Corso di Elettronica Applicata: gli alimentatori switching – Parte 1

Con questo articolo diamo ufficialmente inizio al Corso di Elettronica Applicata. Nelle diverse puntate ci sarà la descrizione di progetti più o meno complessi di vari dispositivi elettronici analogici e digitali, con l'obiettivo di consentire ai lettori di approfondire le basi della progettazione attraverso l’analisi dei circuiti. Inizieremo con gli alimentatori switching, che tratteremo in due puntate, una teorica e una progettuale. In questo articolo, nello specifico, presenteremo la parte teorica in cui andremo a descrivere il principio di funzionamento degli alimentatori switching step-down e step-up. Nella seconda parte che presenteremo nel prossimo articolo, faremo alcuni esempi di progetti mediante i quali vedremo come progettare gli alimentatori switching step-down e step-up utilizzando il circuito integrato MC34063A. Spiegheremo quali sono le differenze tra queste due tipologie di alimentatori e come si calcolano i componenti necessari alla loro realizzazione. Come vedremo, con l’impiego dell’integrato MC34063A, la progettazione di un alimentatore switching non presenta particolari difficoltà.

Introduzione

Rispetto al classico alimentatore stabilizzato di tipo lineare, progettare, realizzare e far funzionare un alimentatore di tipo switching è abbastanza complicato, anche se non è difficile comprenderne il principio dl funzionamento. Gli alimentatori switching hanno una complessa conformazione circuitale, oltre ad una maggiore attenzione da prestare in fase di realizzazione, in quanto occorre mettere in pratica alcuni accorgimenti costruttivi. A parte le difficoltà succitate, uno dei vantaggi è il fattore di forma: peso e dimensioni ridotti, infatti, rendono l’alimentatore switching un dispositivo molto compatto e leggero, quindi, la scelta ideale per alimentare apparecchiature elettroniche che devono occupare poco spazio. Grazie a queste caratteristiche, è possibile realizzare dispositivi sempre più miniaturizzati ed efficienti, come notebook, lettori DVD, caricabatterie per smartphone, e molti altri device.

Un’altra peculiarità degli alimentatori switching è di potere ottenere in uscita una tensione più alta di quella applicata in ingresso (alimentatore step-up), funzionalità impossibile da realizzare mediante il classico alimentatore stabilizzato lineare, che in genere utilizza un transistor di potenza come elemento di regolazione sul quale avviene la caduta di tensione che consente di regolare la tensione in uscita. In questo caso, il transistor lavora come una resistenza variabile posta in serie al carico. Ne consegue che la tensione di uscita è sempre inferiore a quella in ingresso. Tuttavia, seppur svolga perfettamente la sua funzione, questo sistema di regolazione ha lo svantaggio di un rendimento piuttosto basso, generalmente compreso tra 30% e 80%, dato che una parte non trascurabile della potenza fornita in ingresso viene dissipata in calore sull'elemento di regolazione (nel nostro esempio è un transistor) su cui deve essere montato un adeguato dissipatore di calore per evitarne il surriscaldamento durante il normale funzionamento.

Con l’alimentatore switching, non solo è possibile ottenere in uscita valori di tensione superiori a quelli di ingresso, ma soprattutto si raggiunge un rendimento dell'80-90%, molto più elevato del rendimento dell’alimentatore classico, che permette di ridurre notevolmente sia le sue dimensioni che quelle del dissipatore termico e del trasformatore di alimentazione; tutto ciò consente di prolungare i tempi di esercizio delle apparecchiature alimentate a batteria.

Oltre ai rilevanti vantaggi dell'alimentatore switching, presenta anche alcuni svantaggi, come un ripple sovrapposto alla tensione continua di uscita e la presenza di rumore ad alta frequenza, che rendono l’alimentatore switching sconsigliabile in alcune applicazioni sensibili ai disturbi e interferenze elettromagnetiche, mentre, ad esempio, per uso in laboratorio, oppure per gli amplificatori Hi-Fi, l'alimentatore tradizionale risulta più adatto. Per ovviare alla difficoltà di progettazione degli alimentatori switching, sono presenti da tempo sul mercato numerosi circuiti integrati, che consentono anche all'hobbista di realizzare il tipo di alimentatore switching di cui ha necessità. Uno di questi è l'integrato MC34063A, che consente di realizzare una vasta tipologia di alimentatori switching sia step-down che step-up. In questo articolo, descriveremo il principio di funzionamento di due tipi principali di alimentatore switching: lo step-down, con il quale la tensione continua di uscita è di valore inferiore a quello della tensione applicata in ingresso; lo step-up, che permette di ricavare una tensione continua in uscita superiore a quella in ingresso.

L’alimentatore switching STEP-DOWN

Un alimentatore switching step-down è un convertitore tensione continua-tensione continua (DC-DC), noto anche come convertitore buck, che converte una tensione continua d’ingresso in una tensione continua di uscita di valore più basso. In Figura 1 è riportato lo schema di principio di un alimentatore switching del tipo step-down, in Figura 1a l’interruttore SW1 è aperto, mentre è chiuso in Figura 1b. Utilizzeremo questo circuito per spiegare il principio del funzionamento dell’alimentatore switching step-down.

Figura 1: Schema di principio di un alimentatore switching step-down

All’ingresso del circuito è applicata una tensione continua, ipotizzando provenga da un circuito raddrizzatore e livellatore di tensione, oppure da una batteria, che nello schema è rappresentata dal generatore di tensione VIN. In serie alla linea di ingresso è posto un interruttore (SW1), a valle del quale si trova l’induttore L1 che risulta in serie al parallelo del condensatore C1 con il carico rappresentato dal resistore RL. Ad un terminale dell'induttore è collegato il catodo del diodo D1 il cui anodo è a massa. La tensione Vout ai capi di RL è la tensione di uscita dell’alimentatore.

Per comprendere come funziona l'alimentatore switching step-down occorre osservare cosa succede nella fase dl chiusura e in quella di apertura dell'interruttore SW1. Chiamiamo Ton il tempo in cui SW1 rimane chiuso, Toff il tempo in cui SW1 rimane aperto, mentre T è la somma dei due tempi Ton+Toff. Consideriamo inizialmente che l’interruttore sia aperto e che sia scarico il condensatore C1. Quindi, nel circuito non scorre corrente e la tensione di uscita Vout è nulla (Figura 1a).

Fase Ton

Dall’istante di chiusura dell’interruttore (Figura 1b), nell'induttore L1 comincia a fluire una corrente, di cui una parte nel carico RL, mentre un’altra parte della corrente va a caricare il condensatore C1. Il diodo D1 non è interessato dalla circolazione di corrente, poiché risulta polarizzato inversamente.

Ora, dato che il principio di funzionamento dell’alimentatore switching si basa sulla polarità della tensione ai capi dell’induttore, riteniamo utile spendere qualche parola in merito.

Nella fase Ton, la corrente che scorre nell'induttore cresce in modo progressivo lineare. Ciò avviene perché la variazione di corrente nell’induttore genera un flusso magnetico variabile nel tempo che, per la legge di Lenz, produce per autoinduzione una f.e.m. (forza elettromotrice) E = -L*dΦ/dt che si oppone alle variazioni di corrente, infatti, il segno meno sta ad indicare che la f.e.m. ha verso opposto a quello della variazione di corrente che ha generato la variazione di flusso magnetico nell’induttore. In sostanza, la f.e.m. autoindotta genera una corrente indotta, che a sua volta genera una variazione di flusso magnetico opposta alla variazione del flusso magnetico prodotto dalla variazione di corrente iniziale. Questo fenomeno si traduce nella tendenza dell’induttore a mantenere la corrente originaria, rallentandone la crescita.

In generale, quando la corrente nell’induttore aumenta, la f.e.m. autoindotta ha polarità negativa, che tende ad ostacolare l'incremento della corrente, come la polarità della tensione dell’induttore indicata in Figura 1b. Viceversa, quando la corrente diminuisce, la f.e.m. ha polarità positiva, ovvero tale da ostacolare la diminuzione della corrente, cercando di mantenere il flusso della corrente iniziale.

Al termine del tempo Ton, la tensione di uscita è Vout=VIN-VL. Il condensatore si mantiene carico alla tensione Vout. Si noti già in questa fase che la tensione di uscita è più bassa di quella d’ingresso.

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