Generalità sui circuiti di alimentazione

Se consideriamo un circuito elettrico o un dispositivo elettronico in un ipotetico intervento di riparazione, pur non conoscendolo viene in mente di suddividerlo in blocchi funzionali, ed il primo blocco o stadio che andremo a rappresentare è quello di alimentazione, questo perché è il blocco principe di ogni circuito elettrico ed elettronico senza il quale (ovviamente) il circuito in esame non potrebbe funzionare, infatti quest’ultima considerazione è proprio quella che ci porta dapprima a verificare l’efficienza del circuito di alimentazione.
Il blocco che si occupa di fornire al circuito elettrico la tensione di alimentazione è noto come “stadio di alimentazione”, e questo altro non è che un dispositivo che:
-converte la tensione di rete (230 V 50Hz) alternata in una tensione continua di valore opportuno al circuito da alimentare,
-trasforma il valore della tensione al suo ingresso,
-stabilizza il valore della tensione in uscita.

 

1 alimentatore

Il circuito di alimentazione, può essere inteso come stadio di alimentazione se si considera il circuito deputato a questo compito e parte integrante di un dispositivo, come ad esempio lo stadio di alimentazione dei tvc , in cui il circuito è presente all’interno del dispositivo e a volte compreso nella scheda madre del tvc; dove attraverso opportuni collegamenti connettorati o piste del pcb fornisce le tensioni di alimentazione ai singoli stadi.

2 Stadio di alimentazione TVC

In questo caso lo stadio di alimentazione è facilmente individuabile seguendo il cavo di alimentazione di rete, il quale arriva proprio all’ingresso del circuito di alimentazione, ed in genere arriva attraverso uno o due fusibili di protezione ed a monte di un circuito RFI.

Diversamente, se il circuito di alimentazione è separato dal resto del dispositivo, come ad esempio nei notebook o nei personal computer, questi prenderà il nome di alimentatore, in quanto avrà un suo box dedicato dal quale si può notare il cavo di alimentazione di rete, e dalla parte opposta un cavetto con connettore jack per fornire alimentazione al notebook;

3 alimentatore notebook

nel caso degli alimentatori per pc, si noterà nel box stesso il connettore di inserzione per il cavo di rete, se presente l’interruttore on-off per la sua accensione, ed i cavi di uscita con connettore molex per la scheda madre ed altre unità hardware.

 

4 alimentatore pc

Ovviamente si possono considerare diversi altri tipi di alimentatori, oltre che per dispositivi elettronici anche per applicazioni professionali come il caso degli alimentatori da banco, a tensione ed intensità di corrente variabile, con differenti ampiezze disponibili delle grandezze in uscita.

 

5 alimentatore da banco

Ora gli alimentatori, come si è detto assolvono il compito di convertire la forma d’onda della tensione in ingresso da alternata in continua, di trasformarla al valore di tensione adatto al circuito da alimentare e di stabilizzare questo valore di tensione.
Per ottenere questi passaggi, l’alimentatore assume una determinata configurazione circuitale, secondo la quale potrà essere un alimentatore:
-di tipo lineare,
-di tipo switching.
Queste sono le due categorie di alimentatori, riconoscibili al primo approccio per la loro sostanziale differenza di peso e dimensioni. La prima categoria, ovvero quella degli alimentatori di tipo lineare è quella storica di sempre, mentre quella degli alimentatori di tipo switching è quella tecnologicamente più recente nata dalla necessità di avere dispositivi dalle dimensioni compatte e minor peso, oltre che minor costo.
Considerando che ognuno di queste tipologie di alimentatori meriterebbe un articolo a se, provo in questa esposizione a descriverne brevemente le loro caratteristiche salienti.

L’alimentatore di tipo lineare è a mio avviso lo storico circuito di alimentazione, questi si presta bene ad una sua realizzazione anche hobbystica vista la sua semplicità circuitale e la reperibilità dei suoi componenti. Per contro come vedremo presenta un ingombro ed un peso superiori a quello offerto dal suo concorrente switchmode.
Lo schema tipo di un alimentatore lineare è il seguente:

6 schema alimen lineare

Partendo da sinistra si possono scorrere i componenti che realizzano il circuito, e nella loro descrizione si rileva il compito assolto.
Pertanto si inizia dal trasformatore indicato con T, il quale ha il compito di abbassare il valore della tensione di rete al suo primario dal valore di 230 V 50Hz a quello richiesto dal progetto al suo secondario.

7 trasformatore

 

Il trasformatore è il principale componente di un alimentatore lineare, in quanto viene dimensionato per il valore di tensione ed intensità di corrente necessaria all’uscita dell’alimentatore, e quindi della sua potenza espressa in VA; ed è proprio in virtù di questa che si realizza le sue dimensioni e peso e di conseguenza quelle dell’alimentatore.
Al secondario si trova collegato il ponte di Graetz, indicato con P, che ha il compito di prelevare la tensione variabile di ampiezza adeguata e trasformarla in una tensione di andamento costante, o meglio pulsante e fornirla al successivo componente, ovvero al condensatore elettrolitico.

9 ponte di Graetz

E’ anche noto come raddrizzatore a doppia semionda, è un componente comune ed il suo dimensionamento è subordinato al valore dell’intensità di corrente del carico applicato all’alimentatore ed alla tensione di isolamento, in genere pari a quella della tensione di rete.

Il condensatore indicato con C, ha il compito di livellare la tensione pulsante in uscita dal ponte di raddrizzamento per renderla costante in modo che il successivo componente possa poi renderla stabile.

8 condensatore

Svolge pertanto il compito di diminuire il ripple presente nel circuito, ed il suo dimensionamento avviene attraverso un’espressione di tipo empirico, in genere del valore di qualche migliaio di microfarad.

Spetta infatti al transistor indicato con T1 stabilizzare o il valore di tensione fornito dal condensatore, per fornirlo in uscita dall’alimentatore al valore voluto, e renderlo stabile con qualsiasi tipo di carico. Questo compito in genere e per piccole intensità di correnti viene svolto da un circuito integrato della serie LM…. che oltre a rendere stabile il valore della tensione di uscita, offre anche la protezione da eventuali sovraccarichi o brevi cortocircuiti ai capi dell’alimentatore, ed un facile dimensionamento di eventuali componenti di polarizzazione.

10 stabilizzatore

In uscita poi si trova un ulteriore condensatore che assolve il compito di filtro della tensione di uscita, per eventuali componenti di disturbo presenti.
Di seguito un tipico alimentatore lineare variabile da banco, con tensione massima di uscita di 12 V ed intensità di corrente di 2,5 A..

14 alim variab lineare

ed al suo interno si possono trovare i componenti predentemente descritti ..

15 interno alim variab lineare

L’ingombro e la presenza del trasformatore, nonché quella dei resistori presenti ne dimostrano quanto detto sul peso, ingombro e riscaldamento di questo tipo di alimentatori.

Per la sua semplicità circuitale e facile reperibilità di componenti questo tipo di alimentatori si presta bene per una realizzazione rapida ed efficiente anche dove è richiesta una buona potenza, ma allo stesso tempo richiede un maggior costo di realizzazione per la presenza del trasformatore che ne realizza anche un peso e dimensioni non indifferenti che crescono proporzionalmente al crescere della potenza dell’alimentatore, e non ultimo aspetto negativo degli alimentatori lineari è la dissipazione di potenza impegnata nei componenti che lo realizzano, in quanto la caduta di tensione necessaria a fornire la tensione in uscita richiesta, viene dissipata proprio dai componenti del circuito di alimentazione, che tra l’altro si traduce anche in uno spreco di energia.

Per queste ultime considerazioni, si è arrivati poi alla realizzazione di circuiti di alimentazioni maggiormente performanti ma altresì di gran lunga di minor peso ed ingombro, sono questi gli alimentatori di tipo switching o alimentatori a commutazione.

In questi circuiti di alimentazione gli elementi attivi conducono non in modo continuativo ma ad impulsi, il valore della tensione di uscita dipende quindi dal valore medio nel tempo degli impulsi stessi, lo stesso vale per l’intensità di corrente. Negli alimentatori switching la perdita di potenza è trascurabile rispetto a quella degli alimentatori lineari, in quanto negli alimentatori switching il rendimento ɳ= Pu/Pc dove Pu è la potenza erogata in uscita dall’alimentatore e Pc è la potenza consumata; mentre negli alimentatori lineari il rendimento vale     ɳ= Pc-Pu ed è direttamente proporzionale alla corrente erogata ed alla differenza di potenziale tra ingresso ed uscita.
Di seguito uno schema a blocchi semplificato del circuito di un alimentatore switching. In questo tipo di circuito si può notare da subito l’assenza del trasformatore di rete, infatti la tensione di rete di 230 V 50 Hz viene subito raddrizzata dal ponte di Greatz e subito livellata da un condensatore il primo blocco; questa tensione così ottenuta viene applicata attraverso un interruttore elettronico che si apre e si chiude ala frequenza maggiore di 20 kHz fornendo così una tensione pulsante ad un piccolo trasformatorino con nucleo in ferrite, siamo cosi al secondo blocco.
La tensione in uscita del trasformatorino di ampiezza voluta viene così raddrizzata e filtrata dal terzo blocco, che la fornisce in uscita.

12 schema a blocchi switching

La tensione continua in uscita viene mantenuta stabile attraverso un ulteriore blocco di controllo un segnale di errore in funzione dello scostamento della tensione di uscita che può esser dovuto ad un sovraccarico o alla variazione della tensione di alimentazione di rete, questo segnale trasferito al blocco di pilotaggio provvederà attraverso questo blocco a modulare la chiusura-apertura dell’interruttore elettronico.
Il trasformatorino (di gran lunga più piccolo di quello di rete di un alim. lineare) di alta frequenza dell’alimentatore switching offre anche un isolamento galvanico fra la tensione di rete e la tensione in uscita verso il carico, mentre i condensatori di livellamento e di filtro saranno di dimensioni e capacità minore.
Una descrizione sul principio di funzionamento degli alimentatori switching, lo rimando ad un ulteriore presentazione o ancora meglio ad un volontario Prof. di Laboratorio di TDP Elettronica, nel frattempo mostro un alimentatore switching in uso su dispositivi elettronici-trici in genere…

16 alimentatore switching

 

Le dimensioni come già detto sono molto contenute, anzi a parità di tensione in uscita questo switching offre un’intensità di corrente massima in uscita di 10 A contro i 2,5 A di quello lineare, ed un peso ridotto del 60% ; sul made in china per ora preferirei sorvolare .. 😉
Sbirciando al suo interno si notano i componenti indicati nella descrizione di funzionamento …

17 interno aliment switching

In un’altra esposizione proverò ad illustrare vantaggi e svantaggi delle tipologie di alimentatori.

18 danger

Gli alimentatori per loro natura sono dispositivi elettronici connessi alla tensione di rete di 230 V 50 Hz, pertanto soggetti a potenziali rischi elettrici, questo sta a significare che ogni loro utilizzo, deve essere dapprima considerato il rischio elettrico, quindi vanno utilizzati tutti gli accorgimenti che la Normativa e la Sicurezza prescrive, tra cui non aprire questi dispositivi se non si hanno le dovute conoscenza, particolarmente per gli alimentatori di tipo switching che presentano il rischio di avere un lato del circuito dove è presente un lato della tensione di rete, ed i condensatori di filtro che rimangono carichi pur con la tensione di rete staccata. !! Pertanto attenzione !!!

Disclaimer:
Quanto rappresentato in questa presentazione: testo, immagini disegni sono frutto di una propria elaborazione e rappresentata a scopo di studio e didattico, pertanto ogni possibile a cose e persone da un utilizzo improprio delle informazioni non è responsabilità dell’autore che declina ogni responsabilità.

 

 

 

 

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