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Generalità

Un alimentatore serve a produrre energia elettrica in corrente continua per fare funzionare apparecchiature elettroniche.

Di solito la fonte di energie è rappresentata dalla rete elettrica monofase in corrente alternata a 230V mentre l'apparato elettronico funziona a tensione continua di valoro molto più basso.

 

Un alimentatore assolve a diverse funzioni:

1) modificare la tensione disponibile in entrata dal lato in corrente alternata,

2) produrre in uscita una tensione continua stabile e priva di disturbi,

3) separare galvanicamente i due circuiti per garantire sicurezza contro il lrischio di elettrocuzione (uniroma2),

4) avere un'efficenza elevata.

 

 

Il componente principale è rappresentato dal trasformatore che assicura i punti 1), 3) ,4).

Per il punto 2) la tensione continua viene ottenuta con un raddrizzatore, filtri di livellamento e stabilizzatori elettronici.

 

Il trasformatore è il componente più ingombrante e pesante di un alimentatore; ridurre le dimensioni del trasformatore è il principale mezzo per ridurre le dimensioni dell'intero alimentatore.

Le dimensioni del trasformatore, delle induttanze di livellamento e dei condensatori di filtro dipendono, fra altri, da un parametro significativo: la frequenza di esercizio.

Maggiore è la frequenza della tensione alternata, minore è la loro dimensione.

Un trasformatore per la rete a 50Hz, a pari potenza, è più grande di un trasformatore progettato per frequenze maggiori (nota 1).

Gli alimentatori switching funzionano tutti a frequenze molto alte per cui è possibile ottenere dimensioni ridotte di tutto l'alimentatore.

Per evitare disturbi udibili, gli alimentatori si fanno funzionare tutti almeno oltre i 20kHz, soglia superiore del campo udibile.

 

Funzionamento del trasformatore

Il funzionamento del trasformatore si basa sulla legge di Faraday (vedi infn-bo) la quale afferma che la forza elettromotrice indotta in un circuito è pari alla velocità di variazione del flusso magnetico concatenato totale.

FaradayPer una singola spira vale

\[fem=-\frac{∆\Phi}{∆t}\]

Se il flusso magnetico aumenta, viene generata una fem capace di fare circolare una corrente di verso tale da produrre un campo magnetico adatto ad opporsi all'aumento del flusso (legge di Lenz) (nota 2).

 

Un calcolo di massima permette di valutare alcuni parametri del trasformatore

- un nucleo di ferite ammette induzioni massime dell'ordine di BM= 0,2T (nota 3);

- supposta una sezione del nucleo di A= 1cm2 = 1*10-4 m2;

allora

- il flusso magnetico massimo è ΦM =B*A = 0,2*1*10-4 Wb = 20 µWb

Questo risultato significa che la massima variazione di flusso consentita da quel nucleo di ferrite è 20 µWb.

Per applicare la legge di Faraday occorre aggiungere altri dati:

- la variazione del flusso si suppone lineare;

- la durata della variazione viene posta a 10µs

in questo caso si ha:

\[fem=\frac{20*10^{-6}}{10*10^{-6}}=2 V\]

La tensione indotta da questa variazione di flusso è pari a 2V per ciascuna spira dell'avvolgimento.

La variazione di flusso in aumento deve essere compensata da una vaiazione di flusso in diminuzione per cui un'oscillazione completa ha un periodo di 20µs, ovvero una frequenza di 50kHz.

 

La variazione di flusso è identica per ogni spira che avvolge lo stesso nucleo magnetico per cui:

- nel circuito primario, se la tensione è di 320V è necessario costruire un avvolgimneto di 160 spire e

- nel circuito secondario, se si vuole una tensione di 12 V è necessario costruire un avvolgimento di 6 spire.

Il risultato di questo esempio spiega il motivo per cui, ad alta frequenza, si possono costruire trasformatori con nuclei di ferro piccoli e bobine con un basso numero di spire.

 

Uno schema di funzionamento del trasformatore è il seguente:

trasformatore

In blu è indicato il flusso magnetico che con la sua variazione produce le due fem E1 ed E2.

Il circuito primario è, di fatto, un utilizzatore in quanto assorbe energia da una alimentazione alla sua sinistra mentre il circuito secondario è un generatore in quanto eroga energia elettrica ad un carico posto alla sua destra.

Nota sulle convenzioni:

- la corrente I1 è imposta dall'alimentazione del primario per cui è entrante nel trasformatore dalla parte della punta del simbolo della tensione come si conviene per gli utilizzatori,

- la fem E1 si deve disegnare concorde con la I1,

- il segno negativo del valore di E1 risultante dall'applicazione della legge di Lenz corrisponde al fatto che si contrappone alla V1 (talvolta si chiama forza controelettromotrice fcem),

- i due puntini neri indicano che i due avvolgimenti sono considerati avvolti in senso opposto (nota 4) o a morsetti scambiati; qui serve per poter disegnare il circuito secondario con la tensione V2 nel modo usuale (con la punta rivolta verso l'alto) come si conviene per i generatori.

 

Agendo sul numero delle spire degli avvolgimenti si assolve alla funzione 1).

Progettando opportunamente il nucleo di ferrite che viene a funzionare ad alta frequenza e la sezione dei conduttori degli avvolgimenti si assolve alla funzione 4).

Se i due avvolgimenti ed il nucleo sono ben separati da materiale isolante si assolve alla funzione 3).

Per quanto riguardala la funzione 2) questa sarà svolta da un normale circuito raddrizzatore accoppiato ad una capacità.

 

Se si vuole stabilizzare la tensione in uscita occorre agire sull'unico paramentro ancora disponibile: il duty cycle.

 

Gli alimentatori di tipo switching utilizzano questo schema:

trasfSwitch

Una tensione ad onda quadra in ingresso permette la produzione di una tensione ad onda quadra in uscita.

 Si tratta di produrre un'onda quadra per alimentare il trasformatore nel modo desiderato dalle considerazioni su esposte.

 

 

Lo schema dell'alimentatore switching è il seguente:

alimSw

 

1) dalla rete elettrica in ca si preleva una tensione elevata che viene raddrizzata e filtrata da un convertitore ca/cc;

2) un commutatore ad alta frequenza genera gli impulsi ad onda quadra. L'onda quadra in ingresso al trasformatore viene prodotta con diversi schemi come illustrato in uniroma2.

3) il trasformatore abbassa la tensione per renderla disponibile sul circuito secondario e isola galvanicamente i due circuiti per maggiore sicurezza;

4) un circuito convertitore ca/cc raddrizza la tensone alternata disponibile al secondario del trasformatore.

5) dato che è  possibile agire sul duty cycle per permettere la regolazione della tensione in uscita e quindi la sua stabilizzazione, in genere un circuito di feedback preleva un segnale dall'uscita per condizionare il funzionamento del commutatore. Il circuito di feeback deve assicurare la stessa separazione galvanica introdotta dal trasformatore.

 

Un esempio di progettazione del trasformatore si trova in: introni.it.

 

Note

nota1: è la ragione per cui sugli aerei si adotta una frequenza di 400Hz.

nota 2: Nel disegno la direzione del flusso e della fem sono disegnate secondo la regola che usa la mano destra dove si pongono la corrente e la fem nella stessa direzione: con la corrente nella stessa direzione delle dita della mano destra il flusso ha la direzione del pollice. Il segno meno deriva dal fatto che, posta questa convenzione, la fem indotta si oppone alla direzione della corrente che avrebbe prodotto detto flusso.

nota 3: L'induzione magnetica B non può avere valori superiori per non saturare il nucleo e provocare così correnti di magnetizzazione troppo elevate.

nota 4: ovviamente i due morsetti dell'avvolgimeno secondario si possono scambiare senza effetti sul funzionameno del circuito secondario; non si possono scambiare se la tensione in uscita deve essere in qualche modo messa in relazione con la tensione in ingresso per quanto riguarda la fase, come deve avvenire per i TV ed i TV usati per le misure, o per il feedback dei regolatori di tensione.

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