Gli alimentatori a commutazione sono utilizzati per convertire la tensione d'ingresso nel valore necessario ai componenti interni. Un altro nome molto usato per gli alimentatori a commutazione è quello di inverter.
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Cos'è un alimentatore a commutazione?
Un inverter è un'alimentazione secondaria che utilizza una doppia conversione della tensione CA in ingresso. I valori di uscita sono regolati cambiando la durata (larghezza) degli impulsi e, in alcuni casi, la loro frequenza. Questo tipo di modulazione è chiamato modulazione di larghezza d'impulso.
Il principio di un alimentatore a commutazione
L'inverter funziona raddrizzando la tensione primaria e poi convertendola in un treno di impulsi ad alta frequenza. Questo è in contrasto con un trasformatore convenzionale. La tensione di uscita è utilizzata per generare un segnale di feedback negativo che permette di regolare i parametri degli impulsi. Controllando la larghezza dell'impulso, è facile organizzare la stabilizzazione e la regolazione dei parametri di uscita, tensione o corrente. Cioè, può essere un regolatore di tensione così come un regolatore di corrente.
Il numero e la polarità dei valori di uscita possono essere molto diversi, a seconda di come funziona l'alimentatore a commutazione.
Varietà di alimentatori
Vengono utilizzati diversi tipi di inverter, che differiscono nel loro circuito:
- senza trasformatore;
- trasformatore.
I primi si distinguono per il fatto che la sequenza di impulsi va direttamente al raddrizzatore di uscita e al filtro di lisciatura del dispositivo. Un tale circuito ha un minimo di componenti. Un semplice inverter include un circuito integrato specializzato - oscillatore a larghezza di impulso.
Lo svantaggio principale dei dispositivi senza trasformatore è che non hanno isolamento galvanico dalla rete elettrica e possono rappresentare un rischio di shock. Di solito hanno anche una bassa potenza e forniscono solo 1 valore di tensione in uscita.
Più comuni sono i dispositivi di trasformazione in cui una sequenza di impulsi ad alta frequenza è applicata all'avvolgimento primario del trasformatore. Ci possono essere tanti avvolgimenti secondari quanti sono necessari, permettendo di formare diverse tensioni di uscita. Ogni avvolgimento secondario è caricato con il proprio raddrizzatore e filtro di livellamento.
Un potente alimentatore switching di qualsiasi computer è costruito secondo tale circuito, che ha un'alta affidabilità e sicurezza. Per il segnale di retroazione, si utilizza una tensione di 5 o 12 volt, poiché questi valori richiedono la massima stabilizzazione possibile.
L'uso di trasformatori per la conversione di tensione ad alta frequenza (decine di kilohertz invece di 50 Hz) ha permesso di ridurre le loro dimensioni e il loro peso molte volte e di utilizzare materiali ferromagnetici con alta forza coercitiva come materiale del nucleo (filo magnetico) invece di ferro elettrico.
I convertitori DC-DC sono anche basati sulla modulazione di larghezza d'impulso. Senza l'uso di circuiti inverter, la conversione era molto difficile.
Circuito di alimentazione DC
Lo schema del circuito della più comune configurazione di inverter a impulsi include:
- Un filtro di linea per la soppressione delle interferenze;
- raddrizzatore;
- Un filtro lisciante;
- convertitore di larghezza d'impulso;
- transistor chiave;
- trasformatore ad alta frequenza di uscita;
- raddrizzatori di uscita;
- filtri di uscita individuali e di gruppo.
Lo scopo del filtro di soppressione delle interferenze è quello di intrappolare le interferenze dal funzionamento dell'unità nella rete elettrica. La commutazione di elementi semiconduttori ad alta potenza può essere accompagnata dalla generazione di impulsi a breve termine in un ampio spettro di frequenze. Pertanto, è necessario utilizzare elementi appositamente progettati come condensatori passanti per i collegamenti di filtraggio.
Il raddrizzatore serve per la conversione della tensione AC in ingresso in tensione DC, e un filtro di smorzamento a valle elimina l'ondulazione della tensione raddrizzata.
Quando si usa un convertitore DC, il raddrizzatore e il filtro non sono necessari e il segnale d'ingresso, dopo essere passato attraverso il circuito di filtro del rumore, viene alimentato direttamente al convertitore di larghezza d'impulso (modulatore), abbreviato come PWM.
Il PWM è la parte più complessa di un circuito di alimentazione switching. Il suo compito comprende:
- Generazione di impulsi ad alta frequenza;
- monitoraggio dei parametri di uscita dell'unità e correzione del treno di impulsi in base al segnale di feedback;
- Monitoraggio e protezione contro i sovraccarichi.
Il segnale PWM è alimentato ai pin di controllo dei transistor ad alta potenza collegati a ponte o a mezzo ponte. I cavi di alimentazione sono collegati all'avvolgimento primario del trasformatore di uscita ad alta frequenza. I transistor bipolari tradizionali sono sostituiti da transistor IGBT o MOSFET, che hanno una caduta di tensione di giunzione molto bassa e prestazioni ad alta velocità. Il miglioramento delle prestazioni dei transistor permette una riduzione della dissipazione di potenza a parità di dimensioni e di design tecnico.
Il trasformatore di impulsi in uscita utilizza lo stesso principio di conversione del trasformatore classico. L'eccezione è l'operazione di sovrafrequenza. Di conseguenza, i trasformatori ad alta frequenza hanno dimensioni più piccole per la stessa potenza trasmessa.
La tensione dall'avvolgimento secondario del trasformatore di potenza (ce ne possono essere diversi) è alimentata ai raddrizzatori di uscita. A differenza del raddrizzatore d'ingresso, i diodi raddrizzatori del circuito secondario devono avere una frequenza di funzionamento più alta. I diodi Schottky funzionano meglio in questa sezione del circuito. I loro vantaggi rispetto ai diodi convenzionali sono:
- alta frequenza operativa;
- capacità di giunzione p-n inferiore;
- bassa caduta di tensione.
Lo scopo del filtro di uscita in un alimentatore a commutazione è quello di ridurre l'ondulazione della tensione di uscita raddrizzata al minimo necessario. Poiché la frequenza di ondulazione è molto più alta di quella della tensione di linea, non c'è bisogno di un'alta capacità e induttanza nelle bobine.
Campo di applicazione dell'alimentatore a commutazione
Gli inverter a tensione pulsata sono utilizzati nella maggior parte dei casi al posto dei tradizionali inverter a trasformatore con stabilizzatori a semiconduttore. Con la stessa potenza, gli inverter sono più piccoli e leggeri, più affidabili e, soprattutto, più efficienti e possono funzionare su una vasta gamma di tensioni di ingresso. E per una dimensione comparabile, la potenza massima dell'inverter è diverse volte superiore.
In un settore come quello della conversione della tensione DC, le fonti di impulsi non hanno quasi alternative e sono in grado di operare non solo riducendo la tensione, ma anche generando una tensione più alta e organizzando l'inversione di polarità. L'alta frequenza di conversione facilita notevolmente il filtraggio e la stabilizzazione dei parametri di uscita.
Piccoli inverter basati su circuiti integrati specializzati sono utilizzati come caricatori per ogni tipo di gadget, e la loro affidabilità è tale che la vita utile dell'unità di ricarica può superare di diverse volte la vita utile di un dispositivo mobile.
Anche i driver di potenza a 12 volt per l'accensione delle sorgenti luminose a LED sono basati su un circuito di commutazione.
Come fare un alimentatore switching con le proprie mani
Gli inverter, specialmente quelli potenti, hanno circuiti complessi e sono accessibili solo ai radioamatori esperti. Semplici circuiti a bassa potenza con l'uso di controller PWM specializzati possono essere raccomandati per l'auto-assemblaggio di alimentatori di rete. Questi circuiti integrati sono a basso cablaggio e hanno un design di circuito consolidato che non richiede praticamente alcuna regolazione e messa a punto.
Quando si lavora su costruzioni fatte in casa o si riparano dispositivi industriali, ricordate che una parte del circuito sarà sempre sotto il potenziale di rete, quindi bisogna osservare le precauzioni di sicurezza.
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