SPROLOQUIO N. 4 da www.arisesto.netUno stimolo all'approfondimento sugli alimentatori switching
Con il termine alimentatore si intende un' apparecchiatura che trasforma una tensione di un certo tipo e valore in altra/e con
caratteristiche adeguate al circuito elettronico da alimentare e il caso più comune è quello in cui dalla tensione alternata di rete
si ottiene una tensione continua di basso voltaggio, es. 12 V.
Un circuito classico è quello di figura 1, composto da un trasformatore (T), un ponte di Graetz (G), un condensatore di filtro (C)
e un circuito integrato di regolazione di tipo serie (IC).
Figura 1
L' IC mantiene costante la tensione d' uscita comportandosi come una resistenza variabile. Se la tensione in ingresso aumenta,
o se il circuito alimentato assorbe meno corrente, il regolatore aumenta la sua resistenza; se la tensione in ingresso diminuisce,
o se il circuito alimentato assorbe più corrente, la resistenza del regolatore diminuisce. La stabilizzazione della tensione in uscita
è ottenuta quindi variando la caduta di tensione ai capi dell' elemento serie di regolazione, ma ci sono casi in cui la dissipazione
di potenza è elevata. Nel caso di un alimentatore in grado di fornire 5 A in uscita, con una tensione regolabile da pochi volt fino a
25V utilizzato per alimentare un circuito a 12V con 5A di assorbimento avremo una potenza dissipata dall' IC di 65W (25 - 12 x 5)
che è superiore alla potenza utilizzata dal circuito alimentato (12 x 5 = 60 W). A parte l' inutile spreco di energia un simile
alimentatore richiede un trasformatore di notevole ingombro e peso oltre che un grosso dissipatore per l' IC.
L' alimentatore preso ad esempio è del tipo lineare, ma vi è la possibilità di realizzare alimentatori più piccoli, più leggeri e con
un rendimento superiore comunemente chiamati alimentatori switching. Tali alimentatori sono molto diffusi nell'industria, comuni
nei PC, in molti televisori e si stanno diffondendo anche per uso amatoriale per alcuni indubbi vantaggi:
- minor peso (sino al 50% in meno)
- scaldano meno
- hanno un rendimento dell’ 80-90% contro il 30-65% degli alimentatori lineari
- in caso di calo della tensione di rete la tensione di uscita non viene influenzata. Negli alimetatori lineari, per evitare questa
influenza, è necessario sovradimensionare il trasformatore aumentando le perdite e il peso.
Per contro, maggior complessità circuitale accentuata dalla necessità di minimizzare il noise elettrico, il ripple residuo e
l' emissione di disturbi RF.
Gli alimentatori switching basano il loro funzionamento sulla modulazione della larghezza di impulsi, PWM dall' inglese
"Pulse Width Modulation". In figura 2 lo schema a blocchi.
Figura 2
La tensione di rete, senza trasformatore, viene raddrizzata dal ponte di Graetz e alimenta un inverter DC/AC. La corrente
alternata ottenuta è a frequenza elevata (sino a centinaia di KHz) quindi il trasformatore, realizzato con materiali ad alta
permeabilità magnetica, è molto piccolo, molto leggero e a basse perdite. Il transistor che, a un capo del primario funziona
da interruttore aperto/chiuso (switching), è controllato in vari modi. In frequenza per mantenere un' uscita stabile e, nel caso di
anomalie nel carico, viene posto nella condizione di interruttore aperto (OFF). Tale transistor ha una dissipazione esigua in
quanto nello stato OFF fra emettitore e collettore vi è la massima differenza di potenziale ma la corrente è del tutto trascurabile
mentre nello stato ON la corrente coincide con quella richiesta dal carico ma la tensione fra collettore ed emettitore è
dell’ordine di decimi di volt.
La tensione presente sul secondario del trasformatore và ad un secondo raddrizzatore con filtro.
Il transistor dell' inverter (switching) è controllato da un modulatore PWM "Pulse Width Modulation", il quale regola l' impulso
che pone in conduzione (interruttore chiuso) il transistor switching.
Un amplificatore di errore confronta una frazione della tensione di uscita con una tensione di riferimento fornendo, nel caso di
errore, una tensione Verr. Questo segnale controlla il modulatore PWM il quale, pur mantenendo costante la frequenza di
switching, allarga o restringe il tempo dell’ impulso che comanda l’inverter in modo da stabilizzare la tensione in uscita. Nella
fig. 2 tali impulsi sono genericamente raffigurati tra il blocco INVERTER e il FILTRO di uscita, ma vanno esaminati meglio.
Figura 3
La tensione in uscita dall' inverter è costituita da una successione di impulsi (figura 3) dove l' intervallo di tempo T tra due fronti
di salita ha un valore costante e quindi anche la frequenza degli impulsi è costante. T ON indica il tempo in cui l'impulso è alto,
quindi vi è tensione, e T OFF il tempo in cui l'impulso è zero e quindi non vi è tensione. La modulazione del tempo T ON è
appunto la "Pulse Width Modulation" ( PWM ).e il rapporto tra T ON e T è una grandezza denominata DUTY CYCLE.
Nella figura 3 vi sono tre esempi di valori diversi di duty cycle.
Esempio A - T ON minimo e il duty cycle è prossimo allo zero, la tensione è quindi presente per un tempo molto breve.
Esempio B - T ON è uguale a T OFF e il duty cycle è pari al 50%, la tensione è quindi presente per 1/2 T.
Esempio C - T ON è di poco inferiore a T e il duty cycle è prossimo al 100%, la tensione è in pratica sempre presente.
Tale sequenza di impulsi arriva ad un filtro, costituito da una rete L C (vedi figure 2 e 4), all'uscita del quale si ha una tensione
cc il cui valore è in funzione della larghezza degli impulsi ed è pari al valore di picco moltiplicato il duty cycle (Vp x d.c.)
Figura 4
Nella parte destra della figura 4 vengono esemplificati 3 casi. Con una tensione di picco (Vp) di 48 V e un duty cycle pari
a 0.25 si avrà, in uscita dal filtro, una tensione continua di 12 V, con la stessa Vp ma con un d.c. pari a 0.5 si otterra una cc,
sempre in uscita dal filtro, di 24 V mentre con un d.c. 0.75 si otterrà una cc di 36 V. Appare evidente come con la Vp presa
ad esempio, ma con valori duty cycle diversi, sia possibile ottenere qualsiasi tensione intermedia semplicemente modulando
la larghezza degli impulsi senza la necessità di dover dissipare potenza inutile come negli alimentatori lineari.
Per ottenere una tensione di uscita con minimo ripple e minimo noise la frequenza di clock deve essere la più alta possibile
e i componenti del filtro debbono essere opportunamente dimensionati tenendo presente che l’ energia immagazzinata dalla
bobina è proporzionale al valore dell’induttanza e al quadrato della corrente che circola all’interno della bobina stessa, mentre
l’energia immagazzinata dal condensatore è proporzionale al valore di capacità dello stesso e al quadrato della tensione alla
quale viene caricato.
Al prossimo SPROLOQUIO, 73 de IW6MKI Ubaldo
Figura 1
L' IC mantiene costante la tensione d' uscita comportandosi come una resistenza variabile. Se la tensione in ingresso aumenta,
o se il circuito alimentato assorbe meno corrente, il regolatore aumenta la sua resistenza; se la tensione in ingresso diminuisce,
o se il circuito alimentato assorbe più corrente, la resistenza del regolatore diminuisce. La stabilizzazione della tensione in uscita
è ottenuta quindi variando la caduta di tensione ai capi dell' elemento serie di regolazione, ma ci sono casi in cui la dissipazione
di potenza è elevata. Nel caso di un alimentatore in grado di fornire 5 A in uscita, con una tensione regolabile da pochi volt fino a
25V utilizzato per alimentare un circuito a 12V con 5A di assorbimento avremo una potenza dissipata dall' IC di 65W (25 - 12 x 5)
che è superiore alla potenza utilizzata dal circuito alimentato (12 x 5 = 60 W). A parte l' inutile spreco di energia un simile
alimentatore richiede un trasformatore di notevole ingombro e peso oltre che un grosso dissipatore per l' IC.
L' alimentatore preso ad esempio è del tipo lineare, ma vi è la possibilità di realizzare alimentatori più piccoli, più leggeri e con
un rendimento superiore comunemente chiamati alimentatori switching. Tali alimentatori sono molto diffusi nell'industria, comuni
nei PC, in molti televisori e si stanno diffondendo anche per uso amatoriale per alcuni indubbi vantaggi:
- minor peso (sino al 50% in meno)
- scaldano meno
- hanno un rendimento dell’ 80-90% contro il 30-65% degli alimentatori lineari
- in caso di calo della tensione di rete la tensione di uscita non viene influenzata. Negli alimetatori lineari, per evitare questa
influenza, è necessario sovradimensionare il trasformatore aumentando le perdite e il peso.
Per contro, maggior complessità circuitale accentuata dalla necessità di minimizzare il noise elettrico, il ripple residuo e
l' emissione di disturbi RF.
Gli alimentatori switching basano il loro funzionamento sulla modulazione della larghezza di impulsi, PWM dall' inglese
"Pulse Width Modulation". In figura 2 lo schema a blocchi.
Figura 2
La tensione di rete, senza trasformatore, viene raddrizzata dal ponte di Graetz e alimenta un inverter DC/AC. La corrente
alternata ottenuta è a frequenza elevata (sino a centinaia di KHz) quindi il trasformatore, realizzato con materiali ad alta
permeabilità magnetica, è molto piccolo, molto leggero e a basse perdite. Il transistor che, a un capo del primario funziona
da interruttore aperto/chiuso (switching), è controllato in vari modi. In frequenza per mantenere un' uscita stabile e, nel caso di
anomalie nel carico, viene posto nella condizione di interruttore aperto (OFF). Tale transistor ha una dissipazione esigua in
quanto nello stato OFF fra emettitore e collettore vi è la massima differenza di potenziale ma la corrente è del tutto trascurabile
mentre nello stato ON la corrente coincide con quella richiesta dal carico ma la tensione fra collettore ed emettitore è
dell’ordine di decimi di volt.
La tensione presente sul secondario del trasformatore và ad un secondo raddrizzatore con filtro.
Il transistor dell' inverter (switching) è controllato da un modulatore PWM "Pulse Width Modulation", il quale regola l' impulso
che pone in conduzione (interruttore chiuso) il transistor switching.
Un amplificatore di errore confronta una frazione della tensione di uscita con una tensione di riferimento fornendo, nel caso di
errore, una tensione Verr. Questo segnale controlla il modulatore PWM il quale, pur mantenendo costante la frequenza di
switching, allarga o restringe il tempo dell’ impulso che comanda l’inverter in modo da stabilizzare la tensione in uscita. Nella
fig. 2 tali impulsi sono genericamente raffigurati tra il blocco INVERTER e il FILTRO di uscita, ma vanno esaminati meglio.
Figura 3
La tensione in uscita dall' inverter è costituita da una successione di impulsi (figura 3) dove l' intervallo di tempo T tra due fronti
di salita ha un valore costante e quindi anche la frequenza degli impulsi è costante. T ON indica il tempo in cui l'impulso è alto,
quindi vi è tensione, e T OFF il tempo in cui l'impulso è zero e quindi non vi è tensione. La modulazione del tempo T ON è
appunto la "Pulse Width Modulation" ( PWM ).e il rapporto tra T ON e T è una grandezza denominata DUTY CYCLE.
Nella figura 3 vi sono tre esempi di valori diversi di duty cycle.
Esempio A - T ON minimo e il duty cycle è prossimo allo zero, la tensione è quindi presente per un tempo molto breve.
Esempio B - T ON è uguale a T OFF e il duty cycle è pari al 50%, la tensione è quindi presente per 1/2 T.
Esempio C - T ON è di poco inferiore a T e il duty cycle è prossimo al 100%, la tensione è in pratica sempre presente.
Tale sequenza di impulsi arriva ad un filtro, costituito da una rete L C (vedi figure 2 e 4), all'uscita del quale si ha una tensione
cc il cui valore è in funzione della larghezza degli impulsi ed è pari al valore di picco moltiplicato il duty cycle (Vp x d.c.)
Figura 4
Nella parte destra della figura 4 vengono esemplificati 3 casi. Con una tensione di picco (Vp) di 48 V e un duty cycle pari
a 0.25 si avrà, in uscita dal filtro, una tensione continua di 12 V, con la stessa Vp ma con un d.c. pari a 0.5 si otterra una cc,
sempre in uscita dal filtro, di 24 V mentre con un d.c. 0.75 si otterrà una cc di 36 V. Appare evidente come con la Vp presa
ad esempio, ma con valori duty cycle diversi, sia possibile ottenere qualsiasi tensione intermedia semplicemente modulando
la larghezza degli impulsi senza la necessità di dover dissipare potenza inutile come negli alimentatori lineari.
Per ottenere una tensione di uscita con minimo ripple e minimo noise la frequenza di clock deve essere la più alta possibile
e i componenti del filtro debbono essere opportunamente dimensionati tenendo presente che l’ energia immagazzinata dalla
bobina è proporzionale al valore dell’induttanza e al quadrato della corrente che circola all’interno della bobina stessa, mentre
l’energia immagazzinata dal condensatore è proporzionale al valore di capacità dello stesso e al quadrato della tensione alla
quale viene caricato.
Al prossimo SPROLOQUIO, 73 de IW6MKI Ubaldo