Alimentatore professionale per il laboratorio

Gli alimentatori di tipo comune sono oggi diffusissimi, e anche i modelli destinati al laboratorio sono disponibili in vari formati e dimensioni. Questi dispositivi si adattano alla maggior parte delle applicazioni, ma se sono richieste caratteristiche di elevata qualità, stabilità, e precisione della stabilizzazione, occorre spendere parecchio denaro, spesso per un alimentatore con una ridotta potenza di uscita. Un'alternativa esiste: è quella di costruirselo da soli. Se realizzate progetti elettronici con una certa regolarità, vi sarà probabilmente sufficiente un piccolo alimentatore con corrente di uscita massima pari a 1 A, e tensione di uscita regolabile tra 1 V e 12 V. Questi piccoli alimentatori stabilizzati con tensione di uscita variabile possono essere reperiti online a prezzi molto contenuti, e la maggior parte di essi è equipaggiata con un display in grado di visualizzare contemporaneamente sia la corrente che la tensione in uscita.

Introduzione

Tuttavia, per progetti più complessi occorre qualcosa in più. Ciò vale in particolare per gli appassionati di elettronica ambiziosi che intraprendono progetti di una certa complessità, e per i laboratori professionali, dove dei buoni alimentatori costituiscono un componente fondamentale della strumentazione di base. E' lecito a questo punto chiedersi quali siano le caratteristiche più importanti e rilevanti di un alimentatore. La risposta a questa domanda non è immediata, poichè i requisiti dipendono strettamente dalla particolare applicazione. Tuttavia, vale sicuramente la pena dare un'occhiata alla vasta gamma di alimentatori da laboratorio disponibili sul mercato, alcuni anche a costi relativamente contenuti.
Per meno di 100 euro è infatti possibile acquistare degli alimentatori con tensione regolabile (tipicamente) tra 0 e 30 V, corrente in uscita compresa tra 0 e 3 A, display digitale, controllo remoto, e altro ancora. Aggiungendo altri 50 euro, si può persino acquistare un alimentatore switching con potenza di uscita di circa 600 W. Non occorre tuttavia essere dei geni per capire che a questi prezzi non è possibile combinare delle buone caratteristiche di base con altrettanto importanti caratteristiche, quali efficienza, buona stabilizzazione della tensione, e durata. Per un alimentatore stabilizzato, la qualità implica una certa complessità, che a sua volta implica un certo costo. Anche se l'alimentatore descritto in questo articolo non può competere con alimentatori professionali del valore di migliaia di euro, le sue caratteristiche elettriche sono ottime e di alto livello.

Il progetto

Gli alimentatori stabilizzati da laboratorio presentano due caratteristiche comuni: durante il funzionamento si mantengono ad una temperatura relativamente bassa, e forniscono una tensione di uscita stabile. La prima caratteristica richiede l'utilizzo della tecnologia switching, che, riducendo il calore generato all'interno dell'alimentatore, allunga la vita utile del componente e riduce le variazioni sulla tensione in uscita. La seconda caratteristica implica che la tensione mantenga un valore stabile e costante su tutto il range ammissibile del carico e della temperatura (si parla in questo caso di "stabilità statica"). Per "stabilità dinamica" si intende, invece, la capacità di contenere il più possibile le variazioni (sia verso l'alto che verso il basso) della tensione in uscita prodotte da repentine variazioni del carico. Altre caratteristiche fondamentali sono rappresentate da un basso ripple e da un rumore tendenzialmente nullo nel caso di tensione in uscita pari a 0V. Quando si utilizza la tecnologia switching, non è tuttavia così semplice tenere sotto controllo il rumore di alta frequenza in uscita. Inoltre, se l'alimentatore deve fornire tensioni in uscita multiple, le uscite dovranno essere isolate galvanicamente, in modo tale da poter essere utilizzate senza incorrere in alcun tipo di problema.
In base a queste considerazioni, potremmo concludere che i requisiti di basso costo ed elevata qualità (basso rumore e buona stabilizzazione) sono mututamente esclusivi tra loro. La soluzione più logica a questo problema è quella di combinare tra loro le tecnologie switching e lineare, in modo tale da sfruttare i benefici offerti da entrambe, anche se ciò comporta un progetto di maggiore complessità.
Il circuito che ne deriva prevede uno stadio di uscita composto da un comune stabilizzatore lineare, che permette di regolare in modo rapido e preciso sia la tensione che la corrente, e garantisce un basso rumore. A monte di questo stadio lineare è presente un regolatore switching in grado di fornire la tensione di ingresso per lo stadio di uscita, tensione che è leggermente superiore a quella effettiva di uscita, ma con una qualità inferiore. La dissipazione di potenza dello stadio lineare di uscita è bassa, anche nel caso di basse tensioni ed elevate correnti di uscita, in quanto la caduta di tensione su questo stadio è molto ridotta. Ciò richiede un maggior numero di componenti rispetto a un progetto più semplice, con una conseguente maggiore complessità e maggiori costi. Gli autori hanno tenuto in considerazione questo aspetto, ponendo una particolare cura nel progetto. Lo sviluppo ha avuto inizio presso l'Isituto ISEA (Institute for Rectifier Technology and Electrcal Drives) dell'università di Scienze Applicate di Aachen (Germania), ed è stato successivamente perfezionato dallo studente Arne Hinz come progetto applicativo per i propri studi. Lo schema a blocchi di Figura 1 mostra il risultato ottenuto. Al fine di agevolare l'autocostruzione del progetto, lo stadio di ingresso del regolatore switching è stato concepito per un funzionamento con tensione di ingresso pari a 12 Vcc. Questo piò essere fornito, con un sufficiente livello di qualità, potenza, e un costo molto contenuto, da un comune alimentatore per PC, facilmente reperibile con potenze comprese tra 200 W e 1 kW. Strettamente parlando, ciò equivale a dire che siamo di fronte al progetto di un alimentatore a tre stadi. Nella parte superiore dello schema a blocchi, procedendo da sinistra verso destra, è visibile il primo stadio, rappresentato da un alimentatore standard ATX. Il suo compito è quello di alimentare il regolatore switching visibile al centro, che agisce come una specie di pre-regolatore per lo stadio di uscita lineare, collocato sulla destra. Nella parte inferiore dello schema si possono invece osservare il blocco relativo alle tensioni secondarie (± 15V e -5V), e il blocco relativo al modulo di visualizzazione e controllo. Il vantaggio di questo progetto modulare a tre stadi è la possibilità di ottenere diverse tensioni di alimentazione galvanicamente isolate connettendo più moduli ad uno stesso alimentatore ATX. L'isolamento galvanico è garantito dal trasformatore di potenza dello stadio di regolazione switching, collocato al centro dello schema a blocchi. Ne consegue che tutte le tensioni di uscita possono essere collegate in ogni combinazione possibile.

Figura 1

Figura 1: schema a blocchi dell'alimentatore

Il circuito

Abbiamo visto come questo alimentatore per laboratorio ad elevate prestazioni consista di uno stadio di ingresso con regolatore switching e isolamento galvanico, e di [...]

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11 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 24 febbraio 2016
  2. French 25 febbraio 2016
    • Emanuele Bonanni Emanuele 25 febbraio 2016
  3. testato 14 marzo 2016
    • Emanuele Bonanni Emanuele 15 marzo 2016
    • Emanuele Bonanni Emanuele 29 marzo 2016
  4. testato 14 marzo 2016
  5. testato 15 marzo 2016
  6. testato 29 marzo 2016
  7. rromano001 13 aprile 2016

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