Elettronica di base 26 – diversi tipi di alimentatori

Negli articoli precedenti, abbiamo discusso dei componenti elettronici passivi come resistenze, condensatori, induttori e trasformatori. I componenti passivi sono particolarmente utili nella progettazione di vari circuiti analogici.

Il vero divertimento dell’elettronica moderna inizia con i semiconduttori e l’elettronica digitale. L’elettronica è tutta una questione di segnali (sotto forma di tensione o corrente) e di elaborazione dei segnali tramite componenti e circuiti. L’elettronica a semiconduttori è resa possibile dall’elaborazione dei segnali elettronici come valori binari (0 e 1, o Low e High). Questa applicazione dell’elettronica a semiconduttori per elaborare i segnali come valori binari porta all’implementazione della logica booleana sotto forma di elettronica digitale. Così iniziò l’uso dell’elettronica per il “Computing”. Ben presto, ingegneri e ricercatori escogitarono modi per misurare varie quantità fisiche convertendole in segnali elettrici analogici e digitalizzando quei segnali analogici in valori digitali. Hanno anche escogitato modi per convertire i segnali digitali in segnali elettrici analogici equivalenti. Ora, i computer possono anche interagire e rispondere al mondo fisico.

La maggior parte dell’elettronica moderna riguarda il ‘calcolo elettronico’ e le sue applicazioni al mondo reale. L’elaborazione elettronica, combinata con tecnologie di visualizzazione e dispositivi elettronici di input/output, porta allo sviluppo di computer di uso generale. L’informatica elettronica, combinata con varie tecnologie di comunicazione, porta allo sviluppo delle tecnologie di telecomunicazione, televisione e internet. L’informatica elettronica combinata con la comunicazione wireless e i sensori porta allo sviluppo dell’elettronica mobile e dei wearables. L’informatica elettronica combinata con sensori e attuatori porta allo sviluppo di applicazioni come i sistemi embedded, la robotica e l’automazione.

Ma, prima di iniziare il viaggio senza fine dei semiconduttori e dell’elettronica digitale, sarà meglio avere qualche conoscenza di base degli alimentatori. È l’alimentazione che dà vita a qualsiasi circuito o dispositivo elettronico. Ogni circuito o dispositivo elettronico ha essenzialmente bisogno di avere una sezione di alimentazione o può avere bisogno di connettersi come carico con un circuito di alimentazione esterna.

La fonte di energia elettrica può essere costituita da linee di trasmissione elettrica (elettricità di rete), sistemi elettromeccanici (alternatori e generatori), energia solare, o dispositivi di immagazzinamento come celle e batterie. Gli alimentatori sono convertitori di potenza che convertono l’energia elettrica da una fonte in tensione, corrente e frequenza adatti a un circuito di carico. La fonte di energia elettrica può essere AC o DC. Come i generatori e la rete elettrica, l’elettricità fornisce corrente alternata, mentre le batterie e i dispositivi solari forniscono corrente continua. Un circuito di alimentazione può immettere energia da una fonte AC o DC, e produrre energia AC o DC convertita per adattarsi a un carico. Quindi, i circuiti di alimentazione possono essere classificati come alimentatori AC-to-AC, AC-to-DC, DC-to-DC, e DC-to-AC.

Vari alimentatori AC-to-AC includono alimentatori AC variabili, trasformatori di isolamento, e cambi di frequenza. Gli alimentatori da CA a CC sono i più comuni. Alcuni degli alimentatori da CA a CC includono alimentatori lineari non regolati, alimentatori lineari regolati in CC (alimentatori da banco), alimentatori regolati a commutazione e alimentatori regolati da ondulazioni. Gli alimentatori a batteria, gli alimentatori solari e i convertitori DC-to-DC sono esempi di alimentatori DC-to-DC. Gli alimentatori a batteria e gli alimentatori solari sono usati per alimentare direttamente i circuiti elettronici, mentre i convertitori DC-to-DC sono generalmente usati per convertire la corrente continua in ingresso a diversi livelli per alimentare diversi circuiti nello stesso dispositivo piuttosto che usare diverse alimentazioni AC-to-DC per ottenere diversi livelli di tensione/corrente. Invertitori, generatori e UPS sono alimentatori DC-to-AC comunemente usati.

Alimentazione AC variabile
L’alimentazione AC variabile è progettata utilizzando trasformatori o autotrasformatori regolabili. Questi sono usati per convertire i livelli di tensione AC-to-AC. Un trasformatore con avvolgimenti multipli o rubinetti può essere usato per progettare tale alimentazione, altrimenti si può usare un autotrasformatore regolabile. Questi alimentatori convertono i livelli di tensione e corrente AC mentre la frequenza dell’alimentazione di partenza rimane invariata.

Cambiatori di frequenza
I cambi di frequenza sono usati per convertire la frequenza dell’alimentazione AC. Questi possono essere progettati utilizzando dispositivi elettromeccanici come un gruppo motore-generatore o con l’aiuto di un gruppo raddrizzatore-inverter. Il raddrizzatore converte prima la corrente alternata in corrente continua, e poi l’inverter converte di nuovo la corrente continua in corrente alternata di diverse frequenze.

Trasformatori d’isolamento
I trasformatori d’isolamento sono usati per l’alimentazione AC-to-AC, dove l’adattamento dell’impedenza è richiesto tra la fonte di alimentazione e il circuito di carico. I trasformatori di isolamento di solito non convertono i livelli di tensione o la frequenza della sorgente di alimentazione. Sono utili per collegare circuiti bilanciati e sbilanciati.

Questi trasformatori di isolamento sono utilizzati per aumentare o diminuire la tensione mantenendo isolati i circuiti di rete e di uscita attraverso un isolamento rinforzato certificato CE. (Immagine: Trasformatore di segnale)

Alimentazione lineare non regolata
Le alimentazioni lineari non regolate sono semplici alimentazioni da AC a DC. Sono progettati utilizzando un trasformatore step-down, un raddrizzatore, un condensatore di filtro e una resistenza di spurgo. In primo luogo, un trasformatore converte la tensione di linea al livello di tensione richiesto in AC. La tensione alternata ridotta viene poi convertita in tensione continua usando un raddrizzatore a semionda o a onda intera. Il raddrizzatore è progettato utilizzando diodi. La corrente continua pulsante dal raddrizzatore è smussata usando condensatori di filtro. Una resistenza di spurgo può essere collegata in parallelo al condensatore di filtro per protezione.

Gli alimentatori non regolati sono semplici e durevoli. Tuttavia, la loro tensione di uscita può variare a causa della variazione della tensione di ingresso o della corrente di carico. Quindi, questi non sono molto affidabili. Inoltre, questi possono essere progettati solo per emettere una tensione e una corrente fisse.

Alimentatori regolati lineari
Gli alimentatori regolati lineari sono alimentatori da AC a DC. Sono la stessa cosa degli alimentatori non regolati (forza bruta), tranne che usano un circuito a transistor che opera in una regione attiva o lineare al posto di una resistenza sanguinante. Questo stadio attivo a transistor permette l’uscita a diversi livelli di tensione DC accurata. Ci sono diversi circuiti integrati regolatori di tensione disponibili che hanno un circuito a transistor attivo integrato al loro interno. Gli alimentatori regolati lineari sono stabili, sicuri, affidabili e senza rumore. Ci sono circuiti integrati regolatori di tensione disponibili per una vasta gamma di tensioni di ingresso e di uscita e producono tensioni CC fisse. I maggiori svantaggi di questi alimentatori sono il loro costo, le dimensioni e l’efficienza energetica. Questi alimentatori perdono molta energia a causa della dissipazione di potenza e possono richiedere l’uso di dissipatori di calore con i circuiti integrati di regolazione.

L’alimentatore lineare di Acopian Power Supplies (in alto) è un fattore dieci più grande e più pesante di un alimentatore switching comparabile (in basso) sempre di Acopian, ma l’unità lineare ha attributi benefici che l’alimentatore switcher non può eguagliare.

Alimentatori regolati a commutazione
Gli alimentatori regolati a commutazione sono complessi alimentatori AC-to-DC che tendono a combinare i vantaggi degli alimentatori non regolati e regolati. In SMPS, la tensione di linea viene raddrizzata in DC, e poi viene nuovamente convertita in AC ad onda quadra con l’aiuto di transistor di commutazione. Quest’onda quadra ad alta frequenza viene poi diminuita o aumentata e poi di nuovo raddrizzata. La tensione DC rettificata viene filtrata prima di fornirla a un carico.

Alimentazione regolata dal vento
L’alimentazione regolata dal vento è una variazione migliorata dell’alimentazione AC-to-DC non regolata. È progettato combinando un alimentatore non regolato con un circuito a transistor che opera nella regione di saturazione. Il circuito a transistor trasferisce la potenza DC a un condensatore per mantenere i livelli di tensione. Il vantaggio principale dell’alimentazione regolata è la sua efficienza energetica.

Alimentatori regolati regolabili
Gli alimentatori regolati lineari possono essere modificati per fornire una gamma di tensioni regolabili usando un resistore variabile allo stadio finale. Il resistore variabile può far cadere la tensione di uscita a valori regolabili. Un tale alimentatore regolabile può quindi fornire tensioni nella gamma da zero alla tensione massima regolata dall’alimentatore. Gli alimentatori lineari regolati simmetrici possono essere modificati per fornire tensioni anche in polarità negativa.

Alimentatori a batteria e solari
Batterie, celle e pannelli solari forniscono corrente continua. La potenza dai dispositivi di stoccaggio o dai pannelli solari deve essere prima filtrata per rimuovere le ondulazioni pulsanti. Poi può essere regolata ai livelli di tensione DC desiderati utilizzando circuiti integrati di regolazione della tensione. Se la tensione di alimentazione da una batteria o da un pannello solare deve essere aumentata, ciò può essere fatto usando transistor come amplificatori.

Convertitori DC-to-DC
I convertitori DC-To-DC sono usati per aumentare o diminuire le tensioni DC. I convertitori DC-to-DC possono essere di tipo semiconduttore, elettromeccanico o elettrochimico. Gli SMPS DC-to-DC come il convertitore push-pull, il convertitore buck, il convertitore boost, il convertitore buck-boost sono alcuni esempi di convertitori DC-to-DC di tipo semiconduttore. Questi alimentatori sono generalmente utilizzati per convertire la corrente continua (rettificata dalla rete elettrica o da un’altra fonte di corrente alternata) per fornire diversi livelli di corrente continua piuttosto che utilizzare molti alimentatori da corrente alternata a corrente continua in un dispositivo.

Un esempio di alimentatore dc-dc da 2 W in SMD (Immagine: Recom).

Alimentatori DC-to-AC
Questi tipi di alimentatori sono generalmente utilizzati per il backup di potenza. Invertitori, UPS e generatori sono esempi di tali sistemi di alimentazione.

Gli hobbisti e gli ingegneri elettronici usano più comunemente alimentatori regolati lineari e alimentatori a batteria. Altri tipi di alimentatori sono generalmente progettati e prodotti per applicazioni o circuiti specifici. Alcuni circuiti possono richiedere la progettazione di un alimentatore utilizzando pannelli solari.

Per i principianti, è sempre conveniente iniziare con un alimentatore regolato lineare che fornisce tensioni DC comunemente usate come 12V, 9V, 5V e 3V. Per i circuiti portatili, le stesse tensioni possono essere raggiunte utilizzando alimentatori regolati basati su batterie. Gli alimentatori regolati a batteria possono richiedere la sostituzione della batteria a intervalli regolari. Quindi, un alimentatore regolato lineare che fornisce livelli di tensione DC comunemente usati è il migliore per la prototipazione e il test di circuiti elettronici. I circuiti di produzione possono poi essere alimentati da circuiti basati su batterie o pannelli solari, se necessario.

Nel prossimo articolo, parleremo di celle e batterie.