Breve tutorial sui tipi di alimentatore switching

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Categoria: Elettronica
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Breve tutorial sui tipi di alimentatore switching

Da ormai oltre 15 anni che nell'elettronica consumer non vengono più usati i trasformatori di alimentazione classici, considerati ormai costosi, ingombranti e inutilmente pesanti. Nell'elettronica dell' hobbista questa trasformazione non è ancora avvenuta per molti motivi ma il principiale a mio parere è la difficoltà nel reperire trasformatori già fatti o nel capire come sia possibile auto-costruirseli. Non è certamente possibile prelevare un trasformatore da un circuito per usarlo così come è in un altro magari cannibalizzandolo da un apparecchio destinato alla discarica. Ogni trasformatore è costruito per funzionare con quel circuito di pilotaggio in cui è inserito e dimensionato in base alla potenza che deve fornire al secondario. Inoltre tranne piccoli scostamenti la tensione di uscita è fissata e stabile, nel senso che da un alimentatore che ad esempio eroga 5V e 2,5A (12,5W) diffidente riusciremmo a tirarci fuori 12V e 1A se non stravolgendo il trasformatore stesso o il circuito che lo pilota. Da questi dati di partenza si deduce che, o si trova il sistema di avvolgere o far avvolgere i propri trasformatori o, si continua a usare il metodo classico. Da qui la partenza per cercare di capirci di più con questi strani oggetti gialli e neri.

Il convertitore flyback

Viene chiamato così perché trasmette sempre energia solo durante la fase off dell'elemento di commutazione. E' certamente il più comune e più noto di tutti i tipi di convertitore con trasformatore a commutazione, soprattutto per piccole potenze. Ciò è dovuto in parte alla sua semplicità costruttiva. Le versioni più semplici richiedono il trasformatore convertitore un solo transistor e pochi componenti passivi. Come dall'esempio sottostante

 

L'unico svantaggio è il trasformatore del convertitore. E ' costituito normalmente da almeno tre bobine: primaria, secondaria e bobina di feedback. Pertanto, è quasi impossibile utilizzare componenti standard. Per i nostri prototipi, dobbiamo fare affidamento a pezzi unici avvolti a mano. In sostanza, la caratteristica principale è che l'energia immagazzinata nella bobina durante il periodo off non è restituito alla batteria stessa, ma sulla bobina secondaria separata. Questo ha due vantaggi principali:

Di seguito, ho presentato il principio di funzionamento di base del convertitore flyback con le due fasi (fase di on e il off) con le indicazioni del flusso delle correnti.

Prima fase è mostrata sotto, La tensione di ingresso viene applicata direttamente alla bobina primaria, e una crescente corrente scorre linearmente.  

Questa energia viene trasmessa dalla sorgente di tensione di ingresso alla bobina primaria. Tale energia non è memorizzato nella bobina stessa, ma nel traferro del trasformatore. Nella fase off, che ha inizio al momento del massimo flusso di corrente, si ha ancora tutta l'energia immagazzinata durante la fase di on nel traferro del trasformatore. Interrompendo il consumo di energia è facile da pensare che questa energia sotto forma di una tensione molto alta indotta possa distruggere il transistor di commutazione.

 

Il trucco per un convertitore flyback è che la corrente non è nella bobina primaria che continua a scorrere , ma è preso dalla bobina secondaria. Durante la fase di spegnimento (figura sopra) è, quindi, continuare a scorrere in modo che la corrente può passare la bobina secondaria sul condensatore. Le bobine sono avvolte in modo che la bobina secondaria carichi il condensatore. Durante la fase di on l'energia fornita al carico è quella immagazzinata nel condensatore di uscita.
L'interruttore in uscita è sostituito da un diodo nel circuito reale,come da disegno sotto.


Convertitore forward single ended

Come suggerisce il nome, è un convertitore diretto, l'energia non viene memorizzata nel trasformatore, ma già durante la fase di conduzione direttamente trasferite dall'avvolgimento  primario a quello secondario. Lo stesso principio già noto del trasformatore a 50Hz . Tale convertitore ha tre vantaggi principali:

1. Anche senza regolazione può essere raggiunta una tensione di uscita relativamente stabile, essa è data dalla tensione di ingresso e dal rapporto spire tra primario e secondario.

2. L'effettiva corrente nella bobina primaria è inferiore. Idealmente, la corrente nella bobina scorre durante l'intera fase in in maniera costante. Di conseguenza, la potenza trasmessa del trasformatore può essere paragonato ai convertitori flyback con la stessa frequenza di commutazione e rendimento raddoppiato.

3. Questo sistema consente anche la configurazione push-pull, questo può quasi raddoppiare la durata del flusso di commutazione, con un incremento di prestazioni di un fattore √ 2. Ancor più vantaggioso è che il campo magnetico si accumula in entrambe le direzioni. Questo riduce il tempo in cui il campo magnetico va in regime. A parità di  frequenza di commutazione e dimensioni del trasformatore, la tensione indotta nel trasformatore può essere raddoppiata. Questo corrisponde ad un dimezzamento del numero di giri con riduzione della resistenza interna e l'induttanza di dispersione. Questo ancora una volta significa un raddoppio delle prestazioni. e un aumento generale delle prestazioni. Il limite teorico degli incrementi è fissato a 4 √ 2 se si riuscissero ad eliminare tutti i tempi morti.

Questo convertitore è principalmente caratterizzato per la facilità di pilotaggio, necessitando per lo più di basse tensioni di pilotaggio e basse tensioni inverse.
A prima vista tale convertitore e il  flyback precedente sono molto simili.
Comunque, se si guarda con attenzione si nota che i due interruttori sono sincronizzati essi lavorano allo stesso modo.
Un flusso di corrente scorre attraverso la bobina primaria e secondaria, non c'è corrente che scorre nel trasformatore.

Da notare ora che la polarità della bobina è invertita rispetto all'altro. Così come il convertitore flyback anche nel single-ended all'interruzione del flusso si producono tensioni inverse che debbono per forza essere smaltiti sul lato primario con un apposito attenuatore detta rete di snubber inoltre l'energia immagazzinata nel nucleo tramite la stessa si rimanda all'alimentazione primaria per aumentare il rendimento.

Può essere pilotato con una frequenza fissa o auto-oscillante. Per i piccoli trasformatori, è comune portare semplicemente il trasformatore in saturazione. Poiché in un convertitore forward il  trasformatore normalmente non ha alcun traferro, l'induttanza è molto grande e solo una piccola corrente scorre fino a poco prima di saturazione. Il rapido aumento di corrente dovuto alla saturazione porta anche alla saturazione del transistor di switching e introduce la fase di blocco.


Convertitore forward single ended potenziato
Per potenziare il convertitore appena visto basta inserire un induttore supplementare. Tale aggiunta funziona come un alimentaore step-down.

Durante la fase 1 la tensione del secondario è collegato tramite un induttore alla tensione di uscita Vu. l'induttore percorso da corrente immagazzina energia e potremo dire che si "carica".

Durante la fase 2, l'induttore è scollegato dal trasformatore e collegato invece al terminale negativo della tensione di uscita, in modo che possa rilasciare l'energia immagazzinata in uscita. Esattamente come accade per il convertitore step-down la tensione di uscita dipende dal Duty Cycle e dal valore della tensione del secondario.



Per comodità i due interruttori sul secondario vengono sostituiti con diodi, in modo che il controllo della tensione di uscita sia fatto agendo direttamente con il controllo sul primario.
Convertitore Push-Pull
Esattamente come il single-ended anche per il push-pull un induttore tra il raddrizzatore e il condensatore sul lato di uscita è utile per aumentare il rendimento.

In Figura sopra si nota che per la prima fase sono chiusi due interruttori del ponte messi diagonalmente opposti. La tensione di ingresso è collegata al primario del trasformatore è trasformata direttamente al secondario e raddrizzata con un raddrizzatore a ponte. Come per lo step-down la tensione sul secondario attraversa l'induttore “caricandolo di energia” e allo stesso tempo ricarica il condensatore.

Successivamente nella fase 2 tutti gli interruttori sono aperti ed ora la corrente che scorre nell'induttore può invertire il suo flusso attraverso i quattro diodi raddrizzatori, ora l'induttore insieme al condensatore forniscono energia al carico per l'attimo in cui tutti gli interruttori sono aperti. Tale condizione si rende necessaria altrimenti avremo un cortocircuito nei fronti di salita o di discesa della commutazione. La stessa cosa accade per la fase 4.

Nella fase 3 di nuovo la tensione in ingresso attraverso la bobina primario del trasformatore, ma con segno opposto. Grazie al raddrizzatore a ponte, la tensione secondaria è tornata con lo stesso segno della fase 1. Di seguito avremo la fase 4 ma non la ho disegnata in quanto identica alla fase 2 e con essa valgono tutte le considerazioni fatte per ella. Per la tensione di uscita valgono le regole espresse per il sigle-ended, per il beneficio apportato invece dall'induttore in uscita è solo per aumentare il rendimento totale in quanto i tempi morti (fasi 2 e 4) sono in percentuale enormemente più piccoli delle fasi attive, non consiglio comunque di eliminare tale induttore perchè esso è un  ottimo sostituto alla rete di snubber che altrimenti dovrebbe essere inserita in sua vece.

Filtro passivo del rumore

Per concludere questa trattazione non potevo fare a meno di accennare qualcosa sul filtro in ingresso che attenua le interferenze radio causate inevitabilmente da tutti gli alimentatori ad impulsi e che possono propagarsi anche a grandi distanze lungo la linea elettrica. Certo la soluzione più ovvia sarebbe di inscatolare il tutto in un contenitore metallico ma anche così la radiazione sulla linea elettrica sarebbe possibile. Questa componente di rumore può essere filtrata con un filtro LC-passa-basso.



Cominciando dall'uscita trovo due condensatori da 22nF che cortocircuitano a massa le alte frequenze di commutazione, qualora qualcosa dovesse passare incontra le due bobine avvolte in antiserie su un unico supporto di ferrite. Questa configurazione fa in modo che i disturbi presenti su entrambe le linee si auto annullino a causa dell'induzione, per i disturbi presenti con ampiezza diversa sulle due linee valgono le induttanze da 100uH che bloccano le frequenze più alte.
La seconda coppia di bobine, di valore notevolmente più elevato insieme col condensatore da 0,33uF forma un filtro passa basso tarato su frequenze notevolmente più basse di quelle di commutazione.

dall'altro, un facile controllo della potenza di uscita, bloccando l'oscillazione o parzializzando il tempo di conduzione si ha un facile controllo della potenza trasferita e dalla tensione di uscita.. in primo luogo, la tensione di uscita è isolata elettricamente dall'ingresso, particolarmente importante in alimentatori collegati a tensione di rete.

Il circuito di feedbak o retroazione di controllo Ã¨ fondamentale per stabilizzare la tensione in uscita. Può essere realizzato in diversi modi ma essenzialmente consiste nel riportare al circuito di controllo un segnale dipendente dall'uscita del trasformatore;
o realizzando un avvolgimento secondario e da li leggere i dati di uscita (il classico sistema usato per decenni nei trasformatori di riga delle tv a crt) 
oppure controllando la tensione di uscita e segnalando al circuito di controllo scostamenti nei valori prefissati.
Ultimamente è questa la strada che si tende a seguire essenzialmente per due motivi
A) non è necessario un avvolgimento dedicato a tale funzione con relativa riduzione degli ingombri nel trasformatore stesso.
B) Si controlla con precisione la tensione di uscita senza usare gli stabilizzatori a tutto vantaggio nel rendimento e nella generazione di calore inutile ed al contempo non servono alette di raffreddamento per gli stabilizzatori medesimi con notevole riduzione degli ingombri.
Siccome la tensione di uscita è isolata galvanicamente da quella di ingresso la strada seguita è quella di un fotoaccoppiatore posto sulla tensione da controllare che comunichi otticamente le variazioni sul secondario al circuito di controllo posto sul primario.
controllo
























 




















Sopra c'è un circuito tipico di tale controllo, a prima vista sembra complesso ma in realtà va considerato il TL431 come uno zener in cui il valore si regola con i valori di R1 ed R2 come da formula.
Allora perchè complicarmi la vita con tale integratino se posso usare in sua vece uno zener, presto detto non è effettivamente assimilabile ad uno zener, il suo circuito equivalente è questo.


equivalente















































Dallo studio del circuito equivalente si nota che il funzionamento da zener è solo apparente, infatti non appena si supera la tensione di soglia, l'operazionale cambia stato e polarizza il transistor all'uscita che saturando cortocircuita i pin A e K, entro i limiti di 100mA tollerati dall'integrato stesso.
Se mettessimo uno zener al posto del TL431 sul circuito tipico la regolazione non sarebbe istantanea. Inoltre lo zener non scende mai sotto al suo valore di targa e pertanto un aumento di pochi mV non comporterebbe nessun effetto sulla corrente circolante nel led del fotoaccoppiatore. Viceversa con un aumento anche di un mV sopra la soglia comporta una commutazione istantanea dell'operazionale e il repentino " corto circuito" dei terminali A e K con conseguente massima luminosità del led del fotoaccoppiatore che passa da assenza di conduzione a massima luminosità, R3 va scelta in maniera da far scorrere nel led del fotoaccoppiatore la corrente nominale considerando trascurabile la caduta di tensione ai capi del TL431 quando entra in conduzione.

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