Alimentatore

Cos'è e a cosa serve


Un alimentatore elettrico è un convertitore AC-DC, ovvero un apparato elettrico, semplice o composto, che serve a raddrizzare in uscita la tensione elettrica in ingresso (da alternata AC a continua DC) in modo da fornire energia elettrica adattandola all'uso di altre apparecchiature elettriche (es. elettrodomestici), modificando eventualmente anche i livelli di tensione e 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. 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 ne esistono di due tipi: 1. Statici, cioè producono una tensione e una corrente in uscita sempre uguale (sono molto diffusi); 2. Variabili, cioè possono modificare i valori di tensione e di corrente in uscita tramite delle apposite levette o pulsanti. 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 secondo 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:


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 (dal nome del suo inventore, il fisico tedesco Leo 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.


Switching o 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 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.


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.

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