Alimentatore switching: Schema e Funzionamento


solare eolicoCome Funziona l'Alimentatore Switching



Come Funziona un Alimentatore Switching


Ben trovati in questa pagina informativa di Mppt Solar. Nell'ottica del risparmio energetico e di un futuro più pulito e migliore non potevamo esimerci dal farvi conoscere gli alimentatori switching. In questa pagina infatti vi spiegheremo cos'è un'alimentatore switching, come funziona, qual è il suo schema elettrico, quali sono le differenze tra il vecchio alimentatore stabilizzato lineare ed questi nuovi alimentatori e le differenze tra alimentatori di tipo switching step up (boost) e quelli di tipo step down (buck) ed infine come effettuare una corretta progettazione.

Grazie alle loro ridotte dimensioni e alla possibilità di ricavare un'ampia gamma di tensioni, gli alimentatori switching hanno ormai sostituito i tradizionali alimentatori stabilizzati lineari in tantissime applicazioni. Molti appassionati di elettronica, che sarebbero tranquillamente in grado di costruirsi un alimentatore stabilizzato di tipo lineare, vanno incontro a non poche difficoltà quando decidono di realizzare un alimentatore di tipo switching. Se non è difficile comprendere a grandi linee il principio di funzionamento di questa ultima generazione di alimentatori, infatti, progettarne uno e farlo funzionare come si deve, è tutt'altra cosa. Gli alimentatori switching presentano, rispetto ad un alimentatore classico, uno schema elettrico decisamente più complesso, senza contare che anche in fase di realizzazione è indispensabile mettere in atto alcuni accorgimenti costruttivi.



Differenza tra alimentatore lineare ed alimentatore switching

Nati dalla tecnologia aerospaziale, nella quale è di fondamentale importanza l'impiego di apparecchiature di peso e dimensioni ridotte, dotate di una elevata efficienza, gli alimentatori switching ormai da parecchi anni sono entrati di prepotenza nell'uso comune, trovando larga diffusione nella maggior parte delle apparecchiature elettroniche.

È grazie alle loro ridottissime dimensioni che è stato possibile realizzare dispositivi sempre più miniaturizzati ed efficienti, come personal computer portatili, lettori DVD, caricabatterie universali, e moltissimi altri congegni di uso quotidiano. Le ridotte dimensioni e la leggerezza non sono però l'unica prerogativa, perchè gli switching offrono al progettista elettronico altre possibilità, che li rendono quasi insostituibili in alcune applicazioni. Tanto per citarne una, quella di poter ottenere in uscita una tensione più alta di quella applicata in ingresso, il cosiddetto step-up (oppure boost), funzione che non può essere assicurata dal classico alimentatore lineare.

Quest'ultimo utilizza infatti un elemento di regolazione, costituito generalmente da un transistor di potenza, sul quale si produce la caduta di tensione che consente di regolare la tensione in uscita. In questo caso il transistor lavora come una resistenza variabile posta in serie al carico. Ne consegue che la tensione di uscita è sempre inferiore a quella in ingresso. È un sistema di regolazione che funziona egregiamente, ma che presenta lo svantaggio di un rendimento piuttosto basso, generalmente compreso tra un 30% e un 60%, dato che una parte non trascurabile della potenza fornita in ingresso viene dissipata e pertanto persa sull'elemento di regolazione. Quest'ultimo deve essere montato su un opportuno dissipatore di calore in modo da farlo lavorare a temperature non eccessive tante che, non a caso, questo alimentatore viene chiamato anche "dissipativo".

Questo non succede con l'alimentatore switching, che lavora in modo completamente diverso. Con questo tipo di alimentatore non solo è possibile produrre in uscita valori di tensione superiori a quelli di ingresso, ma soprattutto si raggiunge un rendimento molto più elevato, dell'ordine dell'80%-90%, cosa che permette di ridurre notevolemente sia le sue dimensioni, che quelle delle alette di raffreddamento e del trasformatore di alimentazione e di prolungare i tempi di esercizio su apparecchiature alimentate a batterie. Si intuisce subito quanto questo tipo di alimentatori possono essere utili anche in piccoli impianti eolici e fotovoltaici dove è importante ottimizzare al massimo la produzione e gestione di energia.

D'altro canto l'alimentatore switching presenta alcuni svantaggi, come un ripple sovrapposto alla tensione di uscita piuttosto consistente e la presenza di rumore ad alta frequenza, che lo rendono sconsigliabile in alcune applicazioni sensibili, come gli alimentatori stabilizzati per laboratorio oppure gli amplificatori hi-fi, nei quali l'alimentatore tradizionale risulta ancora vantaggioso. Per ovviare alla difficoltà di progettazione degli switching, sono presenti da tempo sul mercato numerosi circuiti integrati, che offrono all'hobbista la possibilità di realizzare di volta in volta il tipo di alimentatore di cui ha necessità. Uno di questi è l'integrato MC34063A (vedi il datasheet), che consente di realizzare una vasta tipologia di alimentatori switching.



Lineare e Switching: Tabella delle differenze


Differenza Alimentatore Lineare Alimentatore Switching
Dimensione Ingombrante Ridotto
Peso Pesante Leggero
Efficienza dal 30 al 40% dal 70 al 95%
Complessità Semplice Complesso
Interferenza Elettromagnetica (EMI) Basso rumore Necessario il filtraggio
Costo Alto (dovuto ai materiali usati) Basso



Alimentatori switching step-down e step-up

Di seguito vi illustreremo i due tipi principali di alimentatore, e precisamente lo step-down, con il quale la tensione continua di uscita è di valore inferiore a quella applicata in ingresso e lo step-up, che permette di ricavare una tensione continua in uscita superiore a quella in ingresso. Vi spiegheremo anche quali sono le differenze fra queste due configurazioni e come si calcolano i diversi componenti necessari alla loro realizzazione. Vi accorgerete così che con questo integrato la progettazione di uno switching non presenta particolari difficoltà e diventa veramente alla portata di tutti. Una volta presa confidenza con questa materia, potrete divertirvi a realizzare altri alimentatori switching di tipo più complesso e dalle prestazioni più sofisticate.



ALIMENTATORI SWITCHING STEP-DOWN


alimentatore step down


Il principio di funzionamento di un alimentatore switching del tipo step-down è rappresentato nella figura qui sopra. In ingresso è applicata la tensione continua proveniente dal gruppo raddrizzatore e livellatore di tensione, oppure da una batteria. In questo caso l'alimentatore switching può essere visto anche come un convertitore DC-DC, cioè tensione continua - tensione continua. Sulla linea di ingresso è posto un interruttore (S1), a valle del quale si trova una induttanza L1 che risulta essere in serie al carico, schemattizzato dalla resistenza RC. In parallelo al carico è posto il condensatore C1. Ad un capo dell'induttanza è collegato il catodo del diodo DS1.

Per comprendere come funziona l'alimentatore occorre osservare cosa succede nella fase di chiusura e in quella di apertura dell'interruttore. Chiamiamo Ton il tempo in cui l'interruttore rimane chiuso, Toff il tempo in cui rimane aperto e T la somma dei due tempi Ton + Toff. Al momento della chiusura dell'interruttore, comincia a fluire attraverso di esso una corrente, che in parte attraversa l'induttanza ed il carico posto in serie, ed in parte va a caricare il condensatore C1. Il valore della corrente che scorre nell'induttanza cresce in modo progressivo durante il tempo Ton, perchè questo componente ha la caratteristica di opporsi al cambiamento della corrente che l'attraversa.

Se trascorso il tempo Ton l'interruttore viene aperto, l'induttanza tenderà a far circolare nel circuito lo stesso valore di corrente che era stato raggiunto in quel momento. Ai capi dell'induttanza di produce infatti una tensione, con la polarità indicata il figura, che tende a far circolare anche per il tempo Toff la corrente sul carico attraverso il diodo DS1, che si trova ora polarizzato direttamente. In questo modo la tensione ai capi del carico è presente anche nel tempo Toff, cioè ad interruttore aperto. Quando la corrente che attraversa l'induttanza si riduce, subentra il condensatore che si scarica sul carico, mantenendo la tensione costante. Attaccando e staccando periodicamente l'interruttore , si ottiene in uscita un valore di tensione la cui ampiezza dipende dal rapporto fra il tempo Ton e il periodo T. Questo rapporto viene chiamato duty cycle.



ALIMENTATORI SWITCHING STEP-UP


alimentatore step up


Con questo tipo di convertitore è possibile prelevare in uscita una tensione maggiore di quella applicata in ingresso, condizione che è possibile ottenere soltanto con un alimentatore switching. Nella figura qui accanto abbiamo riportato lo schema base di una tale configurazione. L'induttanza L1 rispetto alla configurazione step-down è posta in serie, attraverso il diodo DS1, alla tensione d'ingresso e a quella di uscita.

Durante la fase Ton, quando il transistor è saturo, l'induttanza accumula energia per trasferirla verso l'uscita durante la fase Toff, sommando così alla tensione d'ingresso una tensione supplementare, che produrrà in uscita una tensione superiore a quella d'ingresso. Il diodo DS1 evita che la tensione di uscita venga cortocircuitata dal transistor durante la fase Ton.




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