La progettazione dei PCB di alimentazione

Il processo di fornire tensione e corrente ad un dispositivo tramite un sistema di alimentazione, comporta dissipazione del calore e radiazioni elettromagnetiche, che i produttori ed i progettisti di PCB devono prendere in considerazione nella progettazione dei PCB di alimentazione. In questo articolo, faremo una panoramica sulle tipologie di alimentatori e sulle relative considerazioni in merito al progetto di un PCB di alimentazione.

Introduzione - Le tipologie di alimentatori

Esistono diversi tipi di alimentatori che possono essere utilizzati per fornire energia ad un circuito; la scelta della tipologia di alimentazione più idonea dipende dall’applicazione e dal funzionamento interno dell’alimentatore. Poiché il layout di un PCB di alimentazione dipende dal tipo di alimentatore per cui è stato realizzato, di seguito descriviamo alcuni tipi di alimentatori, le loro caratteristiche ed i componenti principali.

Esistono fondamentalmente quattro categorie base di alimentatori, che includono:

1. Alimentatore lineare non regolato

2. Alimentatore lineare regolato

3. Alimentatore ferro-risonante

4. Alimentatore switching

Alimentatore lineare non regolato - I componenti di un alimentatore non regolato includono un trasformatore, un raddrizzatore a ponte di diodi, un condensatore ed una resistenza di uscita. Questo tipo di alimentatore produce una bassa tensione continua di uscita di forma ondulatoria (in gergo tecnico “ripple”), che non è adatta per alimentare componenti elettronici. Un alimentatore non regolato, come suggerisce il nome, produce una tensione di uscita che non ha un valore costante, ma genera una tensione il cui andamento nel tempo non è lineare. Sebbene sia possibile attenuare la forma d'onda di ripple aggiungendo un condensatore di filtraggio (o di livellamento) prima del terminale di uscita, nel caso in cui necessita una tensione di valore costante ma senza ripple, è meglio optare per un alimentatore regolato.

Alimentatore lineare regolato - Un alimentatore regolato genera in uscita una tensione continua senza ripple (o che almeno deve essere di ampiezza trascurabile per il tipo di applicazione), ovvero priva di increspature sovrapposte all’andamento lineare della tensione. La principale differenza nei componenti rispetto all'alimentatore non regolato, è l'aggiunta di un regolatore di tensione nell’alimentatore lineare regolato. Lo svantaggio dell'utilizzo di un alimentatore lineare regolato è che il regolatore aggiuntivo contribuirà a produrre ulteriore calore non desiderabile, di cui il progettista di PCB di alimentazione deve occuparsi e porvi rimedio. Per contro, l’alimentatore regolato, proprio per la presenza di un regolatore, consente di ottenere una tensione continua in uscita di valore molto preciso, quindi, questa tipologia di alimentatore è un'ottima opzione da utilizzare nella progettazione di dispositivi elettronici grazie all'elevata affidabilità garantita dall’impiego del regolatori di tensione.

Alimentatore ferro-risonante - Un alimentatore ferro-risonante, come suggerisce il nome, utilizza un trasformatore ferro-risonante al posto del comune trasformatore. Un trasformatore ferro-risonante è un tipo speciale di trasformatore che produce un'uscita regolata, ovvero si concentra sulla regolazione di tensione riducendo nel contempo le armoniche. Un alimentatore ferro-risonante utilizza gli stessi componenti di un alimentatore non regolato, ad eccezione del trasformatore. Tuttavia, questo alimentatore presenta alcuni svantaggi: non tollera fluttuazioni di frequenza della sorgente, ovvero se la frequenza del generatore a corrente alternata (CA) applicata all’ingresso dell’alimentatore cambia da 50 Hz a 60 Hz, l'alimentatore risonante non funzionerà come previsto. Inoltre, a causa dell'aggiunta di un trasformatore risonante ferro-magnetico, il peso complessivo dell'alimentatore aumenta, il che rende sconveniente il suo utilizzo in alcuni casi, considerando anche che produce continuamente rumore non sempre tollerabile dagli utilizzatori che potrebbero trovarlo fastidioso.

Alimentatore switching - L'alimentatore switching utilizza il maggior numero di componenti ed è l'alimentatore più complesso tra gli alimentatori delle categorie su elencate. I componenti includono una coppia di raddrizzatori a ponte di diodi, condensatori, induttori, componenti attivi e un trasformatore, ma possono anche prevedere l’impiego di circuiti integrati. Le dimensioni del trasformatore sono relativamente contenute, il che significa che le dimensioni complessive dell'alimentatore switching sono conseguentemente ridotte. Questo tipo di alimentatore è utilizzato in applicazioni speciali e il trasformatore è solitamente realizzato ad hoc per la specifica applicazione che richiede determinate caratteristiche di funzionamento.

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