In tutti i dispositivi elettronici casalinghi è necessario realizzare un convertitore di tensione da alternata a continua per poter garantire la generazione delle tensioni necessarie al corretto funzionamento delle apparecchiature. L’ambito domestico non è il solo interessato a queste tipologie di trasformazione delle tensioni e ci sono diversi aspetti e considerazioni da tener in mente per la scelta e progettazione della soluzione più adatta alle proprie esigenze. In questo articolo andremo ad approfondire le principali tipologie di convertitori AC/DC indicando gli aspetti fondamentali per selezionare la tipologia di convertitore maggiormente adatta alle proprie esigenze.
Introduzione
I convertitori AC/DC nascono per la trasformazione delle tensioni alternate in continue, condizione necessaria per il corretto funzionamento dei dispositivi elettronici in generale e per la ricarica delle batterie. I convertitori AC/DC non sono tutti uguali ma diciamo che in linea generale presentano tutti gli stessi elementi fondamentali: almeno un trasformatore, filtri di rete e raddrizzatori. La prima macro divisione che possiamo fare tra i convertitori AC/DC è la seguente: lineare e switching.
Convertitori Lineari e Switching
La principale differenza tra i convertitori AC/DC lineari e quelli switching (detti anche convertitori a commutazione) la si ritrova nel metodo con cui avviene la conversione dell’energia tra primario e secondario. In particolare, i convertitori AC/DC lineari trasformano l'energia elettrica attraverso una “resistenza lineare”, dissipando dunque l'energia in eccesso sotto forma di calore. In altre parole, la tensione in ingresso viene abbassata da un trasformatore (con un opportuno rapporto di spire) e poi livellata attraverso l’utilizzo di regolatori lineari. Questi dissiperanno la tensione in eccesso generando dunque calore. La forza di questa tipologia di convertitore è la semplicità e il costo contenuto a discapito del rendimento dovuto proprio alla dissipazione della tensione in eccesso sul regolatore. Il funzionamento dei convertitori AC-DC lineari si basa sulla riduzione della tensione AC (Figura 1) in ingresso attraverso un trasformatore, seguita da una regolazione della tensione continua in uscita attraverso un circuito regolatore lineare. Il circuito regolatore utilizza di solito un transistor di potenza come regolatore di tensione, il quale dissipa la tensione in eccesso sotto forma di calore. Per questo motivo, i convertitori AC-DC lineari hanno un basso rendimento energetico, poiché la maggior parte dell'energia in ingresso viene dissipata sotto forma di calore e solo una piccola parte viene trasferita al carico. Nell'architettura dei convertitori lineari troviamo sempre un rettificatore a diodi in genere realizzato tramite un ponte. In realtà, esistono diverse configurazioni dei ponti di diodi (singola semionda, doppia semionda) che presentano caratteristiche e prestazioni differenti.
Figura 1: Diagramma a blocchi semplificato dell'architettura di un convertitore AC/DC lineare
Invece, i convertitori AC/DC di tipo switching utilizzano circuiti di commutazione (da cui il nome) per il trasferimento dell’energia e la conversione della tensione. In questi dispositivi, l'energia viene immagazzinata in un componente passivo, come un condensatore o un induttore, e poi rilasciata a intervalli regolari attraverso il controllo di un circuito che funge da interruttore. Questa tipologia di convertitori risulta essere più performante dal punto di vista del rendimento rispetto ai modelli lineari garantendo anche minori dissipazioni di energia. I vantaggi dei convertitori AC-DC lineari includono la loro semplicità, basso costo, e bassa rumorosità, grazie alla mancanza di componenti che producono rumore come i condensatori di filtro a commutazione veloce dei convertitori switching. Tuttavia, i loro principali svantaggi sono il basso rendimento energetico, la maggiore dimensione e peso rispetto ai convertitori switching, e la necessità di dissipare il calore prodotto durante il funzionamento.
Tipologie di convertitori AC/DC switching
Nel precedente paragrafo abbiamo discusso sulle principali differenze architetturali tra convertitori lineari e switching. In linea di principio, l'architettura (Figura 2) è sempre composta da un trasformatore per garantire anche l'isolamento tra la sezione AC e la sezione in corrente continua, ma in questo caso ci sarà anche un elemento di controllo dello stadio AC per commutare l'interruttore. Questo elemento di controllo lavorerà su una rete di retroazione (feedback) basata sulla tensione di uscita e talvolta anche sulla corrente.
Figura 2: Diagramma a blocchi semplificato dell'architettura di un convertitore AC/DC switching
In realtà, definita la categoria di convertitore, troveremo diverse tipologie di realizzazione dello stesso. A titolo di esempio, le tipologie di convertitori di tipo switching più diffuse (Figura 3) sono le seguenti:
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