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Elettronica,29 Ago 2012
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Gli alimentatori a commutazione
Nel
normale alimentatore "antico",la tensione di uscita viene regolata
attraverso una rete dissipante costituita da un elemento fisso ed un
regolatore in parallelo al carico,oppure con un regolatore ad apertura
variabileposto in serie al carico,controllato da un circuito destinato a stabilizzare
l'uscita,e comunque la tensione ai capi dell'elemento
dissipativo,moltiplicata x la corrente circolante,è trasformata in
calore
I sistemi di preregolazione a monte,attraverso dei commutatori ad SCR
posti al primario od al secondario del grosso trasformatore a 50 Hz e destinati a
sostituire i diodi all'ingresso,sempre in grado di condurre alla
semionda giusta,venivano accesi nel lato discendente della sinusoide di
rete,al momento giusto x poter dare al carico la tensione voluta,ne
miglioravano il rendimento,ma non certo il peso,né il costo
G li
inverters ROYER,nati per alimentare tensioni più alte di quelle delle
batteria,e molto usati fino al 1990 per illuminare i tubi fluorescenti
partendo dalle basse tensioni selle batterie erano costituiti da 2 transistor,un
trasformatore elevatore,resistenze di pilotaggio di base e poco altro
davvero
Il concetto operativo era quello di alimentare attraverso un transistor
un lato del primario:Il secondario corrispondente forniva alimentazione
alla base e lo pilotava seguendo un a logica di reazione positiva fino
al momento in cui o il transistor,oppure il trasformatore,non perdeva la
saturazione,perdendo quindi a valanga la condizione operativa tenuta
fino a quel momento:La tensione ai capi del Collettore sale,facendo
scendere la corrente di pilotaggio della sua base e nel frattempo
accendendo il transistor opposto e cominciando il successivo ½ ciclo
Il rendimento era basso,le lampade avevano vita più breve di quanto
possibile con sistemi più validi,come x es l'alimentazione a risonanza
serie,a causa della
troppa corrente con cui erano alimentate col treno in corsa,ma il
sistema era semplice,tollerabilmente economico e relativamente
affidabile,andava senza porre eccessivi problemi tanto da essere usati
persino nei treni delle Ferrovie Europee,ed il terribile stridìo tipico
di alcune carrozze di sera era dovuto ai trasformatori scollati e
quindi
svibrazzanti
Un certo miglioramento è avvenuto con gli inverter  di
tipo ROYER risonante,praticamente uguali all'inverter classico,ma con
un'induttanza in serie all'alimentazione ed un condensatore tra i
2 collettori:Questo portava una certa flessibilità e qui
potete trovare il pdf della nota applicativa AN65 Linear del ROYER
risonante del compianto genio Jim WILLIAMS da cui ho ricavato la 2^
immagine appena presentata e controllata da un componente nato x gli
alimentatori step-up di cui parlerò a breve,ma il circuito è ben
visibile ed a mio avviso ben comprensibile ad ogni appassionato e
tecnico con un minimo di esperienza:L'oscillatore è posto tra
l'induttanza del primario,tra i 2 Collettori,insomma,ed il condensatore
La bobina - generalmente posta all'ingresso - mentre Jim,avendo il
collettore aperto di un integrato preregolatore connesso verso massa,l'ha spostata in
basso creando una massa fittizia - fa fluttuare il centrale del primario con una tensione pulsante
pari alla metà della carica del condensatore,ed il valor medio è 1/(sin
60°) sul picco di tensione e vale 1.16 volte l'ingresso,mentre la
tensione di picco ai collettori è di 2.8 volte l'ingresso e questo
significa avere dei transistor da oltre 1 kV di lavoro se alimentati
dalla 220 V ~ rettificata
Alimentatori Flyback o Boost
Questo tipo di alimentatori sono la versione ad onda quadra degli stadi di uscita di riga dei televisori a tubo catodico:
Un interruttore(praticamente  nei
finali di riga TV sempre un transistor bipolare,sebbene si siano visti
casi rarissimi di MOSFET - persino in serie di 3 elementi su grandi monitor Philips -
o coppie di SCR nei TV a colori Grundig degli anni 1970÷85)si accende e
così carica un'induttanza il cui lato opposto è posto all'ingresso
dell'alimentazione
Al momento dello spegnimento del transistor,la corrente accumulata
nell'induttanza tende a continuare a fluire nonostante non sia più
connessa ad una fonte di
energia x caricarla,inverte quindi la tensione ai propri capi ,e così
accende un diodo connesso ad un condensatore aggiunto x accumulare
energia livellando la tensione d'uscita,e conesso al carico
Questo sistema LC,se ci badiamo,è un filtro passa basso destinato a calcolare analogicamente la
media della tensione al suo ingresso permettendoci di variare quella
all'uscita semplicemente variando la proporzione tra il tempo di
accensione ed il ciclo completo,e l'enegia accumulata nel ciclo sarà
riversata sul carico
Nel caso in cui la bobina indicata fosse un trasformatore,si deve considerare
la necessità di avere un traferro in modo da permettergli di accumulare
energia senza saturare
Siccome il ciclo è veloce(decine di kHz alla peggio,ma esistono rari regolatori a frequenza superiore al MHz),l'energia
accumulata in ogni ciclo è piccola,e questo significa piccole
induttanze leggere e piccoli condensatori
Le piccole dimensioni dei componenti fanno risparmiare
materiale,soprattutto Rame ed Alluminio,ed il costo finale compensa la
migliore qualità della componentistica adottata,il problema principale
di questi circuiti,infatti,è quello di combattere contro tempi di
commutazione brevi x evitare di far loro dissipare potenza inutile(e
quindi deleteria),e quindi tanto i semiconduttori quanto i componenti
passivi devono essere specifici per quelle velocità
La resistenza e l'induttanza interna dei condensatori devono essere
minuscole,altrimenti non si formano soltanto dei segnali spuri non
filtrati,ma il riscaldamento del componente ne comprometterà
l'affidabilità
I componenti magnetici devono essere quanto meno conduttori possibili
in modo da ridurre le correnti parassite,i conduttori devono essere
sottili x evitare l'effetto pelle,ecc ecc....
Quanto ho esposto
poco fa vive solo nel Mondo delle favole e già con frequenze non certo
esagerate si possono avere tanti problemi:Sono un progettista e -
credetemi - sono tantissimi,e la breve esposizione della teoria di
funzionamento non li mostra certo...
Alimentatori Forward o Buck
Gli alimentatori forward sono una versione decisamente diversa dal flyback:
Se il flyback ha il condensatore alimentato discontinuamente,il forward è un filtro più semplice da leggere...
Vediamo
Gli interruttori (un transistor ed un diodo,x esempio)si accendono per
tenere il filtro all'alimentazione oppure verso massa,ma non
simultaneamente
Se il transistor posto verso l'alimentazione si accende,il lato caldo
della bobina vede una tensione superiore a quella d'uscita e l'induttanza si carica aumentando la corrente circolante,questa
variazione carica il condensatore ed alimenta il carico,ma
ad un certo punto del ciclo l'interruttore si spegne,l'induttanza tenta di far circolare la stessa corrente invertendo la polarità accendendo il
diodo
Siccome ormai la tensione ai suoi capi è opposta,l'induttanza si scarica fin quando non riparte il ciclo successivo
Prego notare un dettaglio,la corrente dell'induttanza ad un certo punto scenderà al di
sotto di quanto assorbito dal carico,e da questo momento il
condensatore supplirà la scarsa fornitura di corrente cercando di mantenere la tensione costante
Se l'induttanza si scarica completamente il nome dell'alimentatore è a ciclo completo,decisamente
più facile da progettare persino al volo(in un pomeriggio ormai lontano
ne feci uno con un µA7805,  una bobina ed
una manciata di componenti ed in una mezzoretta il mio alimentatore era pronto e
continua a funzionare in un
generatore d'impulso)
(Il circuito è semplice:un 7805 regolatore dissipativo a 5 V d'uscita
accende il transistor se la sua corrente supera una soglia data dalla
tensione di giunzione BE divisa x la resistenza in parallelo alla
giunzione stessa,ed il transistor carica l'induttanza fin quando il
piccolo condensatore di isteresi non sarà carico,a questo punto il
7805,non vedendo più una tensione insufficiente al carico spegne il
transistor fin quando il condensatorino non sarà scarico o la tensione
al carico non sarà inferiore ai 5V ed il ciclo si ripete)
In caso
contrario,se cioè alla fine del ciclo continuerà ancora a circolare
corrente nell'induttanza il circuito sarà a ciclo incompleto,e
l'induttanza sarà meno sollecitata,specie in condizioni limite,e spesso
ne
basterà una più piccola ed economica,come più piccoli
e certamente molto meno sollecitati saranno i condensatori sia
d'ingresso,sia(specialmente quello)d'uscita e basterà un transistor di corrente
inferiore,spesso più veloce
La legge generica
degli alimentatori a commutazione ad onda quadra è Ton=VuTcyc/Vi e
nella realtà il tempo di accensione sarà lievemente superiore in modo
da compensare le perdite dell'induttanza,del diodo e del transistor
Io
mi sono formato su un documento Philips Elcoma del 1977 ormai
introvabile,quindi vi posso consigliare 2 PDF della Microchip:l'AN1114A parte 1^ e l'AN1207B,parte 2^,ben leggibili ed esaurienti
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