L`ALIMENTATORE L`alimentatore è un convertitore AC

L’ALIMENTATORE
L'alimentatore è un convertitore AC-DC, ovvero un apparato elettrico, semplice o composto, che
serve a raddrizzare in uscita la tensione elettrica in ingresso (da alternata ACa continua DC) in
modo da fornire energia elettrica adattandola all'uso di altre apparecchiature elettriche
(es. elettrodomestici), modificando eventualmente anche i livelli di tensione e corrente, e
dunque potenza, in uscita.
Gli alimentatori differiscono ampiamente in funzione della potenza gestita, così anche
per le caratteristiche di qualità della corrente elettrica fornita all'uscita. Un
alimentatore con pari valori di tensione e potenza è più complesso e costoso quanto
più la tensione fornita è precisa e stabile, e quanto maggiore è la sua affidabilità.
Esistono anche alimentatori da laboratorio, in cui la tensione di uscita è regolabile a
piacere dall'utilizzatore in base alla necessità. Questi alimentatori hanno anche una
limitazione della corrente massima fornita, in alcuni casi regolabile, utile per evitare
problemi in caso di cortocircuito e per speciali circuiti con alimentazione in corrente
costante.
In molti casi l'alimentatore fornisce più di una tensione di uscita. È il caso degli
alimentatori per incubatrici, che forniscono tensioni di 9,3, ±32, ±100 V.
Un crescente numero di case costruttrici adotta la certificazione 80 Plus per verificare
la stabilità della tensione in uscita e la quantità di energia dissipata in calore, sotto
varie condizioni di carico dell'alimentatore.
Tecnologie
Principalmente ne esistono di due tipi:
1. Statici, cioè producono una tensione e una corrente in uscita sempre uguale
(sono molto diffusi);
2. Variabili, cioè possono modificare i valori di tensione e di corrente in uscita
tramite delle apposite levette o pulsanti.
Essi hanno una tensione minima e una massima di ingresso per operare. Un semplice
alimentatore può essere composto da 4 diodi messi in serie a formare un rombo
chiuso (Ponte di Graetz) dove i primi 2 sono collegati ai due cavi di corrente alternata
(1 fase e 1 neutro) e gli ultimi due sono collegati ai due cavi per la corrente continua
(1 positivo e 1 negativo)
A secondo della tecnologia utilizzata hanno anche un sistema che moltiplica la
frequenza della corrente e un diodo che scarica su un condensatore in modo tale che
la corrente continua in uscita sia il più "dritta" possibile.
Esistono due approcci tecnologici profondamente differenti per la realizzazione di
alimentatori:
Dissipativo o lineare
Si tratta di una tecnologia estremamente semplice ed economica, largamente usata
ove la potenza richiesta sia limitata ed il costo rappresenti un limite. Non mancano
tuttavia esempi di alimentatore di questo tipo che eroghino anche fino a 20 ampere di
corrente.
Un generico alimentatore lineare è idealmente (e spesso anche praticamente)
composto dai seguenti elementi collegati in cascata:
un trasformatore:
provvede
a
ridurre
(o
in
rari
casi
aumentare)
la tensione proveniente dalla rete elettrica per avvicinarla al valore richiesto dal
carico da servire.
un raddrizzatore: trasforma la corrente alternata fornita dal trasformatore
in corrente continua. Può essere a diodo singolo o a ponte di Graetz (dal nome del
suo inventore, il fisico tedesco Leo Graetz).
un filtro livellatore: livella la corrente unidirezionale pulsante uscente dal
raddrizzatore in una corrente più uniforme e costante. Solitamente rappresentato
semplicemente da un condensatore elettrolitico.
un circuito elettronico stabilizzatore detto anche regolatore, che può spaziare da
un semplice diodo zener ad un circuito integratodedicato. Assicura che la tensione
generata dall'alimentatore si mantenga costante nel tempo ed entro una stretta
tolleranza rispetto al valore richiesto, al variare della tensione della rete elettrica e
del carico applicato.
In molti casi dove non occorra una tensione stabile e precisa, specialmente nei piccoli
alimentatori a spina, non è presente la sezione di stabilizzazione.
I principali limiti di questi alimentatori risiedono nel basso rendimento energetico, che
comporta, nel caso di elevate potenze gestite, un consistente sviluppo di calore, che
deve essere smaltito per evitare danni all'apparato.
Un altro limite è nell'eccessivo incremento di dimensioni e peso all'aumentare della
potenza di un alimentatore analogico, considerando l'elevato peso che ha un grosso
trasformatore di tensione.
Switching o "commutazione"
Possiedono circuiti più complessi rispetto ad un alimentatore tradizionale, ma hanno
diversi vantaggi, tra cui un minore ingombro e peso a parità di potenza, un
rendimento maggiore e quindi minore calore prodotto, ma sono meno adatti per l'uso
in laboratorio, essendo caratterizzati da un elevato ripple e dalla generazione di
componenti spurie ad alta frequenza, che possono interferire nel funzionamento di
alcune apparecchiature.
Il principio di funzionamento si basa sul fatto che un trasformatore, per essere più
efficiente, richiede un nucleo ferromagnetico più piccolo e molto più compatto, a
parità di potenza, all'aumentare della frequenza operativa. Negli alimentatori
elettronici vengono utilizzati particolari trasformatori fatti funzionare a frequenze di
decine o centinaia di migliaia di Hertzinvece dei 50 Hz della rete elettrica europea
di distribuzione. Il nucleo di questo trasformatore è in Ferrite, materiale realizzato con
polveri metalliche incollate, invece dei tradizionali lamierini di ferro, che alle alte
frequenze comporterebbero una notevole perdita di energia.
In un alimentatore elettronico la tensione di rete viene per prima cosa raddrizzata e
livellata con un condensatore. Successivamente un circuito oscillatore genera a
partire da questa corrente continua, una corrente alternata di elevata frequenza, che
viene applicata ai capi dell'avvolgimento primario del trasformatore; la tensione in
uscita, presente ai capi dell'avvolgimento secondario del trasformatore, viene
raddrizzata e livellata.
La funzione di stabilizzazione è solitamente ottenuta retroazionando l'errore del
segnale in uscita sul regime di funzionamento dell'oscillatore. In pratica, un circuito
misura la tensione di uscita, e se questa risulta troppo alta viene ridotta l'energia
inviata dall'oscillatore al trasformatore, se invece la tensione scende, viene
aumentato
il
flusso
di
energia.
Grazie
a
questo
sistema
molti
alimentatori switching sono in grado di accettare in ingresso un'ampia gamma di
tensioni e frequenze. Per esempio gli alimentatori perNotebook spesso possono essere
collegati sia alla rete europea a 230 V/50 Hz, sia a quella statunitense a 115 V/60 Hz.
L'apparato è reso più complesso dalla presenza di sistemi di protezione contro
sovraccarichi e cortocircuiti, e da filtri necessari per evitare che il segnale ad alta
frequenza si propaghi verso il carico oppure ritorni verso la rete elettrica.
Il ripple
È uno dei parametri che caratterizzano la qualità di un alimentatore, la sua misura si
effettua con l'oscilloscopio accoppiando l'ingresso in AC. Si tratta principalmente del
rimanente residuo della componente alternata della rete elettrica, rettificata dai diodi
e livellata dai condensatori di filtro; a questa piccola componente oscillatoria spuria,
possono aggiungersi disturbi indotti dal carico o dovuti al funzionamento interno
dell'alimentatore, generalmente il suo valore tende ad aumentare in proporzione al
carico applicato.
Immunità ai ritorni di potenza
Si definisce immunità ai ritorni di potenza - di un sistema progettato per emetterla
- la capacità di resistere[1] ad un'energia proveniente dall'esterno in senso inverso.
Pur proveniente dall'esterno, questa energia può anche essere la stessa che viene
emessa, la quale se non dissipata oppure non irradiata, ritorna.
L'immunità ai ritorni di potenza si esprime: in volt nei sistemi come i generatori
elettrici e gli alimentatori[2]; e in watt nei sistemi come gli amplificatori e
i trasmettitori RF[3].
Clipping e controllo di corrente
Clipping della corrente
di dispositivo di clipping della corrente è
possibile
impostare
- con una
[4]
manopola - un valore limite della corrente erogata. Il funzionamento è descritto
dalla figura qui a lato nominatacurva di clipping della corrente ed è il seguente:
fissata una certa tensione; applicando una resistenza di carico; per valori di corrente
risultante questa assume un andamento lineare in salita mentre la tensione rimane
costante; continuando a ridurre ulteriormente invece, la corrente erogata diventa
costante mentre la tensione scende secondo.
Facciamo un esempio: vogliamo caricare con il nostro alimentatore ua batteria al
piombo da: 12V; 20Ah. Come sappiamo, per non danneggiare questo tipo di batterie,
dobbiamo ricaricarlo: con una corrente massima di un ventesimo della capacità; per
un tempo di 20-24 ore. Il procedimento è il seguente: regoliamo la tensione a vuoto
su 13,8V; portiamo invece la regolazione della corrente di clipping al minimo;
colleghiamo la batteria all'alimentatore; alziamo delicatamente la regolazione della
corrente di clipping fino al valore di carica
dove
è la capacità della batteria;
nel nostro esempio. Quando la batteria è molto scarica, la sua resistenza equivalente
risulta molto bassa, inizialmente quindi la corrente sarà limitata dal dispositivo di
clipping, per questo la tensione erogata potrà scendere di parecchiVolt; dopo 24h
troveremo la tensione a 13,8V e la corrente quasi a zero - la batteria è carica.
Protezione sovracorrente
Questo dispositivo di protezione è uno dei più semplici tra quelli che possiamo trovare
in dotazione ad un alimentatore. La descrizione del funzionamento è la seguente:
l'elettronica misura la corrente erogata e quando questa supera il limite fisso
impostato, interviene con un brusco calo della tensione - evidenziato nel grafico
"Curva di corrente e tensione con protezione di sovracorrente" da una rilevante
pendenza in discesa della
Protezione da corto circuito
Questa protezione è integrabile con quella della sovracorrente - sostanzialmente:
interviene rapidamente sconnettendo l'uscita dell'alimentatore quando i valori di
scendono sotto un minimo; da questo momento viene monitorata solo
attraverso
una piccola corrente e l'uscita rimane disconnessa fino al ripristinarsi della situazione,
cioè fino a che
non riprende valori accettabili.
Alimentatore a corrente costante
Se applichiamo ad un alimentatore stabilizzato con uscita a tensione fissa, un circuito
di controllo costante della corrente, otterremo un alimentatore a corrente
costante. Un alimentatore che erogherà una corrente impostata fissa e una tensione
che varierà in base al carico collegato. La tensione massima sarà quella del primo
stadio[8] ridotta della caduta introdotta dal secondo stadio[9].
Questo tipo di alimentatori sono applicati ad esempio nella ricarica degli accumulatori
al NiCd/NiMH - che necessitano di essere caricate proprio in questo modo - e
nell'alimentazione di dispositivi come i LED, in questo caso si possono mettere in serie
uno o più elementi, fino ad un massimo che è la somma della tensione massima
erogabile, e il sistema si autoequilibrerà.
Altri dispositivi ausiliari
protezione sovratensione
protezione sovraccarico
protezione sovratemperatura e controllo raffreddamento
Alimentatori universali
Sono caratterizzati da una elevata flessibilità e questo li rende adatti ad alimentare
svariati dispositivi elettrici come:
periferiche esterne di computer (modem, scanner, piccole stampanti,...);
apparecchiature elettroniche di bassa potenza (ad esempio basi per telefoni
cordless o lampade da tavolo)
apparecchiature a batteria (ad esempio notebook, lettori CD portatili o lettori mp3)
La potenza massima erogabile da questo tipo di alimentatori è dell'ordine di qualche
decina di watt.
La flessibilità degli alimentatori universali consiste nel fatto che è possibile selezionare
la tensione d'uscita
(solitamente
attraverso
uninterruttore
a
slitta oppure
un commutatore rotativo) e scegliere, tra la gamma disponibile, lo spinotto più adatto
alla connessione con l'apparecchiatura da alimentare. Le tensioni di alimentazione
selezionabili tipicamente sono: 1.5V, 3.0V, 4.5V, 6.0V, 7.5V, 9.0V e 12V. Gli spinotti
più diffusi sono vari diametri di connettori di tipo jack e coassiali (in cui è possibile
selezionare la polarità) e porte USB(spesso con connettore mini USB).
Alimentatori per Personal Computer
A seconda del tipo d'alimentatore il computer può avere lo spegnimento del tipo:
manuale: alimentatore AT
automatico: alimentatore ATX
Alimentatori da laboratorio
Possono essere di tipo switching o lineari, sono usati nei laboratori di ricerca, di
riparazione, e da hobbisti e radioamatori. La loro caratteristica è di poter fornire una
tensione regolabile da zero a molte decine di volt, tramite una manopola posta sul
pannello. Alcuni modelli hanno una seconda manopola, la quale permette di regolare
il valore limite della corrente da fornire, utile ad esempio per caricare una batteria con
una corrente costante. I valori di tensione e corrente erogati, sono visualizzati
con voltmetri e amperometrianalogici con scala graduata o digitali con display
numerico.
Possono essere realizzati anche a più sezioni, ovvero più alimentatori galvanicamente
isolati tra loro, racchiusi in un solo apparecchio e ciascuna sezione può fornire tensioni
e correnti differenti dalle altre. Sono utili nei casi in cui necessitino più tensioni di
valore diverso tra loro, pensiamo ad un circuito in progetto, composto da chip logici
insieme a chip lineari e da un relè; servirà un +5 volt per alimentare il circuito logico,
un +15 e un -15 volt per il circuito lineare e un +24 volt per il relè, un alimentatore di
questo tipo agevola l'operatore e fa risparmiare spazio sul tavolo di lavoro. I migliori
modelli da laboratorio possono essere programmabili, cioè essere collegati ad in un
sistema computerizzato tramite bus IEEE-488 e lavorare in modo automatico.
Alimentatori ridondanti
Gli alimentatori ridondanti si differenziano da quelli tradizionali fornendo in più una
garanzia - più o meno elevata - di servizio, anche in presenza di un certo tipo di
anomalie e/o guasti.
L'elettronica che fornisce il servizio di ridondanza generalmente si occupa solo di
garantire il servizio di alimentazione per cui è impreciso se non scorretto parlarne in
termini di affidabilità.
Può essere considerata - al limite - un'anomalia, anche la mancanza totale[10] o
parziale[11]di energia dalla rete. Ridondante rispetto alla mancanza di energia della
rete è l'alimentatore che incorpora una batteria (classico quello dei sistemi di
sicurezza antifurto) che viene caricata durante la presenza della rete; mentre fornisce
energia sostitutiva quando la prima viene a mancare.
Classica la configurazione ridondante con due apparecchiature identiche [12] che si
controllano a vicenda e intervengono sostituendosi una all'altra in caso di guasto.
Poco funzionale invece l'utilizzo di alimentatori tradizionali con delega del controllo e
della commutazione da parte di centraline esterne che potrebbero a loro volta
guastarsi.
Funzionale anche l'utilizzo di due alimentatori parallelabili purché entrambi in grado di
sopportare - in sicurezza - l'intero carico; in questo caso normalmente si
dividerebbero la potenza allungando la vita di entrambi, ma allo stesso tempo in caso
di guasto di uno dei due, il servizio sarebbe ugualmente assicurato.
Se non ci sono limiti alla sicurezza, in applicazioni pratiche possiamo trovare anche
alimentatori con apparecchiature multiple, classici i sistemi avionici che nel regime
tecnico militare possono arrivare anche a cinque[13].
Come tutti i sistemi ridondanti questi alimentatori devono essere in grado di
segnalare al personale competente ogni anomalia, segnalazione che non può essere
solo luminosa ma a seconda della sofisticazione si può trattare di un semplice
contatto a relè fino ad una trasmissionone digitale su di una linea RS-485/RS-422/RS232 o Ethernet.
Alimentatori parallelabili
Gli alimentatori parallelabili, si differenziano da quelli tradizionali per la loro
elevata immunità ai ritorni di potenza, in sostanza, entro certi limiti non si
danneggiano se vengono parallelati.
Attualmente non esiste una normativa e nemmeno una convenzione su questa
materia specifica, quindi affidandoci ai cataloghi del commercio ne rileviamo di tre
tipologie:
alimentatori semplicemente parallelabili;
alimentatori parallelabili con controllo passivo della corrente;
alimentatori parallelabili con controllo attivo della corrente.
In buona sostanza: se lo scopo del parallelo è la ridondanza, l'impiego "brutale" di
due alimentatori semplicemente parallelabilipotrebbe essere una soluzione
sufficiente, in questo caso entrambi gli alimentatori devono essere in grado di
sopportare - in sicurezza - l'intero carico; se invece lo scopo del parallelo è
suddividere il carico su più alimentatori, sarà necessario utilizzare strategie per
equilibrare la corrente erogata, è questo il "plus" che possono fornire gli alimentatori
parallelabili.
Alimentatori semplicemente parallelabili
Fornire questo tipo di caratteristica in un alimentatore è molto semplice: è sufficiente
applicare all'uscita un diodo, direzionato in modo coerente e con caratteristiche di
corrente e tensione adeguate; e compensare la relativa caduta di tensione.
Per il funzionamento si dovrà regolare la tensione di uscita di uno dei due, "più in
basso" rispetto all'altro, in questo modo funzionerà quello a tensione più elevata
perché sarà il suo diodo a condurre fino all'eventuale guasto, quando la sua tensione
cadrà e sarà il diodo dell'altro alimentatore a condurre, se in quel momento sarà
ancora funzionante.
Alimentatori parallelabili con controllo passivo della corrente
In questo tipo di alimentatori i circuiti di controllo sono progettati in modo che la
tensione di uscita si riduca leggermente con l'aumentare della corrente fornita per
esempio secondo la formula
dove (Vu) è la tensione in uscita dell'alimentatore,
(Vi) è la tensione di ingresso del circuito di controllo (I) è la corrente istantanea
fornita e (Imax) la corrente massima fornibile poco prima del clipping. Si avrà come
risultato una curva morbida della tensione di uscita che naturalmente diventa invece
molto pendente quando la corrente supera la soglia massima. Il
nell'esempio
è tipicamente il 5% della tensione nominale ma generalmente non supera 1V.
Il funzionamento è semplice, parallelando due o più di questi alimentatori, anche se le
dovute tarature non fossero precisissime, a causa della curva in leggera tendenza si
innescherà un meccanismo per il quale le correnti di tutti gli alimentatori si
equilibreranno da sole. Più precise saranno le tarature (più saranno identici gli
alimentatori) più saranno simili le correnti erogate da ciascun apparato, tuttavia ad
ogni cambiamento del carico (della corrente erogata) ci si dovrà aspettare una piccola
oscillazione nel sistema a causa del tempo di risposta del circuito di controllo.
Questo tipo di regolazione è accettabile per moltissime applicazioni.
Alimentatori parallelabili con controllo attivo della corrente
In questo tipo di alimentatori i circuiti di controllo sono progettati in modo da
assicurare che ogni alimentatore fornisca la stessa corrente in ogni condizione.
Questa funzione si ottiene incrociando i dati di tensione e corrente di ogni
alimentatore. Il risultato sarà: una erogazione di corrente e tensione costante e
precisa; immune alle eventuali differenze di taratura degli alimentatori.
Il funzionamento può essere però complesso e persino governato da microprocessori,
inoltre questo tipo di regolazione è più costosa, sia in termini di progetto[14] che di
installazione[15].
(Fonte Wikipedia)