Come scegliere un alimentatore STEP-DOWN

Il nostro impegno e i nostri obiettivi primari sono da sempre la presentazione in anteprima di soluzioni tecnologiche di alto livello, che pur rimangono in una sfera alla portata di tutti gli appassionati di elettronica. Cerchiamo sempre di presentarvi sia nuovi componenti, sia breakout board e schede elettroniche reperibili già pronte in commercio, in grado di risolvere con semplicità e poca spesa molti problemi che comunemente il progettista professionista o l’hobbista si trovano ad affrontare.

Tra le schede già pronte oggi disponibili in gran quantità sul mercato, figurano certamente gli alimentatori, specialmente quelli DC/DC in tecnologia switching. Questo perché tutte le schede, o quasi, che continuamente proponiamo oppure che ognuno di voi si appresta a progettare e realizzare, ha bisogno, per poter funzionare, di un’adeguata alimentazione che sia anche in grado di garantire stabilità ed affidabilità. Negli anni anche i sistemi di alimentazione si sono evoluti divenendo via-via più facili da realizzare e di dimensioni più contenute, grazie soprattutto all’elevata integrazione dei componenti e soprattutto, caratteristica fondamentale, sono diventati “più efficienti” e quindi anche più “ecologici” poiché utilizzano meglio, l’energia disponibile. Ovviamente, come sempre, bisogna scendere a qualche compromesso; infatti se da un lato i tradizionali alimentatori lineari offrono caratteristiche ottimali in termini di stabilità di uscita e ondulazione residua (ripple) che si riduce praticamente a zero se la fonte di alimentazione primaria è una batteria, il rovescio della medaglia è che tale soluzione porta ad avere un’elevata perdita di efficienza e quindi di potenza dissipata in calore, soprattutto quando vi è un elevato salto di tensione tra ingresso e uscita.

Ad esempio se abbiamo a disposizione una tensione di batteria a 12 Vcc e vogliamo prelevare in uscita una tensione di 5 Vcc con un carico da 2A, dovremo mettere in conto che il circuito dovrà dissipare una potenza Pd di:

Pd = (12-5)V x 2A = 14W.

Questo esempio riguarda il classico regolatore lineare di tensione di tipo serie, proposto nel circuito di Fig. 1, che utilizza il canonico stabilizzatore 7805.

Figura 1

Se poi il circuito verrà alimentato tramite la rete elettrica di distribuzione domestica (230Vca-50Hz) con un trasformatore più ponte diodi, allora dovremo fare i conti anche con il residuo di alternata (ripple) che può riversarsi ovunque nei circuiti, se non ben dimensionati, soprattutto nelle piste di massa mal distribuite. Per questo, normalmente vengono utilizzati condensatori di livellamento dimensionati in funzione della corrente prelevata che fungono da filtro per ridurre il “rumore” l’ondulazione residua appunto.

Tutto questo a scapito delle dimensioni del circuito, della necessità di utilizzare dissipatori di notevoli dimensioni e di accettare uno spreco di energia non indifferente.

Gli alimentatori switching

Per superare questi limiti, l’evoluzione tecnologica ha portato allo studio e all’implementazione pratica degli alimentatori cosiddetti “switching” che sono poi quelli a commutazione; a differenza dei regolatori di tensione lineari serie, dove la tensione di uscita viene ottenuta abbassando e facendo trattenere all’elemento regolatore la differenza con quella di ingresso, negli switching si lavora sui parametri della potenza e lo si fa convertendo l’energia di ingresso. In pratica il funzionamento consiste nel ricavare impulsi rettangolari periodici dalla componente continua di ingresso e nell’inviarli all’uscita giocando sulla loro larghezza nell’arco del periodo, implementando la tecnica nota come PWM (Pulse Width Modulation) che consiste nella modulazione della larghezza degli impulsi.

Questa soluzione consente di variare il valore medio della tensione ottenuta portando in uscita tali impulsi, giacché a parità di ampiezza e frequenza degli stessi, variando la larghezza si ottiene una tensione media e quindi una componente “continua” di valore direttamente proporzionale: impulsi più larghi determinano una tensione maggiore e viceversa.

Tale tecnica può essere implementata in vari modi e infatti esistono varie tipologie di convertitori switching tra le quali, le più conosciute sono le seguenti (Fig. 2):

Figura 2

Questi alimentatori presentano il vantaggio di avere un elevato rendimento, spesso vicino al 90-95%, ma se non sono ben progettati possono presentare rilevanti problemi di ”ripple” e di disturbo elettromagnetico (EMI) irradiato nell’ambiente, dovuto al fatto che la base del loro funzionamento è un oscillatore che normalmente lavora tra i 15 kHz fino a oltre 1 MHz e che può generare un numero infinito di armoniche.

In questo articolo, ci occuperemo unicamente di Alimentatori step-down ovvero Buck Converter. Innanzitutto diciamo che come fa desumere il termine “step-down”, questa tipologia di Convertitore serve per “abbassare/ridurre” una tensione ad un determinato valore prefissato partendo da una fonte di alimentazione più alta: ad esempio per ottenere 5 volt a partire da 12V in ingresso.

Come funziona lo switching

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