Guida completa al funzionamento e alla scelta dell'alimentatore switching

Dalla conoscenza di base degli alimentatori switching al loro funzionamento, criteri di selezione, esempi applicativi a 24V e 12V e misure contro i disturbi, viene fornita una spiegazione completa. È ricco di informazioni utili per ingegneri principianti e di livello intermedio. Consulta anche la presentazione dei prodotti e il sistema di supporto di Unifive.

Che cos'è un alimentatore switching? Spiegazione chiara del funzionamento e dei punti chiave per l’utilizzo

Per progettisti di dispositivi elettrici ed elettronici e ingegneri, l’alimentatore switching è indispensabile per ottenere alta efficienza, miniaturizzazione e riduzione dei costi. In questo articolo spieghiamo in modo completo e comprensibile il principio di funzionamento degli alimentatori switching, modalità operative, criteri di selezione per ogni tipo di applicazione, misure di riduzione del rumore e normative di sicurezza. È strutturato in modo chiaro anche per ingegneri alle prime armi o di livello intermedio, quindi invitiamo tutti a leggerlo fino alla fine.

Storia degli alimentatori switching

La storia degli alimentatori switching parte già dal 1800.

Secondo alcune fonti, IBM sviluppò il primo alimentatore switching nel 1958. Quello progettato da IBM in epoca era basato sulla tecnologia dei tubi a vuoto. Parallelamente, GM richiedeva un brevetto simile riferito a circuiti oscillanti a transistor, aprendo nuove possibilità ai progettisti. Negli anni '60, l’elettronica, lo spazio, le telecomunicazioni e l’informatica conobbero un grande sviluppo in generale.

Meccanismo e principio di funzionamento dell’alimentatore switching

＊Esempio di schema a blocchi base di un alimentatore switching

Schema a blocchi base di un alimentatore switching. Illustrazione del controllo della tensione in uscita tramite un circuito switching ad alta frequenza dopo la rettifica dell’ingresso AC.

Un alimentatore switching è un convertitore di potenza che rettifica il segnale AC in ingresso trasformandolo in DC e successivamente regola la tensione attraverso componenti switching ad alta frequenza (come MOSFET) che si accendono e si spengono rapidamente. Rispetto agli alimentatori lineari, presenta i seguenti vantaggi:

Alta efficienza: grazie al funzionamento a commutazione, fornisce solo la potenza necessaria riducendo ripple e riscaldamento.
Dimensioni compatte: grazie alla commutazione ad alta frequenza, è possibile miniaturizzare trasformatori e componenti filtranti, risparmiando spazio sul circuito stampato.
Compatibilità con un ampio intervallo di tensione in ingresso: molti prodotti supportano da 100V a 200V a seconda del circuito di controllo.

Il principio di funzionamento segue il flusso: Ingresso AC → Circuito di rettifica → Circuito switching ad alta frequenza (tipo PWM) → Trasformatore di isolamento (se presente) → Rettifica e livellamento → Uscita. Il circuito di controllo regola tensione e corrente con **PWM (modulazione di larghezza di impulso)**, mantenendo costanti valore di uscita e prevenendo sovraccarichi mediante funzioni di protezione.

Differenze rispetto all’alimentatore lineare e criteri di selezione

Gli alimentatori switching sono spesso confrontati con alimentatori lineari (regolatori in serie). Gli alimentatori lineari riducono la tensione usando transistor o IC regolatori, producono poco rumore ad alta frequenza e sono semplici da progettare, ma presentano gli svantaggi seguenti:

Bassa efficienza: l’energia in eccesso si dissipa sotto forma di calore, richiedendo dissipatori.
Dimensioni grandi e peso elevato: sono necessari grandi trasformatori e radiatori.

Voce	Alimentatore switching	Alimentatore lineare
Metodo di conversione	Switching ad alta frequenza	Controllo continuo tramite transistor
Efficienza	Alta (80%~95%)	Più bassa (50%~70%)
Riscaldamento	Basso	Alto
Dimensioni / Peso	Compatto / Leggero	Grande / Pesante
Rumore (alta frequenza)	Alto	Basso

＊Tabella comparativa tra alimentatore switching e lineare

Gli alimentatori switching richiedono talvolta misure contro il rumore, ma offrono il vantaggio di combinare compattezza, leggerezza e alta efficienza.
Nel selezionarli, verificare i seguenti punti:

Gamma di tensione e corrente in uscita
Gamma di tensione in ingresso (AC/DC)
Efficienza, emissione di calore e metodo di raffreddamento
Caratteristiche del rumore
Funzioni di protezione (sovratensione, sovracorrente, ecc.)
Dimensioni, peso, prezzo

Perché l’alimentatore switching è efficiente

Gli alimentatori switching sono molto efficienti perché i componenti switching operano solo in stato On o Off, e la durata di funzionamento a tensioni intermedie è molto breve. Questo significa meno perdite rispetto agli alimentatori lineari, contribuendo al risparmio energetico.

Inoltre, controllando frequenza di commutazione e larghezza degli impulsi in funzione del carico, è possibile mantenere una buona efficienza anche in standby o a carico leggero.