ALIMENTATORI SWITCHING: LO STEP-DOWN


figura 1 - schema classico di alimentatore stabilizzato


figura 2 - serie di impulsi (onda quadra)


figura 3 - esempio di diversi valori del duty cycle
Per cominciare, ricordiamo che per alimentatore si intende un'apparecchiatura in grado di fornire ad un determinato circuito elettronico le giuste tensioni (e quindi le correnti) necessarie al suo corretto funzionamento.
In genere, il compito di un alimentatore è quello di trasformare una tensione di un certo tipo e valore in un'altra avente caratteristiche adeguate alla apparecchiatura da alimentare; il caso più comune è quello in cui si parte da una tensione alternata (quasi sempre i 220 V di rete) per arrivare ad una tensione continua di basso valore (ad esempio 12 V).
Un circuito classico è quello di figura 1, che risulta composto dai soliti elementi: il trasformatore, il ponte di diodi, il condensatore di filtro e l'elemento di regolazione. In particolare, l'elemento di regolazione, che in genere è un circuito integrato di tipo serie, mantiene costante la tensione in uscita comportandosi come una resistenza variabile: se la tensione in ingresso è troppo alta, oppure se il carico richiede poca corrente, il regolatore aumenta la sua resistenza; se la tensione in ingresso scende, oppure se il carico richiede più corrente, la resistenza del regolatore diminuisce. La regolazione della tensione in uscita è ottenuta quindi variando la caduta di tensione ai capi dell'elemento serie di regolazione; il sistema funziona perfettamente, ma ci sono casi in cui la dissipazione di potenza è notevole. Si pensi ad un alimentatore in grado di fornire 5 A in uscita, con una tensione regolabile da pochi volt fino a 25 V; se per esempio usiamo tale alimentatore per far funzionare un apparecchio che assorbe 5 A a 12 V, tutta la differenza fra 25 V e 12 V sarà dissipata dall'integrato regolatore di tensione: facendo due conti, si trova che la potenza dissipata (e cioè sprecata) vale in tal caso 65W ! In altre parole, è più la potenza sprecata che quella utilizzata dal nostro apparecchio a 12 V. A parte l'inutile consumo di corrente, un simile alimentatore richiede un trasformatore notevolmente grosso e costoso, con relativi ingombro e peso.
Esiste invece un altro modo di ottenere le tensioni desiderate, usando componenti piccoli e leggeri, di resa elevata, e sprecando pochissima potenza: stiamo parlando dei cosiddetti "Alimentatori switching".
Il principio fondamentale su cui si basa il funzionamento di un alimentatore switching è detto PWM, dall'Inglese "Pulse Width Modulation", e cioè modulazione della larghezza dell'impulso.
Molto brevemente, la tensione di alimentazione arriva nella forma di una serie di impulsi (figura 2), a frequenza costante, distanziati uno dall'altro da un tempo T. Chiameremo TON il tempo in cui l'impulso è alto, e cioè c'è tensione, e TOFF il tempo in cui l'impulso è zero e quindi non c'è tensione. Poichè gli impulsi sono a frequenza costante, anche l'intervallo di tempo T ha valore costante: la modulazione PWM consiste nel far variare il tempo TON; naturalmente, quando TON si allunga, TOFF diventa necessariamente più breve.
Il rapporto fra il tempo TON ed il tempo totale T è una grandezza caratteristica, che viene denominata "duty cycle" (si pronuncia più o meno diuti saicol).

In figura 3 si vedono tre casi in cui il duty cycle ha valori diversi:
- nel caso 1 TON è quasi nullo: il duty cycle è pertanto prossimo a zero, e la tensione è presente solo per brevissimi istanti
- nel caso 2 TON è uguale a TOFF: il duty cycle è pari al 50% e la tensione è presente per metà del tempo
- nel caso 3 TON è quasi massimo: il duty cycle è molto vicino al 100%; la tensione è in pratica sempre presente

Facendo pervenire tali impulsi ad una rete LC, si ottiene una tensione di uscita VOUT il cui valore dipende dalla larghezza degli impulsi, ed è esattamente uguale al valore di picco moltiplicato per il duty cycle. In figura 4 sono mostrati tre diversi casi di impulsi modulati, caratterizzati rispettivamente da un duty cycle di 0,25 - 0,5 e 0,75. Supponendo che la tensione di picco Vp degli impulsi sia di 48 V, se si filtrano tali impulsi con una rete come quella a sinistra in figura, costituita da una induttanza L e da una capacità C, si ottiene in uscita una tensione uguale a Vp moltiplicato per il valore del duty cycle; nei casi indicati come esempio, si otterranno quindi tensioni di 12 V, 24 V e 36 V.
Si comprende quindi come, modulando la larghezza dell'impulso, sia possibile ottenere qualsiasi tensione in uscita, e senza dissipare inutilmente parte della potenza. Naturalmente, affinchè la tensione in uscita sia esente da ondulazioni e disturbi, occorrerà dimensionare opportunamente i componenti del filtro, scegliendo inoltre una frequenza di clock il più elevata possibile.
figura 4 - tensione continua ottenuta da implulsi a larghezza variabile, filtrati da rete LC
Esistono diversi tipi di soluzioni per realizzare un alimentatore switching; il più comune è il buck regulator, detto anche step-down, che viene usato per convertire una tensione continua in un'altra tensione continua di valore più basso. Lo schema di principio di tale regolatore è riportato nella parte sinistra di figura 5: la tensione continua da regolare entra su +Vin e -Vin; un transistor che agisce come switch permette o meno il passaggio della corrente. Attraverso l'induttanza L la corrente arriva al carico (LOAD) ed al condensatore che agisce da filtro.
figura 5 - regolatore di tipo "Buck" e percorso delle correnti nelle fasi di "switch ON" e di "switch OFF"
A destra si vedono le due fasi che corrispondono allo stato oN e allo stato OFF dello switch:
- quando lo switch è chiuso (ON), la corrente attraversa l'induttanza ed arriva sia al condensatore C, caricandolo, che all'utilizzatore (LOAD); il diodo D risulta collegato in senso inverso, per cui è come se non ci fosse
figura 6 - corrente nell'induttanza L
- quando lo switch è aperto (OFF), poichè la corrente nell'induttanza non può interrompersi bruscamente, si crea ai capi di quest'ultima una tensione tale da continuare a mantenere la corrente che era in circolo; la corrente fluisce allora nel carico, insieme alla corrente che adesso viene ceduta dal condensatore, e, attraverso il diodo D, ritorna all'induttanza.

Il comando dello switch è affidato ad un apposito circuito (control) che verifica la tensione presente sul carico e, di conseguenza, modifica la durata dei tempi TON e TOFF.
La corrente nell'induttanza (figura 6) ha quindi un andamento triangolare, con tendenza a salire nelle fasi di switch ON, e tendenza a scendere nelle fasi di switch OFF; dimensionando opportunamente l'induttanza, si cerca di contenere questa ondulazione ( o "ripple") entro il 20% o il 30% della corrente media.
Grazie al metodo PWM, si ottiene inoltre il vantaggio di una maggiore elasticità nella scelta della tensione in entrata: ciò significa che, per ottenere ad esempio una tensione di uscita di 12 V, posso usare anche un trasformatore con secondario a 50 V; provvederà il circuito di controllo ad effettuare la giusta regolazione degli impulsi, senza problemi di potenza perduta e di eccessivo riscaldamento dei vari componenti.
In altre pagine di questo sito vedremo la costruzione pratica di un alimentatore del tipo descritto. Esistono naturalmente diverse altre tipologie di alimentatori switching, ma la loro trattazione esula dagli scopi di questo semplice corso, concepito prevalentemente per chi si dedica all'elettronica come principiante, alla ricerca di semplici circuiti dal funzionamento immediato.






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