Alimentatori a commutazione: principi generali, vantaggi e svantaggi
Oggi è già difficile trovare un trasformatore di ferro in qualsiasi elettrodomestico o alimentatore. Negli anni '90, hanno iniziato a svanire rapidamente nel passato, lasciando il posto a convertitori di commutazione o alimentatori a commutazione (abbreviati in SMPS).
Gli alimentatori a commutazione superano i trasformatori in termini di dimensioni, qualità della tensione CC risultante, hanno ampie opzioni per la regolazione della tensione e della corrente di uscita e sono tradizionalmente dotati di protezione da sovraccarico in uscita. E sebbene si ritenga che gli alimentatori a commutazione siano i principali fornitori di interferenze nella rete domestica, il loro uso diffuso non può essere annullato.
Alimentazione trasformatore:
Corrente di commutazione:
Gli alimentatori a commutazione devono la loro ubiquità agli interruttori a semiconduttore: transistor ad effetto di campo E Diodo Schottky… È il transistor ad effetto di campo, che lavora insieme a una bobina o trasformatore, il cuore di ogni moderno alimentatore switching: negli inverter, nelle saldatrici, nei gruppi di continuità, negli alimentatori integrati per TV, monitor, ecc. — al giorno d'oggi solo i circuiti di conversione degli impulsi vengono utilizzati quasi ovunque tensione.
Il principio generale di funzionamento di un convertitore di impulsi si basa sulla legge dell'induzione elettromagnetica ed è simile in questo con ogni trasformatore… L'unica differenza è che una tensione alternata con una frequenza di rete di 50 Hz viene applicata direttamente all'avvolgimento primario di un trasformatore di rete convenzionale e convertita direttamente (quindi, se necessario, rettificata), e in un alimentatore a commutazione, la tensione di rete viene prima rettificato e convertito in CC e quindi convertito in un impulso da aumentare o diminuire ulteriormente utilizzando uno speciale circuito ad alta frequenza (rispetto ai 50 hertz di rete).
Un circuito di alimentazione switching comprende diversi componenti principali: un raddrizzatore di rete, un interruttore (o interruttori), un trasformatore (o induttanza), un raddrizzatore di uscita, un'unità di controllo e un'unità di stabilizzazione e protezione. Il raddrizzatore, l'interruttore e il trasformatore (choke) costituiscono la base della parte di potenza del circuito SMPS, mentre i blocchi elettronici (compreso il controller PWM) appartengono al cosiddetto driver.
Quindi, la tensione di rete viene alimentata attraverso il raddrizzatore al condensatore del filtro di rete, dove in questo modo si ottiene una tensione costante, il cui massimo va da 305 a 340 volt, a seconda dell'attuale valore medio della tensione di rete ( da 215 a 240 volt) .
La tensione raddrizzata viene applicata all'avvolgimento primario del trasformatore (choke) sotto forma di impulsi, la cui frequenza di ripetizione è solitamente determinata dal circuito di controllo chiave e la cui durata è determinata dalla corrente media del carico alimentato .
Un interruttore con una frequenza da alcune decine a diverse centinaia di kilohertz collega e disconnette l'avvolgimento primario del trasformatore o dell'induttanza al condensatore del filtro, invertendo così la magnetizzazione del trasformatore o del nucleo dell'induttanza.
La differenza tra un trasformatore e una bobina: in una bobina, le fasi di accumulo di energia dalla sorgente al nucleo e di trasferimento di energia dal nucleo attraverso l'avvolgimento al carico sono separate nel tempo, mentre in un trasformatore ciò avviene contemporaneamente.
L'induttanza viene utilizzata nei convertitori senza isolamento galvanico delle topologie: boost - boost, step - down, nonché nei convertitori con isolamento galvanico della topologia inversa. Il trasformatore è utilizzato nei convertitori con isolamento galvanico delle seguenti topologie: ponte-ponte intero, mezzo ponte-mezzo ponte, push-pull-push-pull, forward-forward.
Lo switch può essere uno solo (buck-up converter, forward converter, boost o buck converter senza isolamento galvanico) oppure la sezione di potenza può comprendere più switch (half-bridge, bridge, push).
Il circuito di controllo dell'interruttore/i riceve dall'uscita della sorgente un segnale di retroazione per la tensione o per la tensione e la corrente del carico, in accordo con il valore di questo segnale, l'ampiezza (duty cycle) dell'impulso, che controlla la durata dello stato conduttivo dell'interruttore viene regolata automaticamente.
L'uscita è organizzata come segue. Dall'avvolgimento secondario del trasformatore o dell'induttore, o dall'avvolgimento singolo dell'induttore (se si tratta di un convertitore senza isolamento galvanico), attraverso i diodi Schottky di un raddrizzatore a onda intera, viene fornita una tensione pulsata al filtro condensatore.
È inoltre presente un partitore di tensione da cui viene ricevuto il segnale di retroazione di tensione e può essere presente anche un sensore di corrente. Il carico è collegato al condensatore del filtro tramite un filtro passa-basso di uscita aggiuntivo o direttamente.