Scegliere un alimentatore Step-Up

In questo articolo andremo ad analizzare alimentatori comunemente denominati Boost oppure anche Step-Up; come si può già intuire dal nome, si tratta di alimentatori in grado di elevare una tensione, ovvero fornire all’uscita una tensione più alta di quella ricevuta all’ingresso.

L’impiego di questi alimentatori è molto diffuso perché permette di ricavare l’alimentazione per una gran varietà di circuiti elettronici partendo dai bassi valori di tensione delle pile e batterie da 1,5V, 3V, 3,6V, 7,2V e 12V ecc. per ottenere tensioni più elevate.

Avendo ampiamente trattato le varie tipologie di funzionamento nel precedente articolo, dedicato appunto alla categoria Buck/Step-down, non ci soffermeremo molto sui dettagli funzionali, ma faremo solo un rapido accenno al funzionamento di questa tipologia di alimentatore.

Chi fosse interessato ad approfondire l’argomento potrà riferirsi all’articolo sulla rivista n° 244 dedicato alla recensione sugli step-down.

Come funziona un alimentatore Step-Up

In Fig. 1 è schematizzato il principio di funzionamento dell’alimentatore Step-Up o Boost che dir si voglia; nello stato di “Switch ON” la corrente circola e si accumula nell’induttore L.

Quando si apre l’interruttore “Switch OFF” la corrente accumulata nell’induttore, attraverso il diodo D carica il condensatore C attraversando il carico R. In dettaglio: durante la fase Ton , quando S è chiuso, l’induttanza L accumula energia per trasferirla verso l’uscita durante la fase Toff, sommando così alla tensione d’ingresso una tensione supplementare che produrrà in uscita una tensione superiore a quella d’ingresso.

Figura 1 – Il diodo D evita che la tensione di uscita venga cortocircuitata su S durante la fase Ton.

Nella pratica l’interruttore S è sostituito da un MOSFET (Fig. 2) pilotato da un circuito di controllo ad oscillatore ad onda quadra con frequenze che vanno da poche decine di KHz fino a oltre 1 MHz. Quindi l’interruttore S non è altro che il “regolatore switching”, cioè un componente integrato che usa la tecnica switching e lavora come un interruttore (però di tipo statico), che si chiude per determinati istanti facendo passare corrente e si apre in altri istanti. Il diodo D, quando l’interruttore S risulta chiuso, si comporta come un interruttore aperto (reverse biased), mentre quando l’interruttore S è aperto, il diodo conduce e si comporta quindi come un interruttore chiuso.

Figura 2

Tuttavia, proprio perché la corrente arriva a “tratti”, la tensione in uscita è costituita da una serie di impulsi e dove il compito di trasformare questa forma d’onda in una corrente continua è affidato ad uno o più filtri costituiti da un’induttanza e da un condensatore. Non sempre il livellamento risulta ottimale, per cui è facile riscontrare un certo “ripple”, cioè una ondulazione residua che si sovrappone al valore medio della tensione e che in alcune applicazioni può risultare indesiderata e può anche generare interferenze in apparecchiature elettroniche situate nelle immediate vicinanze. In Fig. 3 sono schematizzate le curve di andamento tensione/corrente in funzione del periodo T, il quale vale la somma Ton + Toff. Questi due tempi si riferiscono al tempo di chiusura, (Ton) e di apertura, (Toff) dell’interruttore che simula il MOSFET. Il duty-cycle della forma d’onda di controllo è definito come δ= Ton/T.

Figura 3

Dopo questa breve ma necessaria introduzione, andiamo ad occuparci dell’analisi dei nostri circuiti facilmente reperibili sul mercato.

Tra i tanti disponibili sul mercato, facendo seguito ai test effettuati, ne abbiamo scelti otto, dei quali quattro a tensione di uscita fissa (tre dotati di trimmer di regolazione della tensione), uno con alimentazione fissa duale (±12V Out) e uno particolarmente robusto con la regolazione sia della tensione che della corrente in uscita.

DC/DC a uscita fissa 5Vdc USB

Il primo modulo che andiamo ad analizzare è un piccolo convertitore di dimensioni 16x34x8 mm, con tensione di uscita fissa, provvisto di connettore USB2 e tensioni di ingresso dichiarate tra 0,9 e 5 Vcc. La corrente prelevabile dichiarata è tra 200 e 500 mA in funzione della tensione di ingresso. Per testare questo modulo (mostrato nella Fig. 4) abbiamo verificato prima la tensione di uscita a vuoto (senza carico) alle varie tensioni di ingresso e abbiamo constatato che è all’incirca 5,1 volt.

Figura 4

In seguito la nostra scelta è stata di verificare quale fosse il carico massimo accettato in uscita, alle varie tensioni di ingresso, facendo in modo da non avere troppa caduta di tensione.

A tal proposito abbiamo scelto di non scendere sotto la soglia di 4,98 – 4,99 V. Nella Tabella 1 sono riportati i dati principali relativi a cinque differenti tensioni di ingresso, via via crescenti.

Tabella 1

Le scelte delle tensioni di ingresso non sono state casuali, ma legate fondamentalmente alla disponibilità delle tensioni delle varie batterie, sia alcaline (1,5-3V e 4,5 volt) che al litio (3,6 ÷ 4V).

Dalle prove che abbiamo svolto nel nostro laboratorio è emerso che la corrente prelevabile con alimentazione a 1,5V è molto bassa e che per avere un discreto rendimento bisogna salire a 3,6 Vin per poter prelevare in uscita 150 mA.

Con questa configurazione abbiamo rilevato un ripple di 480 mV che può essere ridotto con un semplice filtro LC, come vi avevamo già descritto nella presentazione dei convertitori “Buck”.

La frequenza di pilotaggio risulta variare tra i 77 kHz e 210 kHz.

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One Thought to “Scegliere un alimentatore Step-Up”

  1. Luca Attilio Giuseppe Tosolini

    Articolo molto interessante, preciso e chiaro!
    Vorrei realizzare un progetto che si basa su un supercondensatore per alimentare un piccolo modellino di auto elettrica telecomandata. Il supercondensatore può immagazzinare una discreta quantità di energia ma poi la eroga con una tensione variabile in genere 0-2,7V.
    Pertanto per sfruttare al meglio il supercondensatore mi servirebbe un convertitore boost che sia alimentabile da questo intervallo di tensioni per fornire una tensione costante, tipo 5v ed una corrente di 500mA.
    Nel vostro articolo la tensione di ingresso più bassa risulta 1.5V ma cosi facendo perderei tutta l’energia erogabile dal supercondensatore a tensioni < 1.5V.
    Avete cortesemente qualche consiglio?
    Grazie, Luca.

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