Un alimentatore switching (vedi qui) viene smontato per conoscerne il funzionamento.
I caricabatterie utilizzati per le apperecchiature elettroniche sono di questo tipo.
Si tratta di un piccolo oggetto che assorbe energia dalla rete domestica a 230V in corrente alternata e restituisce una tensione continua di 5 V.
Il carico di questo alimentatore può arrivare ad assorbire una corrente di 2 A.
Caratteristiche:
potenza in uscita = 10 W,
leggero, poco ingombrante.
Nota: gli alimentatori tradizionali (classici) della stessa potenza hanno peso ed ingombri molto maggiori e non si prestano per essere trasportati.
L'alimentatore S-10-5
Etichetta
L'etichetta è essenziale e mostra pochi dati:
- apparecchio prodotto in Cina,
- adatto per tensioni alternate comprese fra 110 V e 220 V, si suppone a frequenza di rete (50-60 Hz)
- eroga una tensione di 5V in cc per una corrente massima di 2A.
Manca ogni riferimento alla classe di isolamento (una volta aperto si intuisce che potrebbe non trattarsi di un sistema a doppio isolamento di sicurezza).
Circuito elettrico
La scheda elettronica si presenta così
Lato componenti
i componenti si vedono molto chiaramente (questo rende conto della possibilità di descrivere in questo articolo il suo funzionamento).
A destra si intravede il cavo di alimentazione in ca, compreso il filo gialloverde previsto per il collegamento della massa a terra.
A sinistra si vedono i morsetti di uscita ed un trimmer (arancione) per la regolazione fine della tensione.
Si vedono condensatori e resistori vari, in particolare:
- in centro è visibile il trasformatore (la massa nera con la fascia gialla) allineato con un optoisolatore sopra ed un condensatore blu sotto.
- alla destra del trasformatore c'è la sezione del circuito funzionante in ca a 230 V con raddrizzatore a ponte, condensatore e circuito integrato per la commutazione e la regolazione.
- alla sinistra si vedono il diodo raddrizzatore (in basso sotto il condensatore), un LED (a sinistra del condensatore in basso).
e lato circuito stampato:
da notare la striscia gialla che separa le due aree CA 230V a destra e cc 5 V a sinistra.
La striscia isola le due parti di circuito stampato in modo che non ci possano essere dubbi sulla loro separatezza garantendone la separazione galvanica, presuposto per qualunque ragionamento sulla sicurezza d'uso dell'apparecchio (nota 1).
Dal lato componenti la striscia isolante corrisponde alla linea del trasformatore-circuito integrato-condensatore tutti componenti con separazione galvanica tra la parte collegata al circuito in ca e la parte collegata al circuito in cc.
Schema elettrico
È stato rilevato lo schema elettrico a partire dalle due precedenti fotografie. Un volta ricostruito si è visto che corrisponde allo schema recuperato dai data sheet del circuito di regolazione DK1203 solo che nel nostro caso deve erogare 5V/2A anziché 12V/1A.
A parte due dettaglio sulla presenza di un transistor (visibile fra il trasformatore ed il circuito integrato in alto) e l'assenza di L1, il circuito elettrico è il seguente:
Dallo schema si vedono bene gli stessi componenti descritti sopra suddivisi in blocchi funzione.
Da sinistra a destra:
- stadio convertitore ca/cc con la linea di alimentazione, il ponte di diodi ed il condensatore di livellamento per produrre una tensione alta abbastanza continua V≈1,41*Veff =1,41*230 = 325V;
- stadio generatore di impulsi ad alta frequenza (40-80 kHz); gli impulsi sono generati da un commutatore on/off all'interno del circuito integrato (interruttore disegnato in blu);
- trasformatore;
- stadio di filtraggio che converte impulsi in tensione positiva continua.
Si vedono anche:
- la linea di separazione galvanica (la doppia linea colorata celeste-rossa) che passa per il trasformatore, il condensatoree Y1 e l'optoisolatore IC2A (PC817A);
- l'optoisolatore utilizzato per prelevare una quota della tensione in uscita ed inviare, tramite il LED interno ed un transistor separato galvanicamente, un segnale al circuito integrato di commutazione per provvedere alla regolazione della tensione in uscita.
Lo schema elettrico è quello di un circuito di tipo flyback il cui funzionamento può essere approfondito in questi articoli:
- wikipedia,
- unibo,
- unibo, tesi di laurea di Matteo Severi,
- powerguru (in inglese)
Le specifiche di funzionamento del circuito integrato sono reperibili qui.
Un esempio di progettazione din unconvertitore flyback e del suo trasformatore si trova qui: introni.it
MISURAZIONI
Con un oscilloscopio digitale sono state eseguite alcune misurazioni in presenza di un carico ohmico.
Le due sonde dell'oscilloscopio hanno il riferimento (il coccodrillo) posto sul GND del circuito mentre i puntali sono collegati sul secondario del trasformatore (l'anodo del diodo) e sul morsetto di uscita (nello schema indicato con "12V/1A" che per il nostro caso è "5V/2A"
Con l'alimentazione prelevata dalla rete ed un carico pari a RL= 47 Ω si ottiene la seguente fotografia:
Si vedono
- traccia 1: pacchetti di impulsi distanziati di 20 ms della durata di circa 350 µs;
- traccia 2: tensione in uscita attestata sui 5 V e leggermente variabile con salita rapida in corrispondenza degli impulsi (punto A) e successiva discesa lenta.
l circuito integrato è stato progettato per ridurre al minimo i cicli di trasferimento dell'energia con correnti erogate basse per cui può essere la causa di questo funzionamento intermittente.
In dettaglio ogni impulso ha la seguente forma
Il periodo ha una durata di 8,3 div *2µs/div = 16,6µs a cui corrisponde una frequenza di 60 kHz.
Nota: le oscillazioni smorzate sono dovute alla presenza di induttanze di dispersione e capacità ma non contribuiscono a determinare il trasferimento di energia.
La linea marcata in verde rappresenta la tensione di impulso caratteristica dei circuiti flyback (pag 36 di tesi di laurea di Matteo Severi).
L'impulso negativo ha una tensione media di 19 V e dura circa 2,3 µs.
L'impulso positivo si adagia su una tensione di circa 6 V e dura circa 7 µs.
Le aree comprese nei due impulsi valgono rispettivamente:
area negativa = 43,7 µVs (micro-volt-secondi) (nota2)
area positiva = 42 µVs.
I due valori sono confrontabili a meno degli errori di misura e di apprezzamento ed attestano che il valore medio dell'impulso è pressoché nullo.
La tensione in uscita del trasformatore è una tensione alternata e quindi il valore medio deve essere nullo: il trasformatore non trasferisce componenti continue.
Note
nota 1: l'apparecchio comunque non è marcato CE e non è garantito in doppio isolamento in quanto sulla targa non c'è alcun dato per cui non sarei sicuro della sicurezza nel suo utilizzo.
nota 2: la grandezza Vs (volt-secondi) è la misura del flusso magnetico Wb (Weber); la misura dell'area positiva vale quindi 43,7 µWb.