L’alimentatore switching, detto anche “alimentatore a commutazione” o SMPS (Switch Mode Power Supply), è una tipologia di PSU che sta ormai soppiantando i classici PSU lineari. Apparecchi come PC, notebook, smartphone, TV e quant’altro, vengono alimentati quasi esclusivamente con questo tipo di dispositivo.

Attenzione: Per comprendere l’argomento, è fortemente propedeutica la conoscenza dei transistor, della teoria dei circuiti e dei protocolli di comunicazione dati.

Principio di funzionamento

Per comodità e facilità di spiegazione, cerchiamo di visualizzare l’alimentatore a commutaziome come diagramma a blocchi:

 

Da questi quattro blocchi si capisce a grandi linee come lavora un alimentatore di questo tipo:

• Blocco 1 (Trasformatore): prende in ingresso la tensione 230V e la abbassa fino a un valore prossimo a quello che dovrà esserci in output (es: 20V).
• Blocco 2 (Raddrizzatore): trasforma la corrente alternata in corrente continua.
• Blocco 3 (Filtro Condensatore): è un filtro che ha il compito di livellare la tensione pulsante fornita dal Raddrizzatore.
• Blocco 4 (Regolatore): il Ripple generato dal filtro di livellamento dev’essere manipolato, al fine di ottenere una tensione stabile in uscita.

Volendo complicare un po’ le cose, scendendo nel dettaglio, possiamo guardare la seguente figura:

 

 

In questo caso dobbiamo distinguere due grandi porzioni dello schema:

• Ramo Primario: tutti gli elementi prima del Trasformatore.
• Ramo Secondario: tutti gli elementi dopo il Trasformatore.

 

 

 

Cone possiamo osservare dal grafico a blocchi, la tensione di ingresso viene rettificata prima di arrivare al MOSFET (Switcher), pertanto in ingresso al trasformatore arriva una forma d’onda onda quadra e non sinusoidale. Andando avanti nei blocchi, dopo il trasformatore e rettificatore abbiamo un’onda quadra che verrà “consegnata” al circuito PWM che, grazie alla “Retroazione” si occuperà di regolare il segnale in base al carico.

 

Elementi fondamentali

 

Il Transistor come interruttore

Diversamente da un alimentatore lineare, l’alimentatore a commutazione basa il suo funzionamento su un transistor MOSFET usato come interruttore (switch). Per fare in modo che la dissipazione di potenza (P = V x I) del transistor sia idealmente nulla, è condizione necessaria che si verifichino due condizioni:

• corrente (I) in interdizione = 0 (OFF).
• tensione (V) in saturazione = 0 (ON).

In un caso reale, queste due condizioni non sono sufficienti ad avere P = 0, poiché un transistor non è un interruttore in senso stretto. Quando avviene la commutazione, sono presenti in minima parte sia la tensione V che la corrente I. P in questo caso è diverso da 0, pertanto le condizioni non sono verificate.

Modulazione PWM

Acronimo di Pulse Width Modulation, è una tecnica che consente di avere una tensione regolabile da una sorgente in continua, con dissipazione di potenza idealmente nulla. Rientra nelle cosiddette “modulazioni impulsive“, dove l’informazione è codificata attraverso una serie di impulsi. In particolare, la PWM permette di ottenere una tensione media variabile che dipende dal rapporto tra livello logico positivo e il duty cycle. Quest’ultimo è variabile in base a ciò che viene richiesto dal “carico”, ovvero il dispositivo che vogliamo alimentare. Una volta ottenuta questa modulazione, l’impulso viene inviato all’avvolgimento primario del trasformatore e, la tensione in uscita sull’avvolgimento secondario, viene “raddrizzata” e “livellata”.

 

In base a quanto richiesto dal carico, un circuito si occupa di misurare la tensione che esce dal trasformatore: se è in linea con quanto occorre, non succede nulla e viene mandata ad alimentare il carico, altrimenti con un circuito di Retroazione, viene aumentata o diminuita l’energia inviata dal circuito di oscillazione sull’avvolgimento primario. In questo modo, facendo sempre l’esempio del PC, se la macchina richiede meno corrente è l’alimentatore stesso a sapere quando erogarne meno, a tutto vantaggio di temperature e affidabilità. Il circuito PWM quindi, utilizza il segnale di uscita dall’alimentatore per agire sul transistor di commutazione.

Uno dei problemi dell’operazione di raddrizzamento, è il cosiddetto “Ripple“. Si tratta a tutti gli effetti di un “residuo” che si sovrappone all’onda rettificata, rendendola poco stabile. A questo proposito, un ulteriore circuito di regolazione in serie si occupa di “ripulire l’onda” da mandare sul carico.

Quali vantaggi comporta?

Un alimentatore switching è più funzionale rispetto ad un normale alimentatore lineare. Ha un’efficienza maggiore (arriva anche al 90%), la dissipazione del calore non è praticamente necessaria (e quindi gli ingombri sono minori) e, cosa ancora più importante, permette di poter disporre di diverse tensioni d’uscita. Nel caso di un alimentatore ATX abbiamo: 24V (+12, -12), 17V (+5, -12), 12V (+12, 0), 10V (+5, -5), 7V (+12, +5) e 5V (+5, 0).

E gli svantaggi?

Come ogni cosa, l’alimentatore switching ha degli svantaggi: a livello circuitale è più complicato di un alimentatore lineare, e occorre implementare circuiti di filtraggio per eliminare correnti spurie. Da non sottovalutare anche la presenza di irradiamento elettromagnetico, che va schermato a sua volta onde evitare “rumore” dannoso per altri dispositivi adiacenti.

 

Come avere più tensioni in un solo alimentatore?

 

All’uscita della linea principale dell’alimentatore, si affiancano dei moduli separati che si occupano di elevare o abbassare la tensione in ingresso. Ne esistono di vari tipi, i principali sono:

• Convertitore step-down (buck): si occupa di abbassare la tensione ricevuta in ingresso, senza cambiarne il verso. Anche qui c’è un duty cycle del segnale PWM che si comporta esattamente come sull’alimentatore principale. Se vuoi un approndimento, ne abbiamo parlato qui.
• Convertitore step-up (boost): si occupa di elevare la tensione ricevuta in ingresso, senza cambiarne il verso. Anche qui c’è un duty cycle del segnale PWM che si comporta esattamente come sull’alimentatore principale.
• Convertitore buck-boost: si occupa di erogare una tensione in uscita di segno opposto rispetto a quella ricevuta in ingresso. Anche qui c’è un duty cycle del segnale PWM che si comporta esattamente come sull’alimentatore principale.

 

ATTENZIONE: Se leggendo questo articolo vi fosse venuta voglia di aprire un alimentatore switching ATX per costruire un alimentatore da laboratorio con voltaggi multipli, fate molta attenzione e non fatelo se non siete esperti. Sul condensatore elettrolitico principale e sul ponte raddrizzatore infatti, la tensione di rete è la 230V della presa di alimentazione a muro. Non essendo isolata, si corre il rischio di prendere scosse che possono anche essere mortali.