Cos'è un alimentatore switching: guida completa al funzionamento e alla scelta

Spiegazione completa dalle conoscenze di base degli alimentatori switching al loro funzionamento, punti di selezione, esempi di applicazione a 24V/12V e contromisure contro il rumore. Ricco di informazioni che principianti~ingegneri di livello intermedio desiderano conoscere. Vi invitiamo a consultare anche la presentazione dei Prodotti della nostra UNIFIVE e il sistema di supporto.

目次

Che cos'e un alimentatore switching? Spiegazione chiara del funzionamento di base e dei punti chiave di utilizzo

Per progettisti ed ingegneri di apparecchiature elettriche ed elettroniche, l'alimentatore switching e un elemento indispensabile per realizzare alta efficienza, miniaturizzazione e riduzione dei costi. In questo articolo spieghiamo in modo completo il funzionamento di base e il principio operativo degli alimentatori switching, i criteri di scelta per applicazione, nonche i punti fondamentali come le contromisure contro il rumore e le normative di sicurezza. Il contenuto e organizzato in modo comprensibile anche per ingegneri junior-intermedi o per chi affronta per la prima volta la progettazione di alimentatori.

Storia degli alimentatori switching

La storia degli alimentatori switching risale al XIX secolo.

Si ritiene che il primo alimentatore switching al mondo sia stato sviluppato da IBM nel 1958. Il modello progettato da IBM all'epoca era basato sulla tecnologia a valvole termoioniche. Nello stesso periodo, GM presento un brevetto simile relativo all'oscillazione a transistor, e si dice che questa innovazione tecnologica abbia ampliato drasticamente le possibilita per i progettisti di apparecchiature. Gli anni '60 furono un periodo di grande fermento in settori come lo spazio, le telecomunicazioni, l'elettronica e l'informatica.

Struttura e principio di funzionamento dell'alimentatore switching

*Esempio di diagramma a blocchi di base di un alimentatore switching

Schema a blocchi di base di un alimentatore switching. Immagine che mostra la conversione dell'ingresso AC, la rettifica e il controllo della tensione tramite circuito di switching ad alta frequenza

Un alimentatore switching e un convertitore di potenza che rettifica l'corrente alternata (AC) in ingresso in corrente continua (DC) e quindi controlla la tensione attivando e disattivando ad alta velocita dispositivi di switching ad alta frequenza (come MOSFET). Rispetto agli alimentatori lineari, presenta le seguenti caratteristiche principali.

Il principio di funzionamento segue approssimativamente il flusso: ingresso AC → circuito di rettifica → circuito di switching ad alta frequenza (controllo PWM ecc.) → trasformatore di isolamento (se necessario) → rettifica e livellamento → uscita. Nel circuito di controllo, la **PWM (modulazione di larghezza di impulso)** mantiene costante la tensione o la corrente di uscita e molti modelli includono funzioni di protezione contro sovratensione e sovracorrente.

Differenze rispetto agli alimentatori lineari e criteri di scelta

L'alimentatore switching e spesso confrontato con l'alimentatore lineare (regolatore serie). L'alimentatore lineare riduce la tensione tramite transistor o IC regolatori; genera meno rumore ad alta frequenza ed e semplice da progettare, ma presenta i seguenti svantaggi.

VoceAlimentatore switchingAlimentatore lineare
Metodo di conversioneSwitching ad alta frequenzaControllo continuo tramite transistor ecc.
EfficienzaAlta (80%-95% ecc.)Piu bassa (50%-70% ecc.)
Generazione di caloreBassaElevata
Dimensioni/PesoCompatto/LeggeroGrande/Pesante
Rumore (alta frequenza)ElevatoBasso

*Tabella comparativa tra alimentatore switching e lineare

D'altra parte, l'alimentatore switching puo richiedere contromisure contro il rumore, ma offre il vantaggio di combinare compattezza, leggerezza ed alta efficienza.
Durante la selezione verificare i seguenti punti.

  1. Intervallo di tensione e corrente di uscita
  2. Intervallo di tensione di ingresso (AC/DC)
  3. Efficienza, dissipazione termica e metodo di raffreddamento
  4. Caratteristiche di rumore
  5. Funzioni di protezione (sovratensione, sovracorrente ecc.)
  6. Dimensioni, peso e prezzo

Perche l'alimentatore switching e efficiente

L'elevata efficienza deriva dal fatto che il dispositivo di switching opera quasi esclusivamente in stato acceso o spento, riducendo al minimo il tempo in zona intermedia. A differenza dell'alimentatore lineare, non si hanno perdite continue, con minore generazione di calore e contributo al risparmio energetico.

Inoltre, controllando frequenza di switching e larghezza dell'impulso in base al carico, e possibile mantenere buona efficienza anche in standby o a carico leggero.

Tipi di topologie circuitali degli alimentatori switching

Topologia buck-boost (step-up/step-down)

Schema di circuito di alimentatore switching buck-boost

La topologia buck-boost e non isolata e consente sia aumento che riduzione della tensione. Viene utilizzata per ottenere una tensione di uscita di polarita opposta rispetto alla tensione di ingresso. Quando l'interruttore e acceso, l'energia si accumula nell'induttore; quando e spento, l'energia viene rilasciata attraverso il diodo. Rispetto alla topologia buck, una corrente maggiore attraversa il condensatore di uscita.

Topologia buck (step-down)

Schema di circuito di alimentatore switching buck

La topologia buck e non isolata poiche non utilizza trasformatori. Viene impiegata quando la tensione di ingresso e superiore alla tensione di uscita e regola quest'ultima tramite il duty cycle dell'interruttore. E una topologia comune nei convertitori DC-DC step-down. Quando l'interruttore e acceso, l'energia viene accumulata nell'induttore; quando e spento, viene rilasciata tramite diodo o MOSFET. Ha struttura semplice e costo relativamente basso.

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