Alimentatore
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Un alimentatore è un apparato elettrico semplice o composto che serve a trasformare ed eventualmente a raddrizzare la corrente elettrica in modo da fornire energia ed adattarla all'uso di altre apparecchiature.
Gli alimentatori differiscono ampiamente in funzione della potenza gestita, così anche per le caratteristiche di qualità della corrente fornita all'uscita. Un alimentatore con pari valori di tensione e potenza è più complesso e costoso quanto più la tensione fornita è precisa e stabile, e quanto maggiore è la sua affidabilità. Esistono anche alimentatori da laboratorio, in cui la tensione di uscita è regolabile a piacere dall'utilizzatore in base alla necessità. Questi alimentatori hanno anche una limitazione della corrente massima fornita, in alcuni casi regolabile, utile per evitare problemi in caso di cortocircuito e per speciali circuiti con alimentazione in corrente costante.
In molti casi l'alimentatore fornisce più di una tensione di uscita. È il caso degli alimentatori per computer, che forniscono tensioni di 3,3, ±5, ±12 V.
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[modifica] Tecnologie
Esistono due approcci tecnologici profondamente differenti per la realizzazione di alimentatori:
[modifica] Dissipativo o lineare
Si tratta di una tecnologia estremamente semplice ed economica, largamente usata ove la potenza richiesta sia limitata ed il costo rappresenti un limite. Non mancano tuttavia esempi di alimentatore di questo tipo che eroghino anche fino a 20 ampere di corrente.
Un generico alimentatore lineare è idealmente (e spesso anche praticamente) composto dai seguenti elementi collegati in cascata:
- un trasformatore: provvede a ridurre (o in rari casi aumentare) la tensione proveniente dalla rete elettrica per avvicinarla al valore richiesto dal carico da servire.
- un raddrizzatore: trasforma la corrente alternata fornita dal trasformatore in corrente continua. Può essere a diodo singolo o a ponte di graetz
- un filtro livellatore: livella la corrente unidirezionale pulsante uscente dal raddrizzatore in una corrente più uniforme e costante. Solitamente rappresentato semplicemente da un condensatore elettrolitico.
- un circuito elettronico Stabilizzatore detto anche regolatore, che può spaziare da un semplice diodo zener ad un circuito integrato dedicato. Assicura che la tensione generata dall'alimentatore si mantenga costante nel tempo ed entro una stretta tolleranza rispetto al valore richiesto, al variare della tensione della rete elettrica e del carico applicato.
In molti casi dove non occorra una tensione stabile e precisa, specialmente nei piccoli alimentatori a spina, non è presente la sezione di stabilizzazione.
I principali limiti di questi alimentatori risiedono nel basso rendimento energetico, che comporta, nel caso di elevate potenze gestite, un consistente sviluppo di calore, che deve essere smaltito per evitare danni all'apparato.
Un altro limite è nell'eccessivo incremento di dimensioni e peso all'aumentare della potenza di un alimentatore analogico,considerando l'elevato peso che ha un grosso trasformatore di tensione.
[modifica] Switching o "a commutazione"
Possiedono circuiti più complessi rispetto ad un alimentatore tradizionale, ma hanno diversi vantaggi, tra cui un minore ingombro e peso a parità di potenza, un rendimento maggiore e quindi minore calore prodotto, sono meno adatti per l'uso in laboratorio, essendo caratterizzati: da un elevato ripple; e dalla generazione di componenti spurie ad alta frequenza che possono interferire nel funzionamento di alcune apparecchiature.
Il principio di funzionamento si basa sul fatto che un trasformatore è più efficiente, richiede un nucleo ferromagnetico più piccolo ed è molto più compatto, a parità di potenza, all'aumentare della frequenza operativa. Negli alimentatori elettronici vengono utilizzati particolari trasformatori fatti funzionare a frequenze di decine o centinaia di migliaia di Hertz invece dei 50 Hz della rete elettrica di distribuzione. Il nucleo di questo trasformatore è in Ferrite, materiale realizzato con polveri metalliche incollate, invece dei tradizionali lamierini di ferro, che alle alte frequenze comporterebbero una notevole perdita di energia.
In un alimentatore elettronico la tensione di rete viene per prima cosa raddrizzata e livellata con un condensatore. Successivamente un circuito oscillatore genera a partire da questa corrente continua, una corrente alternata di elevata frequenza, che viene applicata ai capi dell'avvolgimento primario del trasformatore; la tensione in uscita, presente ai capi dell'avvolgimento secondario del trasformatore, viene raddrizzata e livellata.
La funzione di stabilizzazione è solitamente ottenuta retroazionando l'errore del segnale in uscita sul regime di funzionamento dell'oscillatore. In pratica, un circuito misura la tensione di uscita, e se questa risulta troppo alta viene ridotta l'energia inviata dall'oscillatore al trasformatore, se invece la tensione scende, viene aumentato il flusso di energia. Grazie a questo sistema molti alimentatori switching sono in grado di accettare in ingresso un'ampia gamma di tensioni e frequenze. Per esempio gli alimentatori per Notebook spesso possono essere collegati sia alla rete europea a 230 V/50 Hz, sia a quella statunitense a 115 V/60 Hz.
L'apparato è reso più complesso dalla presenza di sistemi di protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti, e da filtri necessari per evitare che il segnale ad alta frequenza si propaghi verso il carico oppure ritorni verso la rete elettrica.
[modifica] Il ripple
È uno dei parametri che caratterizzano la qualità di un alimentatore, la sua misura si effettua con l'oscilloscopio accoppiando l'ingresso in AC. Si tratta principalmente del rimanente residuo della componente alternata della rete elettrica, rettificata dai diodi e livellata dai condensatori di filtro; a questa piccola componente oscillatoria spuria, possono aggiungersi disturbi indotti dal carico o dovuti al funzionamento interno dell'alimentatore (presente soprattutto negli alimentatori a commutazione). Questo residuo è costituito da una lieve oscillazione della tensione di uscita avente, nel primo caso, andamento identico alla sinusoide di ingresso, in pratica questo piccolo disturbo si sovrappone alla tensione continua fornita in uscita. Per usi generici, questa componente residua risulta ininfluente sull'utilizzo, in altri casi, esempio fornire alimentazione ad un circuito in progetto, operante a bassi livelli di tensione o elevato guadagno, un ripple relativamente alto può essere di disturbo. Per questa ragione i migliori alimentatori da laboratorio sono in tecnologia lineare, con un ripple garantito su tutto il range di tensione/corrente, contenuto entro pochi millivolt. Per abbattere il ripple esistono degli apposoti trasistor che hanno un grado di reiezione del ripple pari a ben 80dB,ovvero riescono a ridurre il ripple di uscita di 10.000 volte rispetto a quello di entrata.
[modifica] Immunità ai ritorni di potenza
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Si definisce immunità ai ritorni di potenza - di un sistema progettato per emetterla - la capacità di resistere[1] ad un'energia proveniente dall'esterno in senso inverso.
Pur proveniente dall'esterno, questa energia può anche essere la stessa che viene emessa, la quale se non dissipata oppure non irradiata, ritorna.
L'immunità ai ritorni di potenza si esprime: in volt nei sistemi come i generatori elettrici e gli alimentatori[2]; e in watt nei sistemi come gli amplificatori e i trasmettitori RF[3].
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Per approfondire, vedi la voce onda stazionaria. |
[modifica] Clipping e controllo di corrente
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[modifica] Clipping della corrente
Negli alimentatori dotati di dispositivo di clipping della corrente è possibile impostare - con una manopola[4] - un valore limite della corrente erogata. Il funzionamento è descritto dalla figura qui a lato nominata curva di clipping della corrente ed è il seguente: fissata una certa tensione V = Vk; applicando una resistenza di carico 
; per valori di corrente risultante 
questa assume un andamento lineare in salita mentre la tensione rimane costante; continuando a ridurre ulteriormente 
invece, la corrente erogata diventa costante mentre la tensione scende secondo V = RL * I(max).
Facciamo un esempio: vogliamo caricare con il nostro alimentatore una batteria al piombo da: 12V; 20Ah. Come sappiamo, per non danneggiare questo tipo di batterie, dobbiamo ricaricarlo: con una corrente massima di un ventesimo della capacità; per un tempo di 20-24 ore. Il procedimento è il seguente: regoliamo la tensione a vuoto su 13,8V[5]; portiamo invece la regolazione della corrente di clipping al minimo[6]; colleghiamo la batteria all'alimentatore[7]; alziamo delicatamente la regolazione della corrente di clipping fino al valore di carica 
dove Ip è la capacità della batteria; nel nostro esempio Ic = 1A. Quando la batteria è molto scarica, la sua resistenza equivalente risulta molto bassa, inizialmente quindi la corrente sarà limitata dal dispositivo di clipping, per questo la tensione erogata potrà scendere di parecchi Volt; dopo 24h troveremo la tensione a 13,8V e la corrente quasi a zero - la batteria è carica.
[modifica] Protezione sovracorrente
Questo dispositivo di protezione è uno dei più semplici tra quelli che possiamo trovare in dotazione ad un alimentatore. La descrizione del funzionamento è la seguente: l'elettronica misura la corrente erogata e quando questa supera il limite fisso impostato, interviene con un brusco calo della tensione - evidenziato nel grafico "Curva di corrente e tensione con protezione di sovracorrente" da una rilevante pendenza in discesa della curva.
[modifica] Protezione da corto circuito
Questa protezione è integrabile con quella della sovracorrente - sostanzialmente: interviene rapidamente sconnettendo l'uscita dell'alimentatore quando i valori di RL scendono sotto un minimo; da questo momento viene monitorata solo RL attraverso una piccola corrente e l'uscita rimane disconnessa fino al ripristinarsi della situazione, cioè fino a che RL non riprende valori accettabili.
[modifica] Alimentatore a corrente costante
Se applichiamo ad un alimentatore stabilizzato con uscita a tensione fissa, un circuito di controllo costante della corrente, otterremo un alimentatore a corrente costante. Un alimentatore che erogherà una corrente impostata fissa e una tensione che varierà in base al carico collegato. La tensione massima sarà quella del primo stadio [8] ridotta della caduta introdotta dal secondo stadio [9].
Questo tipo di alimentatori sono applicati ad esempio nella ricarica degli accumulatori al NiCd/NiMH - che necessitano di essere caricate proprio in questo modo - e nell'alimentazione di dispositivi come i led - in questo caso si possono mettere in serie uno o più elementi, fino ad un massimo che è la somma della tensione massima erogabile, e il sistema si autoequilibrerà.
[modifica] Altri dispositivi ausiliari
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- protezione sovratensione
- protezione sovracarico
- protezione sovratemperatura e controllo raffreddamento
[modifica] Alimentatori universali
Sono caratterizzati da una elevata flessibilita e questo li rende adatti ad alimentare svariati dispositivi elettrici come:
- periferiche esterne di computer (modem, scanner, piccole stampanti,...);
- apparecchiature elettroniche di bassa potenza (ad esempio basi per telefoni cordless o lampade da tavolo)
- apparecchiature a batteria (ad esempio notebook, lettori CD portatili o lettori mp3)
La potenza massima erogabile da questo tipo di alimentatori è dell'ordine di qualche decina di watt.
La flessibilità degli alimentatori universali consiste nel fatto che è possibile selezionare la tensione d'uscita (solitamente attraverso un interruttore a slitta oppure un commutatore rotativo) e scegliere, tra la gamma disponibile, lo spinotto più adatto alla connessione con l'apparecchiatura da alimentare. Le tensioni di alimentazione selezionabili tipicamente sono: 1.5V, 3.0V, 4.5V, 6.0V, 7.5V, 9.0V e 12V. Gli spinotti più diffusi sono vari diametri di connettori di tipo jack e coassiali (in cui è possibile selezionare la polarità) e porte USB (spesso con connettore mini USB).
[modifica] Alimentatori per Personal Computer
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- alimentatore tradizionale
- alimentatore ATX
[modifica] Alimentatori da laboratorio
Possono essere di tipo switching o lineari, sono usati nei laboratori di ricerca, di riparazione, e da hobbisti e radioamatori. La loro caratteristica è di poter fornire una tensione regolabile da zero a molte decine di volt, tramite una manopola posta sul pannello. Alcuni modelli hanno una seconda manopola, la quale permette di regolare il valore limite della corrente da fornire, utile ad esempio per caricare una batteria con una corrente costante. I valori di tensione e corrente erogati, sono visualizzati con voltmetri e amperometri analogici con scala graduata o digitali con display numerico.
Possono essere realizzati anche a più sezioni, ovvero più alimentatori galvanicamente isolati tra loro, racchiusi in un solo apparecchio e ciascuna sezione può fornire tensioni e correnti differenti dalle altre. Sono utili nei casi in cui necessitino più tensioni di valore diverso tra loro, pensiamo ad un circuito in progetto, composto da chip logici insieme a chip lineari e da un relè; servirà un +5 volt per alimentare il circuito logico, un +15 e un -15 volt per il circuito lineare e un +24 volt per il relè, un alimentatore di questo tipo agevola l'operatore e fa risparmiare spazio sul tavolo di lavoro. I migliori modelli da laboratorio possono essere programmabili, cioè essere collegati ad in un sistema computerizzato tramite bus IEEE-488 e lavorare in modo automatico.
[modifica] Alimentatori ridondanti
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Gli alimentatori ridondanti si differenziano da quelli tradizionali fornendo in più una garanzia - più o meno elevata - di servizio, anche in presenza di un certo tipo di anomalie e/o guasti.
L'elettronica che fornisce il servizio di ridondanza generalmente si occupa solo di garantire il servizio di alimentazione per cui è impreciso se non scorretto parlarne in termini di affidabilità.
Può essere considerata - al limite - un'anomalia, anche la mancanza totale[10] o parziale[11] di energia dalla rete. Ridondante rispetto alla mancanza di energia della rete è l'alimentatore che incorpora una batteria (classico quello dei sistemi di sicurezza antifurto) che viene caricata durante la presenza della rete; mentre fornisce energia sostitutiva quando la prima viene a mancare.
Classica la configurazione ridondante con due apparecchiature identiche[12] che si controllano a vicenda e intervengono sostituendosi una all'altra in caso di guasto. Poco funzionale invece l'utilizzo di alimentatori tradizionali con delega del controllo e della commutazione da parte di centraline esterne che potrebbero a loro volta guastarsi.
Funzionale anche l'utilizzo di due alimentatori parallelabili purché entrambi in grado di sopportare - in sicurezza - l'intero carico; in questo caso normalmente si dividerebbero la potenza allungando la vita di entrambi, ma allo stesso tempo in caso di guasto di uno dei due, il servizio sarebbe ugualmente assicurato.
Se non ci sono limiti alla sicurezza, in applicazioni pratiche possiamo trovare anche alimentatori con apparecchiature multiple, classici i sistemi avionici che nel regime tecnico militare possono arrivare anche a cinque[13].
Come tutti i sistemi ridondanti questi alimentatori devono essere in grado di segnalare al personale competente ogni anomalia, segnalazione che non può essere solo luminosa ma a seconda della sofisticazione si può trattare di un semplice contatto a relè fino ad una trasmissionone digitale su di una linea RS-485/RS-422/RS-232 o Ethernet.
[modifica] Alimentatori parallelabili
Gli alimentatori parallelabili, si differenziano da quelli tradizionali per la loro elevata immunità ai ritorni di potenza, in sostanza, entro certi limiti non si danneggiano se vengono parallelati.
Attualmente non esiste una normativa e nemmeno una convenzione su questa materia specifica, quindi affidandoci ai cataloghi del commercio ne rileviamo di tre tipologie:
- alimentatori semplicemente parallelabili;
- alimentatori parallelabili con controllo passivo della corrente;
- alimentatori parallelabili con controllo attivo della corrente.
In buona sostanza: se lo scopo del parallelo è la ridondanza, l'impiego "brutale" di due alimentatori semplicemente parallelabili potrebbe essere una soluzione sufficiente, in questo caso entrambi gli alimentatori devono essere in grado di sopportare - in sicurezza - l'intero carico; se invece lo scopo del parallelo è suddividere il carico su più alimentatori, sarà necessario utilizzare strategie per equilibrare la corrente erogata, è questo il "plus" che possono fornire gli alimentatori parallelabili.
[modifica] Alimentatori semplicemente parallelabili
Fornire questo tipo di caratteristica in un alimentatore è molto semplice: è sufficiente applicare all'uscita un diodo, direzionato in modo coerente e con caratteristiche di corrente e tensione adeguate; e compensare la relativa caduta di tensione.
Per il funzionamento si dovrà regolare la tensione di uscita di uno dei due, "più in basso" rispetto all'altro, in questo modo funzionerà quello a tensione più elevata perché sarà il suo diodo a condurre fino all'eventuale guasto, quando la sua tensione cadrà e sarà il diodo dell'altro alimentatore a condurre, se in quel momento sarà ancora funzionante.
[modifica] Alimentatori parallelabili con controllo passivo della corrente
In questo tipo di alimentatori i circuiti di controllo sono progettati in modo che la tensione di uscita si riduca leggermente con l'aumentare della corrente fornita per esempio secondo la formula 
dove (Vu) è la tensione in uscita dell'alimentatore, (Vi) è la tensione di ingresso del circuito di controllo (I) è la corrente istantanea fornita e (Imax) la corrente massima fornibile poco prima del clipping. Si avrà come risultato una curva morbida della tensione di uscita che naturalmente diventa invece molto pendente quando la corrente supera la soglia massima. Il ΔV nell'esempio 
è tipicamente il 5% della tensione nominale ma generalmente non supera 1V.
Il funzionamento è semplice, parallelando due o più di questi alimentatori, anche se le dovute tarature non fossero precisissime, a causa della curva in leggera tendenza si innescherà un meccanismo per il quale le correnti di tutti gli alimentatori si equilibreranno da sole. Più precise saranno le tarature (più saranno identici gli alimentatori) più saranno simili le correnti erogate da ciascun apparato, tuttavia ad ogni cambiamento del carico (della corrente erogata) ci si dovrà aspettare una piccola oscillazione nel sistema a causa del tempo di risposta del circuito di controllo.
Questo tipo di regolazione é accettabile per moltissime applicazioni.
[modifica] Alimentatori parallelabili con controllo attivo della corrente
In questo tipo di alimentatori i circuiti di controllo sono progettati in modo da assicurare che ogni alimentatore fornisca la stessa corrente in ogni condizione. Questa funzione si ottiene incrociando i dati di tensione e corrente di ogni alimentatore. Il risultato sarà: una erogazione di corrente e tensione costante e precisa; immune alle eventuali differenze di taratura degli alimentatori.
Il funzionamento può essere però complesso e persino governato da microprocessori, inoltre questo tipo di regolazione è più costosa, sia in termini di progetto[14] che di installazione[15].
[modifica] Note
- ^ resistere ad un eventuale danneggiamento
- ^ in questi casi può arrivare anche a parecchi volt attraverso l'uso di relè che interrompono la continuità
- ^ in questi casi generalmente si tratta di pochi watt, giusto quelli che si riesce a dissipare in loco termicamente e per il tempo di resistenza fisica dei componenti
- ^ negli alimentatori di qualità superiore questa impostazione viene riportata da un display - in quelli più economici invece la regolazione viene effettuata "alla cieca"
- ^ tensione nominale di una batteria al piombo da 12V
- ^ questo per sicurezza se si lavora alla cieca - negli alimentatori con il display di impostazione si punta direttamente sul valore di corrente di carica
- ^ rispettando rigorosamente la polarità
- ^ alimentatore stabilizzato con uscita a tensione fissa
- ^ circuito di controllo costante della corrente
- ^ su rete monofase mancanza di energia della stessa
- ^ su rete trifase mancanza di energia solo da una delle fasi
- ^ i sistemi ridondanti doppi sono detti N+ redundancy
- ^ i sistami ridondanti multipli sono detti N+M redundancy
- ^ il sistema richiede una misura precisa di corrente
- ^ il sistema richiede cablaggi addizionali
