TopGlossario tecnicoAlimentatori a commutazione „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Alimentatori a commutazione „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Gli alimentatori a commutazione praticamente hanno estromesso dal mercato gli alimentatori lineari convenzionali e attualmente rappresentano il gruppo più popolare e più grande di alimentatori. I loro vantaggi rispetto ad alimentatori lineari includono piccole dimensioni, peso ridotto, elevata efficienza e capacità, come pure un buon prezzo. Lo svantaggio è il livello di complessità della costruzione, così come un maggiore livello di interferenze generate dall'alimentatore e aumento del livello di interferenze in uscita.

 

I tipi più comuni di alimentatori a commutazione:

 

A - desktop

B - modulari

C - LED

D - a spina

E - su guida DIN

Principio di funzionamento di un alimentatore a commutazione 

Gli alimentatori a commutazione utilizzano la modulazione di larghezza di impulso PWM (Pulse Width Modulation), ossia la tensione di uscita dell'alimentatore viene regolata modificando il tasso di pulsazione a una frequenza costante e invariata.

 

La seguente figura mostra il principio di funzionamento di PWM.

 

U - tensione

t - tempo

Uin - tensione d'ingresso

Uout - tensione di uscita

T - periodo (il numero di periodi al secondo è la frequenza espressa in Hz, kHz o MHz)

t1 - durata dell'impulso (stato alto)

t2 - nessun impulso

La riduzione della durata dell'impulso (t1) si traduce in una diminuzione del valore medio della tensione di uscita (Uout) e viceversa: l'aumento della durata dell'impulso (t1) determina un aumento del valore medio della tensione di uscita (Uout). Questo può essere visto nei grafici sopra:

  • a sinistra un basso tasso di pulsazione – valore più basso della tensione di uscita Uout,
  • a destra un alto tasso di pulsazione – valore più alto della tensione di uscita Uout.

     

  • Il valore medio della tensione di uscita può essere facilmente calcolato utilizzando la seguente formula:

     

    Diagramma e descrizione che mostrano il principio di funzionamento di un alimentatore a commutazione:

     

    1 - tensione alternata di ingresso

    2 - fusibile

    3 - filtro di ingresso

    4 - raddrizzatore a ponte di Graetz

    5 - transistor modulatore

    6 - controller PWM

    7 - optoisolatore (isolamento galvanico)

    8 - trasformatore a impulsi

    9 - raddrizzatore

    10 - filtro di uscita

    11 - tensione continua di uscita

    La tensione alternata di rete, ad esempio 230 V (1), passa attraverso il filtro di ingresso con elementi LC (3). Questo è un elemento importante che protegge la rete elettrica contro le interferenze derivanti dall'alimentatore e protegge l'alimentatore da interferenze provenienti dalla rete elettrica. La tensione alternata viene raddrizzata per mezzo di un ponte raddrizzatore (4) e, dopo il raddrizzamento, la tensione continua raggiunge il trasformatore (8) che è modulato da un transistore (5), talvolta chiamato commutatore. Il transistore accende e spegne la corrente di forma d'onda rettangolare a frequenza definita (la quale è possibile nell'intervallo da 20 kHz a diverse centinaia di kHz e persino MHz) utilizzando la modulazione di larghezza di impulso PWM. Il transistore è controllato per mezzo del circuito di retroazione (6, 7) che è composto da un optoisolatore e controller (driver) PWM. Il sistema controlla qual è la tensione di uscita e, a seconda se essa aumenta o diminuisce, cambia la larghezza di impulso (riempimento) controllando il transistor e regolando in modo tale che la tensione in uscita sia sempre costante. Questo sistema, controllando la tensione di uscita, funziona ad alta velocità, consentendo di mantenere la tensione di uscita costante e, in quanto essa aumenta o diminuisce, correggere immediatamente le variazioni al fine di mantenerla allo stesso livello. La tensione rettangolare all'uscita del trasformatore (8) viene raddrizzata (9) e poi passa attraverso il filtro di uscita (10) che dovrebbe “bloccare” le armoniche superiori e interferenze generate dal funzionamento del convertitore. All'uscita (11) dell'alimentatore a commutazione si ottiene la tensione costante stabilizzata.

     

    Alcuni suggerimenti riguardanti i parametri cui si deve prestare attenzione quando si sceglie l'alimentatore a commutazione. 

    Tensione di ingresso (Input Voltage) 

    In Polonia e Unione europea la tensione di rete elettrica è di 230 V AC (eccetto il Regno Unito - 240 V AC). Le norme consentono una deviazione di 10%, ossia la tensione di rete può variare da 207 V a 253 V AC. Quindi è consigliabile scegliere un alimentatore con un'ampia gamma di tensione di ingresso, ad esempio 100–264 V AC.

     

    Corrente di spunto (Max Inrush Current) 

    Dopo di accendere l'alimentatore si verifica un grande impulso di corrente che può raggiungere valori elevati a seconda della potenza dell'alimentatore, dell'ordine di diverse decine di ampere, che dura fino a 1 periodo, cioè fino a 20 ms a una frequenza di 50 Hz AC. Questo fenomeno è causato dalla carica dei condensatori di ingresso. Questo può creare un problema, per esempio, accendendo più alimentatori allo stesso tempo o usando un alimentatore con maggiore potenza. Una grande corrente di spunto può provocare l'intervento delle protezioni nella rete elettrica (fusibili, interruttori magnetotermici, ecc.). La soluzione a questa situazione è quella di sostituire i fusibili di sovracorrente con il tipo C o D.

     

    Efficienza (Efficiency) 

    Questo è il rapporto della potenza di uscita della corrente continua (sviluppata dall'alimentatore) e la potenza di ingresso della corrente alternata (consumata dalla rete di alimentazione), espresso in percentuale.

     

    L'efficienza è contrassegnata con la lettera dell'alfabeto greco, “eta”: η. In ogni dispositivo che converte l'energia una parte di potenza consumata è persa e per questo l'efficienza permette di stimare la perdita di potenza. Si deve prestare attenzione a questo parametro, poiché maggiore è l'efficienza, meno energia viene persa, con conseguente diminuzione della temperatura all'interno dell'alimentatore, e quindi una maggiore affidabilità e durata del dispositivo. Gli alimentatori attualmente fabbricati raggiungono l'efficienza > 90% (gli alimentatori a trasformatore/alimentatori lineari hanno bassa efficienza energetica, non superiore al 50%).

     

    Formula dell'efficienza:

     

    η – efficienza espressa in percentuale

    Pout – potenza di uscita

    Pin - potenza di ingresso

    Esempio 1.
    Abbiamo un alimentatore con una potenza di uscita di 100 W che consuma 117,6 W dalla rete. Calcoliamo la sua efficienza.

     

    Nella maggior parte dei casi le specifiche tecniche dell'alimentatore indicano la potenza di uscita ed efficienza. I produttori non specificano quanta energia viene consumata dall'alimentatore. Ciò può essere facilmente calcolato sostituendo i valori nella formula convertita.

     

    Esempio 2.
    Abbiamo un alimentatore con una potenza di uscita di 150 W ed efficienza dell'86%. Calcoliamo quanta energia viene consumata dalla rete elettrica.

     

    Possiamo anche facilmente calcolare quanta potenza viene persa in forma di calore in questo alimentatore (Pd – perdita di potenza), applicando una formula semplice (si sottrae l'energia sviluppata dall'energia consumata).

     

    In questo caso, 24.4 W viene perso come calore, naturalmente a pieno carico. Il valore di 24.4 W aumenta la temperatura all'interno dell'alloggiamento e riscalda i componenti interni.

     

    MTBF - tempo medio tra guasti (Mean Time Between Failure) 

    È espresso in ore e questa informazione si riferisce all'affidabilità.

     

    Molto spesso, questo parametro non è correttamente interpretato. Ad esempio, MTBF dell'alimentatore è di 700 000 ore, vale a dire quasi 80 anni. Ciò non significa che l'alimentatore funzionerà perfettamente per tutto questo tempo.

     

    I modi e metodi di calcolo di MTBF sono stati introdotti dall'esercito degli Stati Uniti nel 1965 insieme alla pubblicazione del modello MIL-HDBK-217. Esso conteneva la frequenza di incidenti per vari componenti elettronici, ad esempio condensatori, resistenze, transistor. In questo modello, sono stati pubblicati i metodi per il calcolo del tasso di guasto. Lo scopo era quello di standardizzare i metodi di valutazione dell'affidabilità dei dispositivi elettronici e attrezzature militari.

     

    Oltre al modello MIL-HDBK-217, vengono utilizzati anche altri metodi di calcolo del parametro MTBF che si può trovare nelle specifiche tecniche dei dispositivi elettronici. Tutti i modelli hanno diversi algoritmi di calcolo dell'affidabilità. Esempi di metodi: HRD5, Telcordia, RBD, modello di Markov, FMEA/FMECA, albero dei guasti, HALT.

     

    Conoscendo il tempo MTBF, siamo in grado di calcolare la probabilità di guasto dell'apparecchiatura prima della scadenza del tempo MTBF. Questa è un'informazione molto utile che consente di valutare il tasso di guasto del sistema. In generale, il principio è semplice: maggiore è il MTBF, più affidabile è il dispositivo.

     

    Ricordiamo che MTBF sempre indica il tempo allo scadere del quale l'affidabilità del dispositivo scende al 36,8%. 

    Perché? Per il calcolo dobbiamo introdurre la formula di affidabilità.

     

    R(T) – affidabilità espressa in percentuale rispetto al tempo di funzionamento del dispositivo

    T – tempo di funzionamento del dispositivo

    MTBF – tempo medio fra i guasti

    2,718 – numero di Eulero (compare nelle formule come lettera “e”)

    In parole: 2,718 elevato alla potenza negativa del tempo di funzionamento diviso per MTBF.

     

    Calcoliamo il tasso di guasto del dispositivo il cui MTBF è di 50 000 ore dopo la scadenza di 50 000 ore.

     

    Dunque il dispositivo con MTBF = 50 000 ore ha l'affidabilità del 36,8% dopo la scadenza di 50 000 ore. In altri termini, dopo il periodo di 50 000 ore è probabile che per ogni 100 dispositivi ~37 di loro saranno efficienti e 63 falliranno.

     

    Vediamo la probabilità di guasto entro 3 anni per due alimentatori con MTBF diverso.

     

    1. MTBF = 50 000 ore, 3 anni = 3 anni x 24 ore x 365 giorni = 26 280 ore e sostituiamo nella formula:

     

    Questo risultato mostra la probabilità che dopo 3 anni 59,1% di alimentatori opereranno senza problemi (ad esempio per ogni 100 dispositivi ~59 saranno efficaci e 41 saranno guasti).

     

    2. MTBF = 700 000 ore, 3 anni = 3 anni x 24 ore x 365 giorni = 26 280 ore e sostituiamo nella formula:

     

    Questo caso mostra la probabilità che dopo 3 anni 97,1% di alimentatori opereranno senza problemi (ad esempio per ogni 100 dispositivi ~97 saranno efficaci e 3 saranno guasti).

     

    Nella maggior parte dei casi il parametro MTBF è specificato dal costruttore in relazione al funzionamento del dispositivo a una temperatura ambiente di 25°C. Quando si opera a temperature più elevate, vale la regola che aumentando la temperatura ambiente di 10°C si riduce due volte il valore di MTBF. Perché alcuni dispositivi hanno MTBF alto e altri MTBF basso? Le differenze derivano dalla qualità degli elementi utilizzati e il livello di complessità del dispositivo. Non tutti i produttori indicano questo parametro nelle specifiche tecniche.

     

    Tensione di uscita (Output Voltage) 

    La tensione di uscita è la tensione che deve essere stabilizzata con variazioni di carico dell'alimentatore da 0 a 100%. È necessario rendersi conto che in tutti gli alimentatori il rumore, l'ondulazione e le interferenze sono sovrapposte sulla tensione continua di uscita. Esse possono avere un'ampiezza fino a diverse centinaia di mVp-p. A volte il valore troppo grande dell'ondulazione della tensione di uscita può causare problemi se il dispositivo alimentato è vulnerabile all'ondulazione, ad esempio interferenze nell'immagine dalla telecamera in applicazioni TVCC o riavvii frequenti di qualsiasi dispositivo elettronico.

     

    Di seguito è riportata una schermata dell'oscillogramma di ondulazione della tensione di un alimentatore a commutazione di 12 V.

     

    Risposta dinamica (Dynamic Response) 

    Ciascun alimentatore deve fornire al carico la tensione di uscita di valore costante che non varia con il cambiamento della corrente di carico. Tuttavia, talvolta si verificano le variazioni a gradino del carico (ad esempio accensione/spegnimento dell'illuminatore a infrarossi in una telecamera TVCC o accensione/spegnimento del carico aggiuntivo). Con la variazione del carico da 0 a 100% (o viceversa) compaiono le interferenze e fluttuazioni della tensione di uscita che possono influenzare il funzionamento di altri dispositivi collegati all'alimentatore.

     

    La seguente figura presenta le variazioni della tensione di uscita in relazione alle variazioni del carico da 0 a 100% di un alimentatore di alta qualità, prese dalla sua documentazione tecnica.

     

    V - tensione di uscita

    L - carico

    La maggior parte degli alimentatori a commutazione sono dotati di sistemi di protezione dell'uscita contro cortocircuiti e sovraccarichi. Poiché sono utilizzati diversi metodi di protezione, è necessario selezionare correttamente l'alimentatore al tipo di carico. I motori, lampadine, carichi di elevata capacità, induttanza, ecc., cioè i cosiddetti carichi con caratteristiche non lineari possono richiedere un grande impulso di corrente all'avvio, largamente superiore alla massima corrente nominale dell'alimentatore. Ciò può causare l'intervento delle protezioni e impedire l'inserimento dell'alimentatore. Può accadere in pratica che l'alimentatore, ad esempio di 12 V 50 W non sarà in grado di avviarsi dopo aver collegato il carico di 12 V 30 W (ad esempio, lampadina, motore).

     

    I progettisti di alimentatori utilizzano differenti metodi di protezione contro cortocircuiti e sovraccarichi. Le protezioni devono proteggere l'alimentatore e il carico. I più comuni sono descritti qui di seguito.

     

    Modalità singhiozzo (Hiccup mode) 

    Questa è una protezione utilizzata molto spesso (ing. hiccup – singhiozzo) il cui vantaggio sono basse perdite di potenza dell'alimentatore in caso di sovraccarico o cortocircuito e ritorno automatico al funzionamento normale dopo la cessazione della causa di cortocircuito o sovraccarico.

     

    Il seguente grafico mostra il principio di funzionamento della modalità hiccup.

     

    Uout - tensione di uscita

    Iout - corrente d'uscita

    t - tempo

    A – cortocircuito (sovraccarico)

    B – cessazione della causa del cortocircuito

    Nel tempo A si verifica un sovraccarico o cortocircuito. L'alimentazione è scollegata. All'uscita si presenta un impulso di corrente di durata molto breve (ad esempio, 100 ms) e valore di fino al 150% della corrente massima. L'alimentatore invia questo impulso ogni pochi secondi finché la causa del sovraccarico o cortocircuito (B) cessa di esistere, quindi passa alla modalità di funzionamento normale. Nella maggior parte dei casi la soglia di intervento di questa protezione (arresto dell'alimentatore) è impostata al 110–150% della corrente nominale (Iout). Molto spesso questa modalità è integrata con la protezione termica. Se il carico richiede più corrente della corrente nominale, ma inferiore alla soglia di intervento della protezione, dopo un breve periodo di tempo si attiva la protezione termica, scollegando l'alimentazione e quindi l'alimentatore passa alla modalità hiccup finché la causa del sovraccarico cessa di esistere.

     

    Altri tipi di protezioni contro eccessivo consumo di energia sono mostrati nel seguente grafico (tre curve: A, B e C).

     

    Uout - tensione di uscita

    Iout - corrente d'uscita

    Curva A – limitazione della corrente (Foldback Current Limiting)
    Questo tipo di protezione è usato anche negli alimentatori lineari. Il superamento della corrente massima (riduzione della resistenza di carico) è seguito dalla sua riduzione (diminuzione). In altre parole, se la resistenza di carico diminuisce, si riduce la corrente. Il vantaggio di questa soluzione è la bassa perdita di potenza dell'alimentatore in caso di sovraccarico o cortocircuito. Tuttavia, con questa soluzione, l'alimentatore non verrà avviato a un carico con elevata corrente di spunto (ad esempio, grande capacità).

     

    Curva B – stabilizzazione della corrente (Constant Current Limiting)
    Dopo aver superato la corrente massima (diminuito la resistenza di carico) l'alimentatore mantiene la corrente di uscita costante indipendentemente dal valore del sovraccarico, mentre diminuisce la tensione di uscita. È spesso usata anche la seconda protezione che disattiva l'alimentatore quando la tensione scende a pochi volt. Un grosso svantaggio di questo metodo è la grande perdita di potenza nell'alimentatore e una grande corrente che fluisce attraverso il carico e può causare danni. Questo tipo di protezione consente di avviare l'alimentatore a carichi di caratteristiche non lineari.

     

    Curva C – limitazione della potenza (Over Power Limiting)
    Dopo aver superato la corrente massima (riduzione della resistenza di carico) la potenza di uscita dell'alimentatore rimane costante. Con l'aumento del carico, la tensione e la corrente di uscita scendono in accordo con le caratteristiche C. Questo tipo di protezione consente di avviare l'alimentatore ai carichi di caratteristiche non lineari.

     

    Temperatura di funzionamento (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    A seconda dell'efficienza dell'alimentatore, una parte di energia fornita all'alimentatore viene persa in forma di calore, la temperatura all'interno dell'alimentatore aumenta in funzione della temperatura esterna. Gli alimentatori di alta qualità, operando a 25°C, possono scaldarsi fino a 50–70°C. Alla temperatura ambiente di 50°C possono scaldarsi fino a 75–95°C.

     

    È molto importante rendersi conto che la temperatura di lavoro influenza direttamente la durata di dispositivo e la sua affidabilità. Gli alimentatori a commutazione hanno una struttura complessa e sono composti da un gran numero di componenti elettronici che possono essere posizionati uno vicino all'altro all'interno dell'alloggiamento dell'alimentatore. Una temperatura interna troppo alta può causare danni all'alimentatore e ridurre notevolmente la sua durata. Va notato che vi è una forte dipendenza della potenza di uscita dalla temperatura. L'operazione dell'alimentatore a temperature superiori a 50°C deve essere assolutamente evitata, anche se i costruttori spesso indicano la temperatura di funzionamento superiore a questo valore. In tal caso, si consiglia di leggere a fondo la documentazione tecnica.

     

    Ad esempio, alimentatore di 150 W 12 V – la temperatura di lavoro specificata è da -10°C a 70°C. Tuttavia, la documentazione tecnica del produttore include un grafico di carico percentuale in funzione della temperatura di lavoro.

     

    L - Percentuale del carico massimo

    T - Temperatura di funzionamento

    Come mostrato in figura, l'alimentatore può fornire la piena potenza al carico, ma solo fino alla temperatura di 50°C. Quando si lavora alla temperatura di 70°C, il dispositivo può essere caricato al 50%, ossia la metà della corrente massima.

     

    I condensatori elettrolitici sono i componenti più sensibili all'aumento di temperatura. In pratica, ogni alimentatore ne contiene qualche unità. I produttori di condensatori indicano un parametro fondamentale, cioè la durata per la temperatura massima. Riducendo la temperatura di 10°C si raddoppia la durata del condensatore elettrolitico. Ad esempio, i condensatori elettrolitici standard hanno una durata di 1000 ore a 105°C.

    Cioè:

  • 105°C – 1000 ore (41 giorni)
  • 95°C – 2000 ore (83 giorni)
  • 85°C – 4000 ore (166 giorni)
  • 75°C – 8000 ore (333 giorni)
  • 65°C – 16 000 ore (1,8 anni)
  • 55°C – 32 000 ore (3,6 anni)
  • 45°C – 64 000 ore (7,3 anni)

     

  • Tali durate non significano la fine della vita del condensatore, solo il tempo allo scadere del quale si verifica un deterioramento significativo dei suoi parametri (capacità, resistenza di serie, ecc.), che molto spesso porta al guasto.

     

    Come si può vedere nell'esempio qui sopra, la temperatura più bassa = maggiore durata. Esistono i condensatori la cui durata è diverse volte più lunga, tuttavia, questo si traduce in un prezzo più elevato. È il produttore che decide quali componenti usare. Per gli alimentatori a basso costo non si utilizzano i componenti costosi con durata più lunga.