli alimentatori switching PWM usati nei PC. In particolare la figura 3 riporta uno schema senza il circuito PFC (Power Factor Correction) usato negli alimentatori più economici, mentre la figura 4 riporta uno schema completo di PFC usato nei migliori alimentatori.





In questo secondo schema sono stati eleminati il commutatore di tensione ed il duplicatore di tensione, sostituiti dal circuito PFC di cui parleremo in seguito.





Questi sono schemi di base nei quali non sono stati indicati dei circuiti aggiuntivi quali il controllo contro i corto circuiti, il circuito di stand-by, il generatore di segnale power good, etc., e ciò al fine di rendere il circuito più semplice da comprendere. Se si vuole vedere un circuito più dettagliato, che non serve però per la comprensione di questi appunti, ma solo per quei lettori che vogliono andare più in profondità, la figura 5 mostra un esempio reale di circuito di alimentatore switching (cliccare sull'immagine per ingrandirla).





Ci si potrebbe chiedere dove si trova lo stadio di regolazione della tensione nella figura precedente. Il circuito PWM realizza la regolazione della tensione. La tensione di ingresso viene rettificata prima di arrivare al transistor di commutazione, e ciò che arriva al trasformatore è onda quadra. Quindi ciò che abbiamo in uscita dal trasformatore è una forma d'onda quadrata, non una forma d'onda sinusoidale. Quindi poichè la forma d'onda è già quadra è molto più semplice trasformarla in una tensione continua. Quindi, dopo la rettificazione ed il trasformatore, la tensione è già continua (DC). Questo è il motivo per cui alcune volte gli alimentatori switching sono anche denominati convertitori DC-DC. Il circuito ad anello chiuso utilizzato per alimentare il circuito di controllo PWM ha il compito di effettuare tutta la necessaria regolazione. Se la tensione di uscita non è corretta, il circuito di controllo PWM cambia il duty cycle del segnale applicato al transistor, al fine di correggere l'output. Questo accade quando aumenta il consumo del PC, situazione in cui la tensione di uscita tende a diminuire, o quando diminuisce il consumo di alimentazione del PC, situazione in cui la tensione di uscita tende ad aumentare.

Con riferimento alle figure 3 e 4, ecco i punti da fissare prima di proseguire:

Passeremo adesso in rassegna ciascuno degli stadi sia per vedere il loro funzionamento sia per individuarli all'interno dell'alimentatore



Dentro l'alimentatore

Dopo aver aperto l'alimentatore per la prima volta (non effettuare questa operazione, ovviamente, con la spina inserita nella 220 per evitare il concreto rischio di scosse elettriche pericolose) vi trovere una situazione molto simile a quella riportata nella figura, in particolare risaltano: la ventola di raffreddamento ed alcuni radiatori in alluminio. Ma dovreste anche essere in grado di individuare il gruppo di componenti che appartengono alla sezione primaria dal gruppo appartenente alla sezione secondaria.




Astabile a Transistor
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Connettori
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Con un transistor
Con due transistor
Sonda di carico
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Mini Amp BF
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Kicad



Nelle grandi cose, gli uomini si mostrano come conviene loro mostrarsi; nelle piccole, come sono.
Chamfort

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