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Elettronica,29 Ago 2012

 


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

GInverter preso da Wiki,clicca x ingrandireli 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 Royer di Jim Williams del Novembre 1995di 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...
Vediamoalimentatore forward in fase di carica

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, SMPS 7805una 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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