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Alimentatori switching (01/12/2021)

Indice Argomento Corrente

1) Alimentatori switching: Introduzione

2) Tipologie degli Alimentatori switching

3) Principali Vantaggi degli Alimentatori switching

4) Principali problemi degli Alimentatori switching

5) Misure da eseguire sugli Alimentatori switching

6) Esempi di Alimentatori switching e della determinazione della qualità costruttiva

7) Esempi di impiego di Alimentatori switching per valvole termoioniche

1 - Alimentatori switching: Introduzione

Sempre più spesso, grazie all'evoluzione tecnologica, è possibile imbattersi in alimentatori switching impiegati praticamente dovunque, dalla ricarica dei cellulari all'alimentazione dei dispositivi più disparati.
Vedremo di seguito come determinarne la qualità costruttiva e le possibilità di impiego amatoriale (on line è possibile trovarne di tutte le tipologie, per lo più prodotti in Cina).

2 - Tipologie degli Alimentatori switching

Vi sono due tipologie principali di alimentatori switching in funzione del tipo di uscita che può essere una tensione maggiore o minore di quella in ingresso, si dividono quindi in step-up e step-down.
Quindi il convertitore step-up è un convertitore CC-CC (da corrente continua a corrente continua) con una tensione di uscita maggiore dell’ingresso mentre il convertitore step-down, la tipologia di gran lunga più comune è un convertitore CC-CC con una tensione di uscita minore dell’ingresso.
In tutti e due i casi in funzione della bontà del progetto il rendimento va quasi sempre dall'85% al 95%.
In genere in fase di taratura la tensione in uscita può essere aggiustata mentre la tensione in ingresso può avere una grande tolleranza senza che vi siano variazioni della tensione in uscita.
In altre parole hanno un buon grado di stabilità.
Un caso particolare di alimentatore switching è il convertitore CA-CC (da corrente alternata a corrente continua), quelli tipici di tutti gli alimentatori per smart-phone, computer e praticamente qualsiasi cosa che funzioni a bassa tensione alimentata direttamente dalla rete elettrica.
In realtà si tratta di un convertitore CC-CC preceduto da un raddrizzatore che converte la corrente alternata della rete elettrica in corrente continua prima della conversione.

3 - Principali Vantaggi degli Alimentatori switching

1. Il primo vantaggio sono le misure e il peso ridotto, trovano collocazione un po' dovunque, quindi hanno un buon rapporto potenza/peso, pensate che ce ne sono un certo numero cablati direttamente sulle schede madri dei computer per ottenere le varie tensioni di alimentazione, e di sicuro non forniscono piccole potenze.
   

2. Il secondo vantaggio è il rendimento, molto alto, tale da non dissipare grandi potenze come nel caso degli alimentatori lineari*, quindi richiedono un limitato sistema di smaltimento del calore.
   

3. Costano poco, le case costruttrici di componenti si sono specializzate nel produrre componenti affidabili e a basso costo per questo genere di impieghi.
   

* Ricordiamo che un convertitore CC-CC di tipo switching con un rendimento accettabile (80-90%) non è un regolatore lineare, quindi se abbiamo in uscita una tensione di 5V con una corrente di 1A quindi una potenza di 5W lato ingresso se la tensione è di 20V l'assorbimento sarà di (corrente assorbita=potenza assorbita fratto la tensione in ingresso) 5/20=250mA (non tenendo conto del rendimento di conversione e quindi delle perdite) contro 1A di un regolatore lineare.

4 - Principali problemi degli Alimentatori switching

Il principale svantaggio degli alimentatori switching è sicuramente il rumore prodotto, dovuto all'alta frequenza di funzionamento, rumore che viene immesso sulla linea di alimentazione, su quella alimentata e irradiato nell'intorno sotto forma di campo magnetico.
Il rumore prodotto è inversamente proporzionale alla bontà del progetto e della realizzazione dell'alimentatore stesso, che se correttamente corredato di filtri e di schermature diventa molto più "silenzioso".
In genere il rumore prodotto è dal punto di vista spettrale molto complesso, con una frequenza fondamentale che corrisponde alla frequenza di commutazione dello switching e tante armoniche che possono arrivare a frequenze dell'ordine di alcuni MHz.
Mentre i disturbi sulle linee di ingresso ed uscita sono eliminabili con dei filtri composti da induttanze e capacità, i disturbi di natura magnetica richiedono delle schermature magnetiche attorno all'alimentatore switching stesso.
E' uno dei motivi per cui i contenitori degli alimentatori switching dei personal computer sono di metallo ferromagnetico invece che di plastica.
Gli alimentatori switching sono tristemente noti presso i radioamatori che operano sulle onde medie per essere una fastidiosissima fonte di disturbi e viste le potenze in gioco i disturbi possono arrivare anche molto lontano.

5 - Misure da eseguire sugli Alimentatori switching

1. Misura della perturbazione della tensione in ingresso con oscilloscopio e analizzatore di spettro.
   

2. Misura dei disturbi sulla tensione in uscita con oscilloscopio e analizzatore di spettro.
   

3. Misura della perturbazione dello spazio circostante ad opera dei flussi magnetici dispersi con sonda magnetica, oscilloscopio e analizzatore di spettro.
   

4. Misura della Frequenza di commutazione.
   

5. Calcolo e costruzione di filtri per ingresso e uscita.
   

6. Realizzazione di un filtro per i disturbi di natura magnetica.
   

7. Misure di verifica della efficacia degli accorgimenti adottati al fine di ridurre la "rumorosità" dell'alimentatore switching.
   

6 - Esempi di Alimentatori switching e della determinazione della qualità costruttiva

I seguenti alimentatori hanno come denominatore comune la provenienza: Cina.

Nelle immagini sopra un alimentatore step-up di media potenza (in questo caso essendo alimentato in corrente continua si può anche definire "convertitore CC-CC ovvero da corrente continua a corrente continua"), circa 400W massimi con tensione di ingresso da 8.5V a 50V e tensione in uscita 10-60V continuamente regolabile con un rendimento dichiarato fino al 96% e frequenza di lavoro di 150KHz.
Come è possibile notare la realizzazione è curata, i dissipatori sono insufficienti per prelevare 400W in regine continuo, infatti con un rendimento massimo del 96% avremo una potenza dissipata di 16W come minimo (ricordiamoci che è dichiarato il rendimento massimo ma non quello medio).
I dissipatori sono un po' piccoli per dissipare tale potenza a meno di non mettere una potente ventola sopra il tutto.
E' completamente assente qualsiasi filtro sia in ingresso che in uscita, quindi ci dobbiamo aspettare molti disturbi sia lato alimentazione che lato carico anche se per sua natura il trasformatore toroidale impiegato non ha molti flussi magnetici dispersi.
Probabilmente per arrivare ad un risultato soddisfacente lo spazio richiesto dai filtri sarà maggiore di quello occupato dal convertitore CC-CC switching.
Un possibile impiego di tale alimentatore e l'alimentazione anodica di valvole preamplificatrici o di un distorsore per chitarra, il tutto progettato con delle valvole adatte a funzionare con tensioni relativamente basse.

Nelle immagini sopra un alimentatore step-up di piccola potenza, circa 40W massimi con tensione di ingresso da 8V a 32V e tensione in uscita da 45V a 390V continuamente regolabile con un rendimento dichiarato fino al 88% e frequenza di lavoro di 75 KHz.
Come è possibile notare la realizzazione è abbastanza curata, il dissipatore anche in questo caso è apparentemente troppo piccolo, per prelevare 40W in regine continuo, infatti con un rendimento massimo del 88% avremo una potenza dissipata di 4.8W come minimo (ricordiamoci che è dichiarato il rendimento massimo ma non quello medio).
Il dissipatore è un po' piccolo per dissipare tale potenza e per prelevare la massima potenza dovremo sostituirlo.
E' completamente assente qualsiasi filtro sia in ingresso che in uscita, quindi ci dobbiamo aspettare molti disturbi sia lato alimentazione che lato carico.
Per sua natura il trasformatore impiegato con il nucleo composto da due "E" ha molti flussi magnetici dispersi.
Probabilmente sarà necessaria una schermatura magnetica, una scatola di materiale con una alta permeabilità magnetica in cui racchiudere il convertitore per evitare di avere flussi magnetici dispersi.
Questo convertitore CC-CC è abbastanza raro e pericoloso, in funzione dell'alta tensione presente in uscita.
Suppongo che l'impiego potrebbe essere quello di alimentare a batteria delle circuiterie a valvole termoioniche oppure caricare i condensatori di un flash per fotografia.

Nelle immagini sopra un alimentatore step-down di piccola potenza, circa 60W massimi con tensione di ingresso di rete a 230VCA e tensione in uscita di 12VCC.
Come è possibile notare la realizzazione è pessima, il dissipatore in questo caso è la scatola stessa, realizzata in alluminio, insomma il tutto è stato realizzato al risparmio.
La circuiteria è molto semplice, è presente un piccolo filtro in ingresso composto da due induttori avvolti sullo stesso nucleo e un condensatore.
Il minimo indispensabile.
Non vi è nulla che assomigli ad un PFC e probabilmente la frequenza di funzionamento è variabile in funzione del carico, non essendoci nessun integrato che regoli il PWM.
Il tutto è realizzato a componenti discreti, compresi i diodi del raddrizzatore in ingresso.
Al massimo con un alimentatore del genere possiamo alimentare delle lampade led a bassa tensione o qualcosa di similare, mai dei circuiti elettronici che richiedono una certa stabilità.

Nella foto sopra un convertitore DC-DC step up.
Può essere impiegato per fornire una uscita stabilizzata a 12,6V per alimentare i filamenti dei tipici triodi preamplificatori con una tensione stabilizzata partendo da una tensione più bassa.
Oppure può essere utilizzato per fornire la tensione anodica a 24V per delle valvole a bassa tensione partendo dai 12V di batteria.
La realizzazione è molto curata, l'induttore è di piccole dimensioni e in ferrite, la frequenza di commutazione è 400KHz.
Vi sono circuiti similari che riescono ad arrivare ad una tensione massima di 50-60V sempre partendo da una tensione compresa fra i 9 e i 15V.

7 - Esempi di impiego di Alimentatori switching per valvole termoioniche

Si tratta certamente di un impiego non convenzionale che non piacerà ai puristi e che ha i suoi pregi e i suoi difetti.
Non esistono alimentatori switching commerciali studiati per l'alimentazione delle valvole termoioniche anche se commercialmente sono stati studiati degli amplificatori a valvole che utilizzano questo approccio, sopratutto per quello che riguarda l'alimentazione di amplificatori per strumenti, con lo scopo di ridurre il peso e gli ingombri degli apparati.
Nulla ci vieta tuttavia di progettare qualcosa di utilizzabile, se non altro per sperimentare.
Nello scenario che andremo a valutare impiegheremo una batteria da 12V e alimenteremo un amplificatore a valvole per cuffia.
Impiegheremo due degli alimentatori switching che abbiamo vistro in precedenza, uno per alimentare i filamenti e uno per alimentare l'anodica.
La potenza in gioco è modesta, il maggior dispendio di energia è costituito da quella utilizzata per accendere i filamenti.
Il primo vantaggio che potremo apprezzare è l'alimentazione degli stessi in continua e con un valore di tensione regolabile finemente e stabilizzato.
Per la tensione anodica utilizzeremo l'alimentatore switching che abbiamo visto sopra che è in grado di fornire una tensione stabilizzata regolabile fra 45V e 390V.
La frequenza di commutazione di ambedue gli alimentatori è molto superiore a qualsiasi frequenza audio.