Progettazione di base di un moderno alimentatore

Progettazione di base di un moderno alimentatore

Gli stabilizzatori di tensione lineari a IC sono stati la base dei progetti di alimentazione per molti anni ora è venuto il momento di modernizzarsi e sostituirli con analoghi a commutazione molto più efficenti e ugualmente facili da gestire.

I regolatori di tensione lineari sono generalmente molto più efficienti e più facili da usare rispetto ai circuiti equivalenti regolatori di tensione realizzati con componenti discreti come un diodo zener e un resistore, o transistor e persino amplificatori operazionali.

I più popolari tipi di regolatori di tensione in uscita lineare e fissa sono di gran lunga la serie per tensioni di uscita positive 78XX e le serie per tensioni di uscita negative 79XX Questi due tipi di regolatori di tensione complementari producono un’uscita di tensione precisa e stabile che va da circa 5 volt fino a circa 24 volt per l’uso in molti circuiti elettronici.

È disponibile un’ampia gamma di questi regolatori a tensione fissa regolabile a tre terminali ciascuno con la propria regolazione di tensione e circuiti di limitazione della corrente incorporati. Questo ci consente di creare un’intera serie di uscite di alimentazione diverse, sia singola o doppia alimentazione, adatte alla maggior parte dei circuiti e delle applicazioni elettroniche.

La maggior parte degli alimentatori cc comprende un trasformatore di rete step-down grande e pesante, la rettifica a diodi, a onda intera o semionda, un circuito di filtraggio per rimuovere qualsiasi contenuto di ripple dalla cc rettificata producendo una tensione cc sufficientemente regolare, e un circuito stabilizzatore, per garantire la corretta regolazione della tensione di uscita degli alimentatori in condizioni di carico variabili. Quindi un tipico alimentatore CC sarebbe simile a questo:

Tipico alimentatore DC

Questi tipici alimentatori contengono un grande trasformatore di rete (che fornisce anche l’isolamento tra l’ingresso e l’uscita) e un circuito regolatore serie dissipativo. Il circuito regolatore potrebbe essere costituito da un singolo diodo zener o da un regolatore di serie lineare a tre terminali per produrre la tensione di uscita richiesta. Il vantaggio di un regolatore lineare è che il circuito di alimentazione richiede solo un condensatore di ingresso, un condensatore di uscita e alcuni resistori di retroazione per impostare la tensione di uscita.

I regolatori di tensione lineari producono un’uscita CC regolata usando un transistor a conduzione continua in serie tra l’ingresso e l’uscita, operandolo nella sua regione lineare.

Pertanto, il transistor agisce più come una resistenza variabile che si adatta continuamente a qualsiasi valore necessario per mantenere la corretta tensione di uscita.

Circuito regolatore transistor serie

Qui questo semplice circuito regolatore emettitore-follower consiste in un singolo transistor NPN e una tensione di polarizzazione DC per impostare la tensione di uscita richiesta. Poiché un circuito follower di emettitore ha un guadagno di tensione unitario, applicando una giusta tensione di polarizzazione alla base dei transistori, si ottiene un’uscita stabilizzata dal terminale di emettitore.

Dato che un transistor fornisce guadagno di corrente, la corrente di carico in uscita sarà molto più alta della corrente di base, ancora più alta se si utilizza una configurazione Darlington.

Unica condizione è che la tensione di ingresso sia sufficientemente alta per ottenere la tensione di uscita desiderata, la tensione di uscita è controllata dalla tensione di base dei transistor.

In questo esempio viene fornito 5,7 volt per produrre un’uscita di 5 volt al carico, gli 0,7V aggiuntivi servono a compensare la caduta di tensione tra i terminali della base e dell’emettitore. Quindi, in base al valore della tensione di base, è possibile ottenere qualsiasi valore della tensione di uscita dell’emettitore.

Il lato negativo di questo regolatore serie è che il transistor è continuamente polarizzato nella sua regione lineare, dissipa potenza sotto forma di calore come risultato del suo prodotto VxI, poiché tutta la corrente di carico deve passare attraverso il transistor, con conseguente scarsa efficienza, potenza sprecata e generazione continua di calore.

Inoltre, uno degli svantaggi che i regolatori di tensione serie hanno è che la loro corrente nominale di uscita continua massima è limitata a pochi ampere. Quindi sono generalmente utilizzati in applicazioni in cui sono richieste basse potenze di uscita.

Quando sono richiesti più voltaggi di uscita o alte correnti, la pratica normale è quella di utilizzare un regolatore di commutazione comunemente noto come alimentatore switching per convertire la tensione di rete in qualsiasi altra alla potenza richiesta.

Gli alimentatori switching, o SMPS, stanno diventando un luogo comune e hanno sostituito nella maggior parte dei casi i tradizionali alimentatori lineari come modo per ridurre il consumo energetico, ridurre la dissipazione del calore, nonché le dimensioni e il peso.

Gli alimentatori switching sono ora disponibili nella maggior parte dei PC, amplificatori di potenza, TV, motori a corrente continua, ecc. Praticamente tutto ciò che richiede un’alimentazione altamente efficiente poiché gli alimentatori a commutazione stanno diventando sempre più una tecnologia matura.

Per definizione, un alimentatore switching mode (SMPS) è un tipo di alimentazione che utilizza tecniche di commutazione a semiconduttore, piuttosto che metodi lineari standard per fornire la tensione di uscita richiesta. Lo schema base consiste in uno stadio di commutazione di potenza e un circuito di controllo. Lo stadio di commutazione dell’alimentazione esegue la conversione di potenza dalla tensione di ingresso dei circuiti, Vin alla sua tensione di uscita, Vout che include il filtro di uscita.

Il vantaggio principale dell’alimentatore switching è la sua maggiore efficienza, rispetto ai regolatori lineari standard, e ciò si ottiene sfruttando un transistor (o MOSFET di potenza) tra il suo stato “ON” (saturo) e il suo stato “OFF” ( cut-off), stati che producono una minore dissipazione di potenza.

Ciò significa che quando il transistor di commutazione è completamente “ON”, la caduta di tensione su di esso è al suo valore minimo e quando il transistor è completamente “OFF” non vi è dissipazione di potenza. Quindi il transistor si comporta come un interruttore ideale.

Di conseguenza, a differenza dei regolatori lineari che offrono solo regolazione step-down della tensione, un alimentatore switching può offrire step-down, step-up e negazione della tensione di ingresso utilizzando almeno una delle tre topologie di circuito switch di base:Buck, Boost e Buck-Boost. Le tre tipologie differiscono per il modo in cui il transistor, l’induttore e il condensatore di livellamento sono collegati all’interno del circuito base.

Alimentatore Buck

Il regolatore Buck è progettato per ridurre efficacemente la tensione CC da una tensione maggiore a una inferiore senza cambiare la polarità. In altre parole, il regolatore di commutazione buck è un circuito regolatore step-down, quindi per esempio un convertitore buck può convertire +12 volt a +5 volt.

Il regolatore di commutazione buck è un convertitore da CC a CC e uno dei più semplici e più popolari. Il regolatore buck switch utilizza un transistor in serie o un MOSFET di potenza o un IGBT come dispositivo di commutazione principale come mostrato di seguito, negli schemi seguenti userò convenzionalmente un MOSFET come elemento di commutazione solo perché in giro la stragrande maggioranza usa quelli ma, il discorso è ugualmente valido anche per BJT o IGBT.

Il regolatore switching buck

Possiamo vedere che la configurazione di base del circuito per un convertitore buck è un interruttore a MOSFET in serie,T1 con un circuito di controllo associato che mantiene la tensione di uscita il più vicino possibile al livello desiderato, un diodo,D1, un induttore,L1e un condensatore di filtro,C1. Il convertitore buck ha due modalità operative, a seconda che il transistor di commutazioneT1 sia su “ON” o su “OFF”.

Quando il T1 è in “ON” (interruttore chiuso), il diodo D1 è polarizzato inversamente e la tensione di ingresso Vin fa sì che una corrente fluisca attraverso l’induttore al carico collegato all’uscita, caricando nel contempo il condensatore C1. Quando una corrente variabile attraversa l’induttore, produce una tensione indotta opposta che si oppone al flusso di corrente, secondo la legge di Faraday, quando raggiunge uno stato stazionario crea un campo magnetico attorno all’induttore, L1. Questa situazione continua indefinitamente finché T1 è conduttivo.

Quando il transistor si interdice e va in “OFF” (interruttore aperto) comandato dal circuito di controllo, la tensione di ingresso viene istantaneamente interrotta causando il collasso del campo magnetico intorno all’induttore inducendo una tensione inversa sull’induttore per il principio della conservazione dell’energia. Questa tensione inversa provoca la polarizzazione diretta del diodo, pertanto l’energia immagazzinata nel campo magnetico dell’induttore forza la corrente a continuare a fluire attraverso il carico nella stessa direzione.

Quindi l’induttore L1 restituisce l’energia immagazzinata al carico agendo come una sorgente e fornendo corrente finché tutta l’energia immagazzinata non viene restituita al circuito o fino a quando l’interruttore (MOSFET) si chiude nuovamente. Allo stesso tempo il condensatore contribuisce scaricandosi sul carico. La combinazione dell’induttore e del condensatore forma un filtro LC che attenua qualsiasi ondulazione creata dall’azione di commutazione del transistor.

Pertanto, quando l’interruttore a stato solido è chiuso, la corrente viene fornita dall’alimentazione e quando l’interruttore è aperto, la corrente viene fornita dall’induttore. Si noti che la corrente che fluisce attraverso l’induttore è sempre nella stessa direzione, sia direttamente dall’alimentazione o tramite il diodo, ma ovviamente in tempi diversi all’interno del ciclo di commutazione.

Poiché l’interruttore a transistor viene continuamente chiuso e aperto, il valore medio della tensione di uscita sarà quindi dipendente dal duty cycle D che è definito come il tempo di conduzione dell’interruttore a transistor durante un intero ciclo di commutazione. Se Vi è la tensione di alimentazione ed i tempi “ON” e “OFF” per l’interruttore sono definiti come: Ton e Toff, quindi la tensione di uscita Vout è data come:

 

Il ciclo di lavoro dei convertitori buck può anche essere definito come:

da qui se la applichiamo alla formula precedente avremo

Quindi maggiore è il ciclo di lavoro D, maggiore è la tensione di uscita dell’alimentatore in modalità switch. Da questo si può anche vedere che la tensione di uscita sarà sempre inferiore alla tensione di ingresso poiché il ciclo di lavoro, D non può mai raggiungere l’unità. La regolazione della tensione è ottenuta variando il ciclo di lavoro e con elevate velocità di commutazione, fino a 200kHz, è possibile utilizzare componenti più piccoli riducendo notevolmente le dimensioni e il peso dell’alimentatore in modalità switch, di recente questo limite è stato ampiamente superato raggiungendo il Mhz per montaggi SMD in cui la bobina deve avere dimensioni simili agli altri componenti.

Con i componenti ideali, ovvero se le perdite di commutazione nello stato “ON” fossero zero, il convertitore buck ideale potrebbe avere efficienze fino al 100%.

Oltre al regolatore step-down buck per la progettazione di base di un alimentatore switching, esiste un’altra configurazione e cioè step-up o Boost Converter.

Alimentatore boost

Il regolatore di commutazione Boost è un altro tipo di circuito di alimentazione in modalità switch. Ha gli stessi componenti del precedente convertitore buck, ma questa volta in posizioni diverse. Il convertitore boost è progettato per aumentare la tensione continua da una tensione più bassa a una più elevata, ovvero aumenta la tensione di alimentazione, aumentando così la tensione disponibile sui terminali di uscita senza modificarne la polarità. In altre parole, il regolatore a commutazione boost è un circuito regolatore step-up, quindi per esempio un convertitore boost può convertire la tensione da +5 volt a +12 volt.

Abbiamo visto in precedenza che il regolatore di commutazione buck utilizza un transistor a commutazione di serie all’interno del suo design di base. La differenza con il design del regolatore boost è che utilizza un transistor di commutazione connesso in parallelo per controllare la tensione di uscita dall’alimentatore in modalità switch. Poiché l’interruttore è effettivamente collegato in parallelo con l’uscita, l’energia passa attraverso l’induttore verso il carico solo quando il transistor è in “OFF” (interruttore aperto) come mostrato.

Il regolatore switching boost

Nel circuito Boost Converter , quando l’interruttore è in “ON”, l’energia dell’alimentazione, Vin passa attraverso l’induttore e il transistor e torna all’alimentazione. Di conseguenza nulla passa all’uscita poiché l’interruttore a transistor crea un cortocircuito verso l’uscita. Questo aumenta la corrente che fluisce attraverso l’induttore in quanto essa ha un percorso più breve per tornare all’alimentazione. Nel frattempo, il diodo D1 è polarizzato inversamente in quanto il suo anodo è collegato a massa tramite l’interruttore mentre il catodo è a livello della tensione sull’uscita mentre il condensatore inizia a scaricarsi attraverso il carico.

Quando il transistor è spento, l’alimentazione in ingresso è ora collegata all’uscita tramite induttore e diodo collegati in serie. Quando il campo dell’induttore diminuisce, l’energia indotta immagazzinata nell’induttore viene spinta all’uscita da Vin, attraverso il diodo polarizzato direttamente. Il risultato di tutto questo è che la tensione inversa indotta dall’induttore L1 si aggiunge alla tensione di alimentazione aumentando la tensione di uscita totale che diventa Vout=Vin+ VL.

La corrente dal condensatore di livellamento, C1 che era usata per alimentare il carico quando l’interruttore era chiuso, viene ora fornita al condensatore dall’alimentazione di ingresso attraverso il diodo. Quindi la corrente fornita al condensatore è la corrente di diodo, che sarà sempre ON o OFF poiché il diodo viene continuamente commutato tra lo stato diretto e quello inverso dalle azioni di commutazione del transistor. Quindi il condensatore di livellamento deve essere sufficientemente grande da produrre un’uscita regolare e filtrare questi picchi.

Poiché la tensione indotta attraverso l’induttore L1 è negativa, essa si aggiunge alla tensione sorgente, Vin, forzando la corrente dell’induttore nel carico. La tensione di uscita dei convertitori boost è data da:

Come con il precedente convertitore buck, la tensione di uscita dal convertitore boost dipende dalla tensione di ingresso e dal ciclo di lavoro. Pertanto, controllando il ciclo di lavoro, si ottiene la regolazione dell’uscita. Inoltre, questa equazione non dipende ne dal valore dell’induttore, ne dalla corrente di carico o dal condensatore di uscita.

Abbiamo visto sopra che l’operazione di base di un circuito di alimentazione a commutazione non isolato può utilizzare una configurazione buck o una configurazione boost a seconda che si richieda una tensione di uscita step-down (buck) o step-up (boost).

Ma possiamo anche combinare queste due topologie di commutazione di base in un singolo circuito regolatore di commutazione non isolanto chiamato, (guarda caso), con un enorme sforzo di fantasia, convertitore Buck-Boost.

Alimentatore buck-boost

Il regolatore di commutazione Buck-Boost è una combinazione del convertitore buck e del convertitore boost che produce una tensione di uscita invertita (negativa) che può essere maggiore o minore della tensione di ingresso in base al ciclo di lavoro. Il convertitore buck-boost è una variante del circuito convertitore boost in cui il convertitore invertitore eroga solo al carico solo l’energia immagazzinata dall’induttore L1.

Di seguito è riportato il circuito di alimentazione in modalità buck-boost.

Il regolatore switching buck boost

Quando l’interruttore T1 viene acceso (chiuso), la tensione attraverso l’induttore è uguale alla tensione di alimentazione in modo che l’induttore immagazzini energia dall’alimentazione di ingresso. Nessuna corrente viene erogata al carico collegato in uscita perché il diodo, D1 è polarizzato inversamente. Quando il transistor è spento (aperto), il diodo diventa polarizzato direttamente e l’energia precedentemente memorizzata nell’induttore viene trasferita al carico.

In altre parole, quando l’interruttore è su “ON”, l’energia viene erogata nell’induttore dall’alimentazione e nulla va sull’uscita.

Quando l’interruttore è “OFF”, la tensione sull’induttore si inverte ed allora l’induttore stesso diventa una fonte di energia, quindi l’energia immagazzinata in precedenza nell’induttore viene commutata all’uscita (attraverso il diodo), nulla arriva direttamente dalla sorgente di ingresso. Quindi la tensione che arriva al carico quando il transistor di commutazione è “OFF” è uguale alla tensione indotta dell’induttore.

Il risultato è che l’ampiezza della tensione di uscita invertita può essere maggiore o minore o uguale alla tensione di ingresso in base al ciclo di lavoro. Ad esempio, un convertitore buck-boost può convertire da 5 volt a 12 volt (step-up) o da 12 volt a 5 volt (step-down).

Nei regolatori di commutazione buck-boost la Vout è data come:

Quindi il regolatore buck-boost ha tale nome perchè la tensione di uscita che può essere più elevata (come uno stadio di potenza boost) o inferiore (come uno stadio di potenza buck) della tensione di ingresso. Tuttavia, la tensione di uscita ha polarità opposta alla tensione di ingresso.

Switch Mode Riepilogo

Il moderno alimentatore switching, o SMPS, utilizza interruttori a stato solido per convertire una tensione di ingresso CC non regolata in una tensione di uscita CC regolata a diversi livelli di tensione. L’alimentazione di ingresso può essere una vera tensione CC da una batteria o un pannello solare, o una tensione continua raddrizzata da un’alimentazione CA utilizzando un ponte a diodi insieme ad alcuni filtri capacitivi aggiuntivi.

Il vantaggio principale di questo è che l’efficienza energetica del regolatore può essere piuttosto elevata perché il transistor è completamente acceso e conduttore (saturo) o completamente spento (interruzione).

Esistono diversi tipi di convertitore da CC a CC disponibili, le tre più usate topologie di alimentazione di commutazione sono note come Buck, Boost e Buck-Boost. Tutte e tre queste topologie non sono isolate, ovvero le loro tensioni di ingresso e di uscita condividono una linea di massa comune.

La regolazione della tensione di uscita viene ottenuta mediante il controllo percentuale del tempo in cui il transistor di commutazione si trova nello stato “ON” rispetto al tempo totale ON / OFF. Questo rapporto è chiamato duty cycle e variando il duty cycle, D può essere controllata l’ampiezza della tensione di uscita Vout.

L’uso di un singolo induttore e diodo e di interruttori a stato solido con commutazione rapida in grado di operare a frequenze di commutazione nell’ordine dei kilohertz consente di ridurre notevolmente le dimensioni e il peso dell’alimentatore. Tuttavia, se è richiesto l’isolamento tra i terminali di ingresso e di uscita, è necessario includere un trasformatore prima del convertitore.

Il convertitore buck è progettato per convertire l’energia elettrica da una tensione di partenza a una inferiore. Il convertitore buck funziona con un transistor di commutazione collegato in serie. Poiché il ciclo di lavoro, D <1 , la tensione di uscita del buck è sempre inferiore alla tensione di ingresso.

Il convertitore boost è progettato per convertire l’energia elettrica da una tensione di partenza a una superiore. Il convertitore boost funziona con un transistor di commutazione connesso in parallelo che determina un percorso di corrente diretto tra Vin e Vout tramite l’induttore L1 e il diodo D1. Ciò significa che non c’è protezione contro i cortocircuiti sull’uscita.

Variando il duty cycle, (D) di un convertitore boost, la tensione di uscita può essere controllata e con D <1, l’uscita CC dal convertitore boost è maggiore della tensione di ingresso Vin come conseguenza della tensione autoindotta degli induttori .

Inoltre, si presume che i condensatori di livellamento di uscita negli alimentatori a commutazione siano abbastanza grandi, tali da non scaricarsi nei periodi di assenza di energia fornita dalla sorgente con la commutazione, il che si traduce in una tensione di uscita costante.

Con questo termino questa trattazione sulle tipologie degli alimentatori a commutazione con la speranza di essere riuscito a convincere qualcuno a passare a questa tipologia nella progettazione dei propri lavori siano essi hobbistici o semi-professionali. In fondo una volta capito come funzionano possiamo smettere di guardarli con sospetto e sfruttarli a pieno per le nostre esigenze.

Saluti Amilcare

VOTO
6 commenti
  1. theremino dice:

    Le tipologie mi sono familiari ma i nomi (buk, boost sepic ecc…) non riesco mai a ricordarli
    Ho letto con piacere l’articolo e forse è la volta buona che me li ricorderò.

    Come si fa a votare l’articolo?
    Non trovo le stelle per votarlo.

    Approvazioni
    • A_X_C
      A_X_C dice:

      Trovi le stellette per la votazione in alto appena sotto al titolo.
      Anche a me è piaciuto questo articolo anche se a dire il vero conosco altre configurazioni non menzionate in questo articolo

      Approvazioni
  2. Amilcare
    Amilcare dice:

    Questa è solo una prima infarinatura ma, serve per rompere il ghiaccio con tali circuiti.
    Da qualche parte toccava pur iniziare, vedrò di fare altri articoli su questo argomento scendendo un po più nel dettaglio.
    Il mio intento era solo quello di far guardare questi circuiti con uno spirito diverso.
    In fondo i regolatori lineari su apparecchiature commerciali di largo consumo sono spariti da una decina di anni ed è giusto rimanere al passo.

    Approvazioni

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