Come scegliere l’alimentatore giusto? In questo articolo, vi guideremo attraverso i passaggi necessari per selezionare l’alimentatore più adatto alle vostre esigenze. Scoprirete che la scelta del giusto alimentatore va oltre la semplice potenza e richiede una comprensione approfondita dei componenti, dei prodotti e delle specifiche di ogni campo di applicazione. Esploreremo anche le particolarità degli alimentatori utilizzati nel settore medicale e ferroviario: due ambiti in cui la precisione, l’affidabilità e la sicurezza sono fondamentali.
- Scegliere la giusta potenza dell’alimentatore
- Come scegliere il giusto alimentatore per uso medicale
- Come scegliere il gisuto alimentatore per uso ferroviario
- Come scegliere il giusto alimentatore per uso automobilistico
Tipologie degli alimentatori elettrici
Quando si parla di alimentatori, ci si riferisce a dispositivi che presentano caratteristiche standardizzate per alimentare dispositivi elettronici. Ma gli alimentatori non sono tutti uguali, a cominciare dalla loro logica di funzionamento.
Infatti, nel mercato esistono letteralmente migliaia di modelli di alimentatori che possono essere identificati come dei convertitori elettronici di potenza AC/DC oppure DC/DC. Ognuno realizzato a partire da una determinata configurazione di base.
L’elettronica di potenza è il termine che indica la tecnologia dedicata alla gestione del flusso di energia elettrica, permettendo di fornire ad un determinato carico utilizzatore delle tensioni e correnti in una forma ottimale per la sua alimentazione. I principali obbiettivi ed applicazioni dell’elettronica di potenza, riguardano gli alimentatori statici in corrente continua e gruppi di continuità, il controllo dei processi dell’automazione industriale.
I sistemi di conversione dell’elettronica di potenza, e più in generale gli alimentatori, possono essere classificati in base alla forma o frequenza del segnale di ingresso e di uscita, che rispettivamente possono avere due configurazioni:
- Continua (con ampiezza costante o regolabile)
- Alternata (con frequenza costante ed ampiezza regolabile oppure con entrambe le componenti regolabili)
In base al tipo di applicazione, può essere utile optare per una certa sottospecie di convertitore piuttosto che un’altra, come ad esempio un alimentatore Flyback.
Come scegliere l’alimentatore giusto
La scelta di un alimentatore è un passaggio estremamente delicato, che richiede una valutazione attenta sia dei dati di targa del dispositivo, sia delle esigenze specifiche dell’applicazione. È quindi fondamentale conoscere quali sono i parametri rilevanti per selezionare l’alimentatore più adatto per ciascuna specifica applicazione, oltre ai punti critici di quel campo (Es. ambiente di lavoro difficile).
Scegliere un alimentatore con la giusta potenza
Spesso si può incorrere nell’errore di pensare che basti selezionare l’alimentatore più potente sul mercato per avere garantite prestazioni ottimali. Tuttavia non è così, ed esistono altre specifiche cruciali da considerare durante la selezione, come l’efficienza, i sistemi di protezione e le caratteristiche modulari degli alimentatori.
La “potenza” non è un parametro fine a sé stesso o indicatore di qualità: optare per un alimentatore sovradimensionato si traduce molto spesso in un aumento dei costi senza apportare i benefici desiderati. Inoltre, anche se sulla targa del prodotto viene specificata una certa potenza, un certo alimentatore potrebbe andare bene per alimentare una certa tipologia di carichi (Es. carichi prevalentemente resistivi) ma non per altre tipologie.
Di conseguenza, la potenza necessaria per l’alimentatore dipende dall’applicazione stessa e molto spesso non sono nemmeno richieste grandi potenze, motivo per cui un alimentatore sovradimensionato è solo uno spreco di risorse.
Un occhio all’efficienza dell’alimentatore
L’efficienza di un alimentatore è un parametro fondamentale da valutare attentamente durante la selezione. Non si tratta semplicemente di seguire una tendenza, ma di considerare alcuni fattori cruciali che non possono essere ignorati, soprattutto in specifiche applicazioni.
Infatti, l’efficienza di un alimentatore rappresenta la percentuale di potenza effettivamente fornita al carico rispetto a quella dissipata sotto forma di calore. Maggiore è l’efficienza di un alimentatore, minore sarà il suo consumo di energia e, di conseguenza la quantità di calore generato da dissipare.
Scegliere un alimentatore ad alta efficienza energetica permette non soltanto per risparmiare energia elettrica (sia nelle applicazioni industriali che domestiche), ma anche di evitare l’utilizzo di sistemi di dissipazione di calore ingombranti.
Per applicazioni ad alta efficienza energetica è consigliabile selezionare un alimentatore con un’efficienza superiore all’80%.
Vale la pena tenere presente che l’introduzione di nuovi materiali come il carburo di silicio (SiC) nell’elettronica di potenza, ha aperto nuove possibilità per migliorare ulteriormente l’efficienza degli alimentatori. L’utilizzo di componenti basati su SiC negli alimentatori moderni, consente di ridurre le perdite di potenza e migliorare l’efficienza complessiva del sistema.
Scegliere un alimentatore in base ai sistemi di protezione e di isolamento
L’affidabilità e la sicurezza sono prioritari in ogni dispositivo elettronico, e gli alimentatori non fanno eccezione. Generalmente, un alimentatore di alta qualità è dotato di sistemi di protezione utili a salvaguardare sia l’integrità dell’alimentatore stesso, che del carico collegato. Ad esempio, la protezione da sovratensioni spegne automaticamente l’alimentatore nel caso in cui la tensione di uscita superi i valori specificati nella targa del dispositivo.
Ma quali sono le protezioni da cercare quando ci si sceglie un alimentatore?
Isolamento adeguato
Un altro parametro fondamentale è l’isolamento, necessario sia per motivi di sicurezza che tecnici.
EsseL’isolamento impedisce che un flusso di corrente indesiderata possa transitare tra due o più parti di un sistema. Questa potrebbe essere causata da una differenza di potenziale tra le masse delle linee di alimentazione o per la presenza accidentale di una tensione esterna
Scegliere un alimentatore con un grado di isolamento adeguato, significa ridurre al minimo possibili danni alle apparecchiature, disturbi elettrici e, cosa ancora più importante, garantire la sicurezza degli operatori e degli utenti finali.
È importante notare che per ogni campo di applicazione esistono normative specifiche che gli alimentatori (e le apparecchiature elettriche in generale) devono rispettare per ottenere la certificazione di conformità e garantire un funzionamento sicuro.
Scegliere un alimentatore con un sistema di controllo efficiente
In ogni processo di conversione della potenza è importante limitare le perdite e tener conto del campo di applicazione del dispositivo, facendo sempre le considerazioni del caso. Ad esempio durante la progettazione di un determinato sistema, oltre a risultare utile valutare l’isolamento e le perdite statiche e dinamiche, bisogna fare anche le giuste considerazioni sulla logica di controllo necessaria per collegare il convertitore alla rete o ad una rete industriale e quindi sui fenomeni interni ed esterni al dispositivo che possono scaturirne.
Tra i numerosi ostacoli che i progettisti elettronici devono affrontare, le perdite di potenza rappresentano un problema molto comune nei moderni dispositivi di conversione dell’energia basati sulla tecnologia switching.
Questi dispositivi sono in grado di sfruttare l’energia in ingresso in modo estremamente efficiente, convertendola nel modo più adatto per il carico finale. Tuttavia, l’impulso verso dispositivi più leggeri e l’adozione di trasformatori di dimensioni ridotte comportano un aumento della frequenza di commutazione.
Come selezionare l’alimentatore ideale per il settore medicale
Quello medicale è un settore particolarmente critico, i dispositivi in esso impiegati devono possedere requisiti che rispettino rigorosamente le normative, sia per l’utilizzo ospedaliero sia casalingo. Quando si tratta di dispositivi salvavita da collegare direttamente al corpo umano, occorre considerata che eventuali guasti e malfunzionamenti potrebbero essere dannosi per la salute dell’utilizzatore o addirittura fatali. La bontà di un’applicazione medicale nasce proprio dal sistema di alimentazione (praticamente il power supply per ambito medicale).
Le applicazioni medicali sono sempre ad alto rischio
Gli alimentatori progettati per apparecchiature mediche e sanitarie devono essere conformi allo standard di sicurezza previsto dalla normativa vigente. In particolare, lo standard si riferisce a quelle applicazioni in cui il paziente è fisicamente a contatto con l’apparecchiatura: le apparecchiature elettriche medicali non devono, in alcun modo, mettere in pericolo i pazienti e il personale medico. La loro progettazione inizia proprio dalla sezione di alimentazione.
Per la protezione di operatori e pazienti è necessario, in fase di studio, prestare particolare attenzione a sopprimere efficacemente i transitori sulle linee conduttive.
La maggior parte dei dispositivi standard oggi sono alimentati da alimentatori switching (switching power supply per settore medicale), adatti per essere utilizzati con le tensioni di rete più diffuse in tutto il mondo. Grazie alla capacità di commutazione rapida dei circuiti integrati, questo tipo di alimentatori offre un’elevata efficienza, ma provoca, per contro, grandi interferenze, condotte e irradiate, sulla rete elettrica, il cui livello massimo è stabilito dagli standard EMC.
È importante notare che le specifiche riguardano non solo l’alimentatore stesso, ma anche l’apparecchiatura alimentata nella sua globalità. Occorre scongiurare, infatti, qualsiasi possibile problema derivante da mancanza di isolamento, dispersione, interferenza elettromagnetica o altro che possa mettere a rischio la vita e la salute del paziente.
I device elettronici utilizzati in medicina spesso funzionano a diretto contatto con il paziente. Proprio per questo motivo è fondamentale isolarne la sezione di alimentazione, che preleva energia dalla rete elettrica, dalla parte in bassa tensione, che entra in contatto con la persona da trattare.
Parliamo, ad esempio di:
- Apparecchiature mediche cliniche, nei campi della diagnostica, del monitoraggio e di laboratorio;
- Apparecchiature per la salute domestica e la cura del paziente;
- Sistemi di monitoraggio ad alta tensione;
- Settore dentale.
Classificazione dei dispositivi medici
A seconda della tipologia e della destinazione d’uso, i dispositivi elettronici medici vengono classificati a seconda del grado di protezione che devono avere:
- Tipo B: non vi è alcun contatto fisico diretto con il paziente. Si tratta, per lo più, di dispositivi e apparecchiature atte all’illuminazione a LED delle sale operatorie, unità laser medicali, ecc.;
- Tipo BF: esiste un contatto fisico con il paziente come per gli incubatori, dispositivi a ultrasuoni, apparecchiature diagnostiche, ecc.;
- Tipo CF: vi è un contatto diretto con il cuore del paziente, e se il dispositivo si guasta i rischi di lesioni o di morte sono altissimi. I defibrillatori e le macchine per cuore e polmone rientrano in questa categoria.
Normative per le apparecchiature medicali
Gli standard delle apparecchiature elettroniche a uso medicale sono molto stringenti, soprattutto per quanto riguarda la sicurezza e l’affidabilità (vedi Figura 1). Essi devono assicurare un alto isolamento, bassa dispersione e alte distanze di dispersione e di sicurezza.
La sicurezza non riguarda solo quella del paziente in cura, ma anche degli operatori che utilizzano le strumentazioni.
L’isolamento rinforzato fornisce un livello di sicurezza aggiuntivo rispetto all’isolamento funzionale standard, necessario per essere in conformità alla norma medica ES/IEC/EN 60601-1.
Protezioni MOOP e MOPP
A seconda dell’impiego del dispositivo, quindi di come andrà fisicamente in contatto con il paziente e l’operatore, le normative prevedono due tipologie di protezione:
- MOOP (“Means of Operator Protection”, ossia “Mezzi di protezione dell’operatore”), adottata quando i dispositivi elettronici non entrano in contatto diretto con il paziente e sono gestiti solo da operatori addestrati. Essi devono soddisfare solo gli standard ITE 60950-1 e 62368-1 per la conformità dell’ambiente di laboratorio;
- MOPP (“Means of Patient Protection”, ossia “Mezzi di protezione del paziente”), adottata quando esiste un contatto fisico diretto tra il dispositivo e il paziente. In questo caso gli standart da seguire sono molto spinti, specialmente quelli che riguardano l’isolamento – la corrente elettrica che attraversa il corpo umano può essere letale, per una persona sana, già oltre i 40 mA!
Come detto, dunque, l’isolamento è il fulcro del problema. La protezione dei pazienti dalle scosse elettriche deve essere garantita implementando almeno due barriere isolanti: sia sul primario dell’alimentatore di rete, sia sul secondario a bassa tensione.
Compatibilità elettromagnetica
Per quanto riguarda la compatibilità elettromagnetica, le apparecchiature medicali devono risultare immuni ai campi HF fino a 2,7 GHz. Del resto le alte frequenze, per via dell’utilizzo comune di smartphone, router WiFi e altri dispositivi wireless, sono ormai una presenza costante quasi ovunque.
Anche le scariche elettrostatiche possono causare danni agli apparecchi e problemi ai pazienti, e per tale ragione i relativi limiti imposti sono elevati: 8 kV per la scarica per contatto e 15 kV per la scarica in aria.
Come scegliere il giusto alimentatore per uso ferroviario
Il ferroviario, comprese le applicazioni tranviarie, filoviarie e metropolitane, è uno dei settori in cui è coinvolta l’elettronica di potenza per il quale l’affidabilità delle tecnologie impiegate, è di primaria importanza, per il legame stretto che si crea tra uomo e macchina.
Nel settore ferroviario, e rotabile in generale, i convertitori CC/CC sono utilizzati frequentemente per la conversione di tensioni CC a valori inferiori e per l’utilizzo in una varietà di circuiti di controllo dell’energia. Il sistema di distribuzione dell’alimentazione CC si basa, infatti, sulla gestione delle batterie, occorre fare in modo che possano garantire la normale erogazione in caso di guasto del generatore primario.
Alcune delle principali applicazioni sono:
- materiale rotabile ferroviario;
- applicazione di bordo e di terra;
- applicazioni industriali;
- applicazioni alimentate a batteria ad alta tensione;
- architetture di alimentazione distribuite.
EN 50155 railway: la normativa per il settore ferroviario
Le apparecchiature elettroniche utilizzate per la realizzazione di materiale rotabile e, più in generale, di tutti i veicoli ferroviari in movimento devono rispettare le linee guida indicate dallo standard EN 50155. La norma stabilisce i requisiti attentamente definiti per i sistemi d’informazione e componenti elettronici utilizzati nell’ingegneria ferroviaria.
Lo standard EN50155 stabilisce i requisiti minimi in termini di tensioni d’ingresso, isolamento elettrico, temperature e grado di umidità di esercizio, resistenza a urti e le vibrazioni e la compatibilità elettromagnetica.
Le apparecchiature elettroniche utilizzate su materiale rotabile devono garantire una durata operativa molto lunga, anche fino a 20 anni, pertanto i test ambientali condotti dovrebbero essere estremamente accurati. Oltre ai normali test della temperatura di funzionamento (tra -30° C e +60° C), ne vengono eseguiti ulteriori di ciclo termico, calore secco e calore umido, e queste prove possono essere superate solo da convertitori CC/CC ermeticamente sigillati.
La EN50155 impone una variazione della tensione d’ingresso compresa tra 0,7 e 1,25 volte del valore di tensione nominale e variazioni istantanee comprese tra 0,6 e 1,4 volte. Ad esempio, un convertitore CC/CC di 48 V deve poter funzionare correttamente a fronte di un range di tensione compreso tra 28,8V e 67,2V.
Criteri di selezione dei convertitori cc/cc ferroviari
Uno dei parametri più rilevanti per la scelta di un convertitore CC/CC è la tensione d’ingresso. Nel settore ferroviario i valori di tensioni più comuni sono 24 V CC, 48 V CC, 72 V CC, 96 V CC e 110 V CC, di cui l’ultima è la più comunemente usata sui treni, mentre i 24 V e i 48 V sono utilizzati su ferrovie leggere, tram e filobus.
Solitamente gli sviluppatori di applicazioni ferroviarie scelgono convertitori con rapporto di 4:1, in quanto coprono l’intera gamma di tensioni nominali d’ingresso utilizzando solo 3 diversi modelli di convertitore.
Railway CC/CC converter output range
La trasformazione della tensione d’ingresso può avvenire in modalità diverse:
- Uscita Singola: output pin Vout(+) e Vout(-)
- Tensione Duale: pin Vout(+), Com e Vout(-), spesso utilizzati per alimentare un amplificatore operazionale
- Doppia Uscita Asimmetrica: output pin Vout(+), Com e Vout(-) con diverse tensioni di uscita, ad esempio +18/9volt. Utilizzati per i driver di pilotaggio degli IGBT gate driver che necessitano due tensioni di alimentazione asimmetriche
- Doppie Uscite Indipendenti: output pin Vout1(+), Vout1(-), Vout2(+) e Vout2(-), in cui le uscite sono isolate da tutti gli ingressi. Utile per alimentare un’applicazione a due canali usando un solo convertitore
- Tripla Uscita: output pin Vout(+), Aux(+), Com e Aux, ad es. +5 V e +/-12 V. Utile per applicazioni in cui è richiesta un’unica alimentazione ad alta corrente e un’alimentazione ausiliaria per le periferiche
Come scegliere il giusto alimentatore per uso automobilistico
Anche nel campo automobilistico la scelta di un ottimo alimentatore è uno dei passi fondamentali. In questo settore la sicurezza è uno degli aspetti più importanti e come tale devono essere seguiti i migliori criteri per le implementazioni dei sistemi di alimentazione, per i quali sono previste, inoltre, diverse direttive e certificazioni a livello europeo e mondiale. La validità delle applicazioni automobilistiche prende vita proprio dagli alimentatori.
Perché è necessario un convertitore DC/DC?
Si può parlare di convertitore step-up quando si trasforma un ingresso a bassa tensione in un’uscita ad alta tensione, o un convertitore step-down, che opera in maniera opposta. Le batterie di un veicolo elettrico emettono una certa tensione, che in futuro è destinata a salire decisamente. I componenti elettrici all’interno del veicolo hanno diverse esigenze di alimentazione ma la maggior parte funziona con una bassa tensione.
Per esempio la radio, l’aria condizionata e i display necessitano di un opportuno livello di tensione. Con l’utilizzo dei convertitori è possibile alimentare tutti i carichi senza dover ricorrere a batterie più grandi e più pesanti. I convertitori DC/DC costituiscono un’intera sottocategoria dell’ingegneria elettrica.
Un modello semplificato di convertitore step-down genera una serie di impulsi ON e OFF che si trasforma in segnale continuo con una combinazione di induttori e di condensatori. Il numero di veicoli dotati di dispositivi avanzati continua ad aumentare, per cui i convertitori DC/DC saranno sempre più utilizzati nelle vetture.
È ovvio che in questi ultimi anni il mercato delle automobili è radicalmente cambiato. Qualche decennio fa le uniche alternative di carburante erano i combustibili fossili, il diesel o la benzina. Oggi si stanno sempre più diffondendo, invece, veicoli elettrici ibridi e veicoli elettrici a batteria che, nel prossimo futuro, rimpiazzeranno le vecchie scelte.
Mobilità elettrica e auto elettriche: un futuro segnato?
Nei prossimi anni i maggiori cambiamenti del settore non saranno visibili all’occhio dell’osservatore, in quanto riguarderanno modifiche interne al motore e a tutti i circuiti di gestione della potenza elettrica e avranno un impatto significativo sull’intero progetto del veicolo. Il cambiamento delle architetture riguarda le diverse alimentazioni elettriche e, a differenza del motore a scoppio, tutti i dispositivi di un’automobile saranno gestiti dall’elettricità, così come gli azionamenti elettromeccanici saranno tutti di tipo elettronico.
L’energia elettrica sarà massivamente utilizzata, non solo per pilotare gli organi di locomozione ma anche per alimentare accessori quali aria condizionata, sedili riscaldabili e inclinabili, ecc.: tutti utilizzatori elettrici a monte che saranno azionati elettricamente per una maggiore efficienza. Spesso questi strumenti richiedono tensioni molto più importanti dei canonici 12 V, il che si traduce in elevate correnti di transito, le quali, a loro volta, richiedono un sistema di cavi estremamente robusti, costosi e pesanti che avrebbero un impatto negativo sull’efficienza del veicolo.
Per risolvere questi problemi, le case automobilistiche stanno gradualmente migrando su sistemi a 48 V per azionare diversi accessori. La tensione si quadruplica ma la corrente è ridotta di un quarto. Per rendere fattibile tale innalzamento si usano i convertitori di potenza, nella fattispecie di tipo 12-48 boost o step-up. Il passaggio a tensioni più elevate avverrà gradualmente e, almeno inizialmente, sul lato 12 V restano collegate le applicazioni di minore potenza mentre sul lato 48 V sono collegate quelle che richiedono l’utilizzo di motori o elementi riscaldanti (vedi Figura 2).
