Benvenuto in questa lezione per aspiranti elettricisti, oggi ci occupiamo di qualcosa di un po’ più teorico, parleremo infatti degli alimentatori switching.
Lavorare come elettricista ci porta in certi contesti a installare queste apparecchiature, per cui sapere come sono fatte e come funzionano sicuramente può arricchirci in termini di conoscenze.
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Ecco gli argomenti della lezione di oggi:
Introduzione agli alimentatori switching.
Le funzioni dell’alimentatore switching.
Funzionamento dell’alimentatore switching.
I componenti degli alimentatori switching.
Impiego degli alimentatori switching.
Introduzione agli alimentatori switching.
Abbiamo già parlato di alimentatori nella lezione dedicata ai trasformatori, oggi vedremo che tra i vari tipi di alimentatore disponibili, l’alimentatore switching è quello più diffuso, e offre diversi vantaggi, tra i quali la possibilità di essere costruito in ridotte dimensioni.
Gli alimentatori tradizionali come quelli lineari sfruttano un trasformatore di tensione a bassa frequenza (per esempio la nostra 50 Hz), che per come è costruito obbliga a prevedere un certo spazio; invece negli alimentatori switching si utilizzano trasformatori ad alta frequenza, di dimensioni più modeste.
Ecco nella figura che segue due trasformatori da 1 KVA, 230V, 5 A; notiamo che a parità di caratteristiche, quello a destra (trasformatore ad alta frequenza), è molto più piccolo di quello a sinistra (trasformatore a bassa frequenza).
Le funzioni dell’alimentatore switching.
A cosa serve un alimentatore switching? Questi apparecchi, chiamati anche SMPS, che è l’acronimo di Switched-mode power Supply, sono utilizzati per convertire la tensione dell’energia elettrica in modo molto efficiente.
Quando si parla di alimentatore, molto spesso si sente confondere alimentatore con trasformatore; in realtà questi sono apparecchi differenti: il trasformatore semplicemente trasforma una tensione in un’altra, dello stesso tipo; mentre l’alimentatore trasforma anche il tipo di corrente, per esempio da alternata a continua.
L’alimentatore switching comune trasforma la tensione alternata (come la 230V della rete), in una tensione in corrente continua (per esempio 5V per i caricatori dei telefonini, oppure 12V per computers).
La particolarità dell’alimentatore switching è il tipo di funzionamento, che si chiama PWM (pulse with modulation); lo vedremo meglio nel prossimo paragrafo.
Ecco nella figura che segue un circuito di questo tipo rappresentato in maniera semplificata; notiamo la funzione di switching al centro, sul trasformatore ad alta frequenza.
Di circuiti di rettificazione ce ne sono di diverso tipo, come quelli a mezzo ponte di diodi (half bridge), e a ponte intero di diodi (full bridge).
I raddrizzatori a ponte di diodi sfruttano la caratteristica di questo componente di lasciare passare la corrente solo in una direzione, creando così delle semi onde tutte con stesso segno.
Nelle figura che segue possiamo vedere i diversi tipi di raddrizzatore.
Funzionamento dell’alimentatore switching.
Un alimentatore switching è composto di diversi circuiti, il primo è quello di entrata, dove la tensione d’alimentazione viene trasformata da alternata a continua, mantenendo la stessa tensione. Questo compito viene svolto da un raddrizzatore, un circuito che comprende solitamente anche dei circuiti LC (induttore e condensatore) che servono da ulteriore filtro per le ondulazioni della corrente.
Il circuito switching invece, è composto solitamente da MOSFET, e agisce trasformando la corrente continua in un’onda quadra, la cui frequenza è molto alta. In pratica questo circuito, attraverso il generatore di impulsi PWM, accende e spegne il MOSFET, lavorando come un interruttore.
Tra questo circuito e quello di uscita abbiamo il trasformatore ad alta frequenza, che solitamente abbassa la tensione per ottenere quella desiderata in uscita.
L’ultimo circuito dell’alimentatore switching è quello di uscita, composto anch’esso da filtri, e che si occupa di lavorare ulteriormente il segnale oscillante, che risulta così continuo, a tensione più bassa.
Ecco nella prossima immagine un esempio di circuito di un alimentatore switching.
I componenti degli alimentatori switching.
Ora che abbiamo visto come funziona un alimentatore di questo tipo, osserviamo un’immagine di uno di questi circuiti, per identificarne i componenti che ne fanno parte.
Nella figura sopra, troviamo identificato con la lettera A il circuito rettificatore, e con la lettera B il circuito filtro con condensatore.
La lettera C identifica il trasformatore ad alta frequenza, mentre vediamo il filtro di uscita del secondario del trasformatore (D).
Abbiamo poi altri condensatori che filtrano l’uscita finale del circuito, identificati con la lettera E.
Impiego degli alimentatori switching.
Gli alimentatori switching non solo vengono utilizzati come alimentatori di apparecchiature di uso comune, tra i quali computers e telefonini, ma sono anche impiegati per alimentare altre parti di circuito elettronico.
Tra questi alimentatori troviamo quelli industriali, utilizzati per alimentare apparecchiature ausiliarie, di solito a 24 Volt continui, così come sistemi PLC e HMI.
Nell’immagine che segue troviamo a sinistra un alimentatore utilizzato per alimentare i circuiti 24VDC di un quadro d’automazione.
