Come funziona un alimentatore switching
Hai per le mani un alimentatore ma non hai la minima idea se sia adatto per il tuo impianto di video sorveglianza, magari perché il precedente si è rotto? Può capitare di trovarsi in situazioni di emergenza, dove per risolvere la situazione in maniera rapida si peggiorano le cose. Io sono qui proprio per evitare che questo accada, poiché la tua premura è più che giudiziosa, credimi.
In questa guida infatti, oltre a vedere come funziona un alimentatore switching, ti farò una panoramica sul mondo degli alimentatori in generale e ti spiegherò anche il loro funzionamento e le principali differenze. Puoi quindi stare tranquillo sul fatto che apprenderai cosa che ti torneranno utili anche in futuro, che tu sia un semplice appassionato o che voglia intraprendere un percorso più professionale.
Non ti resta che accomodarti sulla tua poltrona e prestarmi un pizzico di attenzione e pazienza. In men che non si dica comprenderai come ogni alimentatore debba essere rigorosamente utilizzato per gli scopi preposti, al fine di evitare spiacevoli inconvenienti. Ma certo! Sarò il più chiaro possibile, come sempre. Buona lettura!
Indice
- Come funziona un alimentatore
- Come funziona un alimentatore stabilizzato
- Come collegare un alimentatore switching
Come funziona un alimentatore
Prima di entrare nel merito è bene dirimere ciò che solitamente riteniamo banale. Capire come funziona un alimentatore può tornare utile anche per preservare i tuoi dispositivi, o i tuoi macchinari, ma spesso si è abituati a dare per scontato che un determinato alimentatore vada bene per qualsiasi cosa. Non è così.
A tal proposito voglio fare una breve distinzione tra corrente alternata e corrente continua. La prima è, per intenderci, quella che viene distribuita a tutte le prese elettriche di un appartamento. La corrente continua invece è destinata ad esempio a tutti gli apparati elettronici come computer o determinati apparati audio, solo a titolo di esempio. Un alimentatore quindi che funzione svolge?
L'alimentatore, che puoi trovare in commercio anche con la sigla PSU (Power Supply Unit), è quell'apparato la cui funzione non è solo quella convertire la corrente alternata (indicata sempre con AC) che riceve dalla presa elettrica, in corrente continua (comunemente DC), ma anche regolare la tensione (espressa in Volt) e gestire le frequenze ad essa legate. Chiaramente i suoi usi variano dal più semplice utilizzo domestico al più complesso ambiente industriale e, come immaginerai, anche i circuiti possono essere più o meno complessi. Inoltre, non tutti gli alimentatori convertono la corrente, infatti alcuni strumenti necessitano esclusivamente di corrente alternata e per questo puoi trovare (più raramente) anche apparati con la classificazione AC/AC.
Permettimi di illustrarti in via preliminare i tipi di alimentatore più utilizzati, ma ricorda che quando si ha a che fare con impianti elettrici bisogna prendere le dovute precauzioni o consultare un professionista.
- Alimentatori statici — Come suggerisce il nome questo tipo di alimentatori ha il compito di erogare valori di tensione statici, ovvero costanti e solitamente impostati su valori predefiniti. Generalmente la corrente in uscita e la tensione non possono essere regolate manualmente.
- Alimentatori variabili — Anche in questo caso il loro nome ci viene in aiuto, poiché questi tipi di apparati sono in grado di regolare sia la tensione in uscita, che l'afflusso di corrente. In questo caso l'utente può regolare i valori in modo manuale.
Queste sono le principali differenze da un punto di vista prettamente elettrico, ma in commercio gli alimentatori si distinguono principalmente per la tecnologia con cui sono progettati. Il circuito di un alimentatore può essere di tipo lineare, switching a controllo elettronico e ovviamente possono differenziarsi in base al modello e al loro utilizzo finale.
Un alimentatore inoltre non va confuso con il trasformatore. Se il primo ha il compito di modulare l'afflusso di corrente e di tensione, il secondo ha la funzione di trasformare la tensione, generalmente abbassandola (anche se può capitare il contrario). Leggendo i paragrafi successivi capirai come in un alimentatore possono essere presenti uno o più trasformatori, ma mai il contrario. Essi semmai sono usati in concomitanza.
Veniamo però agli alimentatori che possiamo trovare nelle nostre case o, magari, nel nostro laboratorio. All'interno di un alimentatore è presente un circuito che praticamente ha il compito di lavorare la corrente in più fasi, finché essa non presenta una forma di uscita “dritta”. Per farti un esempio visivo, immagina la corrente come una linea che inizialmente presenta una forma sinusoidale (a S), per poi appiattirsi man mano. Chiaramente il processo non è così semplice, ma partiamo da questo presupposto. Dal momento che nel capitolo successivo ti parlerò degli alimentatori stabilizzati e lineari, voglio spiegarti ora il processo di conversione di un alimentatore di tipo switching.
L'alimentatore switching, o a commutazione, è molto utilizzato in ambito informatico per realizzare ad esempio il tuo caricabatterie o per alimentare i laptop. Questo perché esso converte la tensione (generalmente abbassandola) in maniera molto più efficiente, compatta dal punto di vista fisico e, nondimeno, ottimizzando il consumo. Con il termine switching si indica che al suo interno è presente un interruttore che si spenge e si accende continuamente (switch), ma entrerò meglio nel dettaglio di seguito.
In prima battuta la corrente alternata che entra nell'alimentatore incontra un sistema di circuiti di rettificazione e filtraggio della tensione quindi, a titolo di esempio, la tensione 220V CA (o AC) è convertita in tensione 220V CC (o DC). Questa fase è gestita generalmente da un trasformatore in grado di supportare alte frequenze e da un ponte raddrizzatore, che al suo interno prevede un sistema di diodi (solitamente 4).
Il ponte raddrizzatore è usualmente monofase, ma in ambito industriale (o comunque aziendale) potresti trovare un raddrizzatore trifase per aumentare la potenza. Denominato più comunemente ponte di Graetz e utilizzato anche negli alimentatori lineari, il raddrizzatore può necessitare, in base al dispositivo da alimentare, di condensatori e induttori per livellare il più possibile la corrente continua a pulsazione unidirezionale: cioè un tipo di corrente continua, ma molto grezza. Per mezzo di un filtro capacitivo, in base ai casi all'interno del ponte raddrizzatore, la corrente viene ulteriormente livellata.
Dopo aver trasformato e livellato la corrente, l'alimentatore deve aggiustare la tensione per ottemperare alle specifiche precise di cui necessita il dispositivo o l'apparecchio che deve essere collegato alla rete elettrica. Questo passaggio è a dir poco cruciale, poiché una tensione eccessiva o troppo bassa può danneggiare l'apparato che andrai ad alimentare. Si può dire che, con le dovute differenze tecniche, la prima fase è comune tanto agli alimentatori di tipo lineare, quanto a quelli di tipo switching: è proprio da questo momento che entra in gioco il succitato interruttore switch.
MOGOULUA 24V 25A 600W Alimentatore Switching Universale Alimentatore R...
LianShi 5V 5A 25w Protezione da cortocircuito e sovraccarico dell'alim...
Dopo aver raddrizzato la corrente e convertito la tensione, l'alimentatore switching delega la fase successiva a un sistema di commutazione ad alta frequenza, coadiuvato dal PWM, ovvero un circuito per la modulazione di lunghezza d'impulso. Non ti preoccupare, te lo spiego meglio in maniera più schematica.
- Commutatore: la corrente continua non regolata dà l'input a un transistor di commutazione (sotto i 100khz) o a un Mofset (che gestisce fino a n Mhz), che sostanzialmente si apre e si chiude a frequenze molto alte (variano da decine di kHz a diversi MHz). Quindi il transistor è un interruttore che connette e disconnette l'alimentazione a velocità elevate. Questo flusso viene trasmesso alla bobina induttrice, o a un trasformatore, mantenendo così il controllo sulla quantità di energia distribuita.
- PWM (Modulazione di lunghezza d'impulso): il PWM regola il rapporto tra il tempo di accensione e il tempo complessivo dell'intero ciclo. Questo rapporto è denominato Duty Cycle (ciclo di lavoro) ed è un aspetto fondamentale, perché tale rapporto deve essere il più stabile possibile per non danneggiare l'apparecchi aliemntato.
L'energia che attraversa l'interruttore viene quindi momentaneamente immagazzinata in parti induttive (induttori o trasformatore) e in appositi condensatori. Attraverso gli induttori o trasformatori, l'alimentatore ammorbidisce ulteriormente i picchi di tensione con il risultato di una corrente ancora più stabile. Compito dei condensatori di uscita è invece quello di filtrare nuovamente le ultime “sporcature” del flusso elettrico e condensarlo, come suggerisce il nome, verso l'uscita definitiva. Sostanzialmente si può dire che, esattamente come per la corrente in entrata, siamo di fronte a un secondo sistema di rettificazione e filtraggio che stavolta è votato alla distribuzione in uscita.
Però non è finita qui, perché al fine di evitare una distribuzione di tensione errata, nell'alimentatore sarà presente un circuito di feedback. Ti stai chiedendo cosa voglia dire? Te lo spiego subito. Immagina questo processo come un supervisore che ha il ruolo di controllare la tensione di uscita e regolare il duty cicle. Infatti, se la tensione dovesse deragliare fuori dai valori impostati nelle fasi precedenti, il circuito di feedback si occuperà di aggiustare il tempo di commutazione (quindi il transistor) per correggere la deviazione. Sostanzialmente il circuito rimanda indietro la corrente per essere nuovamente commutata: possiamo quindi parlare di una retroazione.
A differenza degli alimentatori stabilizzati, di cui ti parlerò a breve, gli switching ottimizzano la dispersione di energia e di calore perché in realtà non sono sempre accesi. Tuttavia spesso necessitano di sistemi di raffreddamento come ventole. Il loro utilizzo è molto diffuso nell'elettronica di consumo, nell'informatica (Server, router ecc.), in alcuni sistemi di automazione e persino negli ospedali (ecografi, tac ecc.). Tuttavia non sempre è possibile usare questo tipo di alimentatori, perché esistono determinati strumenti che hanno bisogno invece di un flusso di tensione lineare e poco “rumoroso”.
AUKENIEN 11 Valori TIP Transistor Potenza Silicio TIP31C TIP32C TIP41C...
BOJACK 10 Valori 300 pezzi Diodi raddrizzatori 1N4001 1N4002 1N4003 1N...
Come funziona un alimentatore stabilizzato
Se hai intenzione di intraprendere la carriera da tecnico del suono, o di ricercatore, ti sarà sicuramente utile sapere come funziona un alimentatore stabilizzato. Ti starai chiedendo per prima cosa quali siano le differenze basilari tra un alimentatore switching e un alimentatore lineare (stabilizzato), non è vero?
Questo tipo di apparati sono particolarmente utilizzati in applicazioni dove è vitale mantenere una tensione di uscita costante e perfetta, per garantire l'adeguato funzionamento degli apparecchi alimentati. Gli alimentatori stabilizzati trovano impiego in diversi settori, come quelli della ricerca scientifica, delle telecomunicazioni (regie mobili e radio), dei sistemi audio e dell'hobbystica.
Possono trovare impieghi in molti ambiti e condividono con gli alimentatori switching le prime due fasi, ovvero il raddrizzamento e il filtraggio per mezzo di un trasformatore elettrico e di un ponte raddrizzatore (ponte di Graetz). Per questo permettimi di proseguire saltando ciò che abbiamo già affrontato, poiché nel nostro caso anche un alimentatore stabilizzato ha il compito di convertire la corrente alternata (AC), in corrente continua (DC).
Nell'alimentatore lineare la fase di gestione della tensione è totalmente affidata a un filtro livellatore e a un regolatore di tensione. Anche se può sembrare simile allo switching, in realtà questo tipo di alimentatore deve rispondere a qualsiasi variazione della tensione in entrata e, al contempo, del carico di uscita.
Il filtro livellatore prende in consegna una corrente pulsante continua, ma ancora fortemente instabile. Tale filtro è generalmente composto da a una serie di condensatori, la cui quantità varia a seconda dell'apparato da alimentare. Non è infatti raro vedere più condensatori collegati in parallelo, qualora la capacità necessaria dovesse essere molto elevata. Terminata questa fase entra in gioco ciò che di fatto ci permette di classificare questi tipi di alimentatore come lineari.
Il regolatore lineare regola la tensione mantenendola a un valore costante predefinito, nonostante le differenze di carico o di tensione in entrata. Esso quindi assorbe la tensione in eccesso e la restituisce sotto forma di calore attraverso un diodo Zener, oppure attraverso un circuito integrato di transistor. Il regolatore di tensione può quindi agire secondo quello che tecnicamente viene definito controllo in serie, per mezzo di quanto segue.
- Transistor (o componente di passaggio): un transistor di potenza nel regolatore ha la funzione di elemento variabile di passaggio. La resistenza di questo transistor viene costantemente regolata per tenere la tensione di uscita ideale.
- Feedback e Comparazione: un sistema di feedback, simile a quello usato negli alimentatori switching, rileva la tensione di output e la paragona a un parametro di tensione fisso. Ogni variazione della tensione d'uscita agevola una modifica nel controllo del transistor che, di conseguenza, reindirizza la tensione di uscita per riportarla al valore impostato.
Dal momento che il regolatore deve abbassare la tensione e assorbire quella in eccesso trasformandola in calore, ha bisogno di sistemi per il controllo termico, come alette di raffreddamento.
Qui risiede la principale differenza con altri tipi di alimentatore perché, dovendo distribuire la tensione in maniera costante (dissipando l'eccesso in calore), il consumo energetico è decisamente superiore rispetto a un alimentatore switching.
Da un punto di vista tecnico l'alimentatore stabilizzato prevede un funzionamento molto semplice e meno complesso rispetto a quanto visto nel capitolo precedente. Tuttavia molti macchinari non possono fare a meno di utilizzare corrente a tensione costante, può essere un esempio lo studio di registrazione. Questo tipo di alimentatori infatti non produce interferenze ed è per tale motivo che è definito meno “rumoroso”, rispetto a quanto possa essere un alimentatore switching.
HANMATEK HM310 Alimentatore da Banco Alimentatore Laboratorio Regolato...
Alimentazione da laboratorio 0-30 V 0-10 A Alimentazione stabilizzata ...
Come collegare un alimentatore switching
Dopo aver appreso tutte queste nozioni sugli alimentatori, probabilmente hai per le mani proprio un alimentatore switching e hai intenzione di collegarlo a uno dei macchinari della tua attività, magari a una stampante 3D o alle strisce LED della tua sala espositiva. Sebbene il funzionamento del circuito interno sia un po' complicato, il collegamento esterno è abbastanza veloce e intuitivo.
Prima di illustrarti come collegare un alimentatore switching è bene che io ti consigli in ogni caso di adottare tutte le misure di sicurezza necessarie, oppure di rivolgerti a un esperto in materia. Il procedimento può ovviamente variare in base al modello di alimentatore e in base al dispositivo da alimentare, quindi consulta i relativi manuali in dotazione. La prima cosa da fare in ogni caso è sicuramente staccare la corrente agendo sull'apposito comando nel tuo quadro elettrico.
Un alimentatore switching generalmente è provvisto di alcuni pin nella parte posteriore. Solitamente essi sono suddivisi in attacchi N e L per il collegamento rispettivamente del cavo neutro (solitamente blu) e del cavo di fase (rosso o marrone). Di fianco ai morsetti appena citati dovresti trovare il pin per la messa a terra, indicato con due linee orizzontali e una T rovesciata.
A seguire sono disposti i pin di uscita relativi alla DC (corrente continua) negativa e positiva, contrassegnati rispettivamente con V- e V+. In quasi tutti i modelli dovresti trovare anche un regolatore di voltaggio (a vite o con manopola), indicato con le lettere AV sovrastate da una freccia ad arco e i segni + e –.Quest'ultimo comando potrebbe variare in base al modello.
Per immettere corrente alternata nell'alimentatore non devi fare altro che collegare il cavo blu del tuo impianto elettrico al pin N e il cavo di fase al relativo pin contrassegnato con la L. A seguire provvedi ad agganciare il cavo della messa a terra (usualmente giallo e verde) nel rispettivo morsetto con la T rovesciata.
L'uso più comune di un alimentatore switching è sicuramente il collegamento alle strisce LED per l'illuminazione. Ma generalmente il procedimento è il medesimo anche per altri apparati, ovviamente a seconda della potenza e della tensione di cui essi necessitano. Bada bene ad acquistare un alimentatore o un trasformatore in grado di supportare il carico.
Se il tuo apparato indica una potenza di 60W, dovrai disporre di un alimentatore con potenza massima più alta. In ogni caso, una volta collegate la corrente di fase, la neutra e la messa a terra, ti basterà individuare il cavo positivo (es. di una striscia LED o di un letto stampante 3D) di colore rosso e fissarlo a una delle uscite dell'alimentatore indicate con V+. Di conseguenza puoi collegare il cavo negativo (generalmente nero) a una delle uscite indicate con V-.
Ad un unico alimentatore puoi collegare più apparati, a patto che la loro potenza (Watt) e tensione (Volt) rientrino nella portata dell'alimentatore stesso. Puoi anche munirti di strumenti appositi per le misurazioni come ad esempio un multimetro digitale.
NUOVA GERMANY - PRO Strip LED Alta Luminosita 5M, Striscia Nastro 120W...
RUNCCI-YUN Cavo di Prolunga da 20 m LED,Kit di Connettori a Striscia L...
In qualità di affiliati Amazon, riceviamo un guadagno dagli acquisti idonei effettuati tramite i link presenti sul nostro sito.
Autore
Salvatore Aranzulla
Salvatore Aranzulla è il blogger e divulgatore informatico più letto in Italia. Noto per aver scoperto delle vulnerabilità nei siti di Google e Microsoft. Collabora con riviste di informatica e cura la rubrica tecnologica del quotidiano Il Messaggero. È il fondatore di Aranzulla.it, uno dei trenta siti più visitati d'Italia, nel quale risponde con semplicità a migliaia di dubbi di tipo informatico. Ha pubblicato per Mondadori e Mondadori Informatica.
