Raffaele Ilardo


Perchè costruire un alimentatore switching

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Chi ama sperimentare con l'elettronica sicuramente conosce l'utilità di un buon alimentatore. Poter disporre di tensioni di volta in volta diverse è fondamentale e, quando la corrente che si richiede è limitata, per esempio non superiore ad 1 A, un semplice alimentatore lineare è sicuramente la scelta più immediata.
circuito integrato regolatore di tensione
Cirduito integrato regolatore
di tensione

I limiti dell'alimentatore lineare

Il problema nasce quando diventa necessario disporre di tensioni variabili in un range piuttosto ampio, e di una corrente relativamente elevata.
Come è noto, l'alimentatore lineare utilizza classicamente un circuito integrato detto “regolatore di tensione”. Tali regolatori agiscono, in pratica, come una resistenza in serie, in grado di adeguare il suo valore in funzione della corrente assorbita dal carico.
Naturalmente, per poter funzionare, questi regolatori necessitano di una tensione in entrata comunque superiore a quella che devono fornire in uscita; se il progetto di un alimentatore variabile prevede che la tensione in uscita possa essere regolata, per esempio, tra 5V e 30 V, la tensione in entrata al circuito regolatore dovrà essere di almeno 32V.
Facciamo allora due calcoli, immaginando che l'alimentatore debba fornire una corrente di 2A:
- se la tensione di uscita è impostata su 30V, il regolatore deve determinare una caduta di tensione di soli 2V; la potenza dissipata sul circuito integrato è quindi Wp = V x I = 2 x 2= 4W
- se la tensione di uscita è impostata su 20V, il regolatore deve determinare una caduta di tensione di 12V; la potenza dissipata sul circuito integrato sarà allora Wp = V x I = 12 x 2= 24W
- se la tensione di uscita è impostata su 10V, il regolatore deve determinare una caduta di tensione di 22V; la potenza dissipata sul circuito integrato diventa Wp = V x I = 22 x 2= 44W
- se la tensione di uscita è poi impostata su 5V, il regolatore deve determinare una caduta di tensione di 27V; la potenza dissipata sul circuito integrato diventa Wp = V x I = 27 x 2= 54W
Dissipare potenze di varie decine di watt determina seri problemi per la notevole quantità di calore che si produce, oltre a costituire un inutile spreco di energia ed a richiedere trasformatori di maggior potenza. Ne consegue pertanto che l'uso di un alimentatore lineare appare proponibile solo nel caso che si richiedano correnti modeste e tensioni di uscita variabili in un range ristretto (per esempio da 5 a 12 V)

La tecnica switching

Contrariamente alla regolazione lineare, dove la tesione d'uscita viene mantenuta costante facendo variare il valore della resistenza collettore - emettitore di un transistor, la tecnica switching si basa sul passaggio di brevi impulsi in cui la
grafico duty-cicle
Il duty-cicle è il tapporto fra il tempo TON (tempo in cui passa corrente) ed il periodo T dell'oscillatore; nell'esempio in figura si ha TON=2,5µs e T=10µs; il rapporto vale quindi 2,5/10 = 0,25
tensione e la corrente hanno sempre il valore massimo, ma la cui durata temporale varia in funzione delle esigenze del carico. Tale tecnica, detta anche PWM (Pulse Width Modulation, ovvero modulazione della larghezza di impulso) utilizza un oscillatore a frequenza elevata, più o meno da circa 100 Khz fino a qualche Mhz, i cui impulsi sono caratterizzati da un duty-cycle variabile: quando la larghezza di ciascun impulso è minima, la potenza trasmessa è pari a zero; man mano che la durata degli impulsi aumenta, sale anche il valore medio della tensione in uscita.
In breve, la tecnica PWM funziona regolando la durata del tempo TON in base al valore di uscita letto dal circuito di feedback. La serie di onde quadre che ne risulta viene filtrata e trasformata in una tensione continua il cui valore corrisponde al prodotto dell'ampiezza dell'impulso per il valore del duty-cicle.
Proprio perchè la corrente arriva non in modo continuo ma con regime impulsivo, è necessario provvedere ad un adeguato livellamento di tali impulsi se si vuole ottenere una tensione media di valore costante. A tale scopo provvedono dei filtri costituiti da  induttanze  e condensatori.

Tipologie di regolatori switching

Esistono varie tipologie di regolatori switching, ed altri tipi di regolatori che si basano sulla  parzializzazione degli impulsi .
I principali regolatori switching sono:
- buck: usato per ridurre una tensione continua ad una di valore minore
- boost: fornisce in uscita una tensione maggiore di quella che riceve in ingresso
- flyback: fornisce in uscita una tensione che può essere minore o maggiore di quella in entrata, ed inoltre consente uscite multiple
In linea di principio, il funzionamento generale è quello illustrato nelle figure che seguono:
schema illustrativo della tecnica switching
La tensione continua VIN applicata all'ingresso passa attraverso un circuito switching, che apre e chiude continuamente il passaggio della corrente, con la frequenza di funzionamento dell'oscillatore.
Si alternano due condizioni di funzionamento:
- quando il circuito di controllo è chiuso (TR ON) la corrente attraversa l'induttanza L ed arriva al carico, caricando nel frattempo anche il condensatore C
- quando il circuito si apre (TR OFF) non arriva più corrente dall'entrata; l'induttanza, tuttavia, non consente il brusco interrompersi della corrente, per cui la tensione ai suoi capi si inverte e determina il passaggio di una corrente che scorre ancora nel carico richiudendosi attraverso il diodo D; a questa corrente contribuisce anche il condensatore C, che si era caricato nella fase TR ON.

Fondamentale in circuiti di questo tipo è il ruolo dell'induttanza. La tensione che si rileva ai capi di un induttore è definita dalla relazione:
V = L (δi/δt)
dove δi è la variazione di corrente e δt è l'intervallo di tempo in cui tale variazione ha luogo.

piccolo manuale di elettronica applicata
Dalla relazione di cui sopra derivano due considerazioni:
1) una tensione si manifesta ai capi di un'induttanza solo quando la corrente che l'attraversa cambia il suo valore nel tempo (il passaggio di una corrente continua non fa nascere alcuna tensione ai capi dell'induttanza)
2) la corrente che scorre in un'induttanza non può cambiare istantaneamente il suo valore; tuttavia, più velocemente la corrente cambia il suo valore, più elevata sarà la tensione che si determinerà ai suoi capi.

Conclusioni: alimentatori lineari o alimentatori switching?

A fronte di una realizzazione alquanto più complessa, un alimentatore switching presenta apprezzabili vantaggi se confrontato con uno di tipo lineare. Il rendimento, notevolmente più elevato, può superare l'80%, mentre i componenti, il trasformatore in primo luogo, possono essere più piccoli e leggeri, grazie alla minima potenza dissipata in calore.
Un altro vantaggio è dato dalla possibilità di usare trasformatori anche di tensione diversa da quella desiderata in uscita, visto che il regolatore ha notevoli possibilità di compensazione.
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I circuiti switching che lavorano a frequenze prossime al Mhz o superiori, sono più facili da filtrare, richiedendo induttanze di minor valore, ma la scelta dei nuclei per tali induttanze è maggiormante critica, proprio a causa della frequenza elevata.
Il principale difetto di questi regolatori è rappresentato dalla notevole quantità di disturbi che determinano in seguito al loro modo di funzionare, e che non sempre si riesce ad eliminare completamente.

La disponibilità di circuiti integrati come per esempio l' LM2596 rende molto meno impegnativa la realizzazione di un alimentatore switching in grado di fornire 3A ed una tensione in uscita regolabile da circa 2V fino a oltre 30V.

Una tecnica alternativa, leggermente meno versatile ma più semplice da realizzare, è quella che regola la potenza tramite la  parzializzazione delle semionde della tensione alternata .





 raffaele ilardo