Alimentatore elettrico

Pannello posteriore di un alimentatore ATX per computer

Un alimentatore elettrico, comunemente chiamato alimentatore, è un convertitore corrente alternata-corrente continua, ovvero un apparato elettrico che serve a raddrizzare in uscita la tensione elettrica in ingresso, in modo da fornire energia elettrica adattandola all'uso di altre apparecchiature elettriche come elettrodomestici, modificando eventualmente anche i livelli di tensione e intensità di corrente, e dunque potenza in uscita, attraverso un trasformatore.

Gli alimentatori differiscono ampiamente in funzione della potenza gestita, così anche per le caratteristiche di qualità della corrente elettrica 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 a seconda della necessità. È il caso degli alimentatori per incubatrici, che forniscono tensioni di 9,3, ±32, ±100 V, o degli alimentatori per computer, dove le tensioni necessarie sono +3,3 V, +5 V, +12 V, -5 V e -12 V.

Un crescente numero di case costruttrici adotta la certificazione 80 Plus per verificare la stabilità della tensione in uscita e la quantità di energia dissipata in calore sotto varie condizioni di carico dell'alimentatore.

Tecnologie

Principalmente esistono due tipi di alimentatore elettrico:

• statici: producono una tensione e una corrente in uscita sempre uguale (sono molto diffusi);
• variabili: possono modificare i valori di tensione e di corrente in uscita tramite delle apposite levette o pulsanti.

Ponte raddirizzatore

Essi hanno una tensione minima e una massima di ingresso per operare. Un semplice alimentatore può essere composto da 4 diodi messi in serie a formare un rombo chiuso (ponte di Graetz) dove i primi 2 sono collegati ai due cavi di corrente alternata (1 fase e 1 neutro) e gli ultimi due sono collegati ai due cavi per la corrente continua (1 positivo e 1 negativo).

A seconda della tecnologia utilizzata, hanno anche un sistema che moltiplica la frequenza della corrente e un diodo che scarica su un condensatore in modo tale che la corrente continua in uscita sia il più "dritta" possibile.

Esistono due approcci tecnologici profondamente differenti per la realizzazione di alimentatori:

Alimentatore lineare (o dissipativo)

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.

Alimentatore lineare

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 pulsante unidirezionale. Può essere a diodo singolo o a ponte di Graetz (dal nome del suo inventore, il fisico tedesco Leo Graetz). Esiste anche un terzo tipo di raddrizzatore costituito da un trasformatore con presa centrale e due diodi. I due diodi sono collegati ai capi del trasformatore in modo di far passare la corrente nella stessa direzione, mentre la presa centrale funge da massa.
• un filtro livellatore (normalmente un condensatore di grande capacità): livella la corrente unidirezionale pulsante uscente dal raddrizzatore in una corrente continua più uniforme e costante. Se sono necessarie capacità molto elevate, è comune la pratica di utilizzare più condensatori in parallelo. Il dimensionamento dei condensatori è orientativamente 1000 μF per ogni ampere di corrente erogato.
• 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 (tipicamente minore del 50%), 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.

Alimentatore "switching" o "a commutazione"

Alimentatore elettronico ATX di un comune personal computer, privato del coperchio

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, ma 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, per essere più efficiente, richiede un nucleo ferromagnetico più piccolo e 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 europea 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 switching, la tensione di rete viene innanzitutto raddrizzata e livellata con un condensatore. Attenzione: la tensione ai capi di questo condensatore assume valori molto elevati ed è pericolosa per l'uomo: ecco perché tale sezione è sempre ben isolata e separata dai circuiti successivi. Successivamente un circuito oscillatore di potenza modula questa corrente continua per ottenere una corrente alternata di elevata frequenza ad onda quadra con duty-cycle variabile in funzione delle esigenze del carico. Tale tecnologia è nota con il nome di PWM (pulse-width modulation, modulazione a larghezza di impulso), ed il suo pregio principale è quello di dissipare una potenza molto piccola, teoricamente nulla. La tensione così modulata viene applicata all'avvolgimento primario del trasformatore e la tensione in uscita, presente all'avvolgimento secondario del trasformatore, viene infine raddrizzata e livellata come negli alimentatori lineari.

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.

Il ripple

Il ripple (o ondulazione residua), in elettronica ed elettrotecnica, è considerato come l'ampiezza del segnale successivo ad un raddrizzamento all'interno dell'alimentatore (visualizzabile anche all'oscilloscopio). Questo segnale è sovrapposto alla tensione continua desiderata, per cui si cerca di diminuirlo, o meglio di annullarlo, in modo da ottenere una tensione con un andamento più lineare possibile.

Diminuzione del ripple (in rosso).

Negli alimentatori il ripple è ridotto in gran parte dal condensatore di filtro: è una soluzione economica, ma non efficiente. Infatti, teoricamente, per ottenere un ripple zero da questo semplice circuito sarebbe necessario un condensatore di capacità infinita, per cui il ripple è considerato un difetto dal quale è impossibile liberarsi a meno di non investire cifre irragionevoli. Un netto miglioramento si otterrebbe con un circuito che prevede più condensatori intervallati da resistori o, ancor meglio, da induttori, ma anche in questi casi l'alimentatore diverrebbe molto più complesso e, nel caso dell'induttore, avrebbe peso, ingombro e costi proibitivi. Per questi motivi, si ricorre ormai quasi esclusivamente a circuiti elettronici secondo la tecnologia della regolazione serie: un elemento regolatore lineare accetta in ingresso la tensione da regolare e la ripropone in uscita pulita e stabilizzata.

Questi circuiti, molto spesso racchiusi in un unico chip, sono diffusissimi, affidabili, economici e disponibili in una vasta gamma di tensioni e di correnti di uscita.

La celebre serie 78xx è di fatto lo standard nell'alimentazione di circuiti elettronici di piccola potenza a tensione fissa, quelli più comuni. Se si desidera una tensione variabile si ricorre al chip LM317.

Immunità ai ritorni di potenza

Si definisce immunità ai ritorni di potenza di un sistema progettato per erogarla la capacità di resistere a un'energia proveniente dall'esterno in senso inverso.

Pur se proveniente dall'esterno, questa energia può anche essere la stessa che viene emessa che, se non dissipata oppure non irradiata, ritorna al generatore.

L'immunità ai ritorni di potenza si esprime in volt nei sistemi come i generatori elettrici e gli alimentatori e in watt nei sistemi come gli amplificatori e i trasmettitori RF.

Clipping e controllo di corrente

Clipping della corrente

Curva di clipping della corrente

Negli alimentatori dotati di dispositivo di clipping della corrente è possibile impostare - con una manopola - 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 $R_{L}=(\infty \to 0)$; per valori di corrente risultante $I=(0\to I_{(max)})$ questa assume un andamento lineare in salita mentre la tensione rimane costante; continuando a ridurre ulteriormente $R_{L}=(R_{1}\to 0)$ invece, la corrente erogata diventa costante mentre la tensione scende secondo $V=R_{L}*I_{(max)}$.

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 gradualmente: 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; portiamo invece la regolazione della corrente di clipping al minimo; colleghiamo la batteria all'alimentatore; alziamo delicatamente la regolazione della corrente di clipping fino al valore di carica $I_{c}=\left({\frac {I_{p}}{20}}\right)$ dove $I_{p}$ è la capacità della batteria; nel nostro esempio $I_{c}=1A$. 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.

Curva di corrente e tensione con protezione di sovracorrente

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".

Protezione da corto circuito

Questa protezione è integrabile con quella della sovracorrente - sostanzialmente: interviene rapidamente sconnettendo l'uscita dell'alimentatore quando i valori di $R_{L}$ scendono sotto un minimo; da questo momento viene monitorata solo $R_{L}$ attraverso una piccola corrente e l'uscita rimane disconnessa fino al ripristinarsi della situazione, cioè fino a che $R_{L}$ non riprende valori accettabili.

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 ridotta della caduta introdotta dal secondo stadio.

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.

Altri dispositivi ausiliari

• protezione sovratensione
• protezione sovraccarico
• protezione sovratemperatura e controllo raffreddamento

Alimentatori universali

Un esempio di alimentatore universale con tensioni da 12 a 24V

Sono caratterizzati da una elevata flessibilità 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: 1,5 V, 3,0 V, 4,5 V, 6,0 V, 7,5 V, 9,0 V e 12 V.

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).

Alimentatori per Personal Computer

A seconda del tipo d'alimentatore il computer può avere lo spegnimento del tipo:

• manuale: alimentatore AT
• automatico: alimentatore ATX

Alimentatori da laboratorio

Un alimentatore da laboratorio con strumenti di misura a display digitale

Possono essere di tipo switching o lineari, sono usati nei laboratori di ricerca, di riparazione, nelle scuole 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: ciascuna sezione può fornire tensioni e correnti differenti dalle altre. Sono utili nei casi in cui si necessitino più tensioni di valore diverso tra loro. Ad un circuito composto sia da chip digitali che da chip analogici e da un relè, serviranno +5 volt per alimentare il circuito digitale, +15 V e -15 V per il circuito analogico e +12 V o +24 V 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 in un sistema computerizzato tramite bus IEEE-488 e lavorare in modo automatico e in tutta sicurezza, anche a distanza.

Alimentatori ridondanti

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.

Al limite può essere considerata un'anomalia anche la mancanza totale o parziale 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 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.

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 trasmissione digitale su una linea RS-485/RS-422/RS-232 o Ethernet.

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 messi in parallelo.

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.

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.

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.

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 $Vu=Vi-\left({\frac {I}{Imax}}\right)$ 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 $\Delta V$ nell'esempio $\left({\frac {I}{Imax}}\right)$ è tipicamente il 5% della tensione nominale ma generalmente non supera 1V.

Il funzionamento è semplice, mettendo in parallelo due o più di questi alimentatori, anche se le dovute tarature non fossero precisissime, a causa della curva in leggera tendenza le correnti di tutti gli alimentatori si equilibreranno da sole. Più precise saranno le tarature, ovvero più piccole saranno le differenze tra gli alimentatori, più saranno simili le correnti erogate da ciascun apparato, tuttavia a ogni cambiamento del carico e quindi della corrente erogata ci potranno essere piccoli sbilanciamenti di corrente durante i transitori a causa del tempo di risposta del circuito di controllo.

Questo tipo di regolazione è accettabile per moltissime applicazioni.

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 un'erogazione di corrente e tensione costante e precisa, immune alle eventuali differenze di taratura degli alimentatori.

Il funzionamento può essere complesso e persino governato da microprocessori, inoltre questo tipo di regolazione è più costosa in termini sia di progetto sia di installazione.

Bibliografia

• alimentatore, in Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• Gordian Sehrig, Alimentatori con circuiti integrati, Franco Muzzio & C., 1978.

Voci correlate

• Classi di isolamento
• Trasformatore
• Convertitore DC-DC

Altri progetti

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su alimentatore elettrico

Controllo di autorità	Thesaurus BNCF 5196