Progettazione di alimentatori senza trasformatore

Introduzione

L’alimentazione di numerosi dispositivi elettronici, inclusi i sistemi embedded e i single board computer (SBC) per la prototipazione rapida come Arduino e Raspberry Pi richiede la conversione della tensione alternata di rete in tensione continua, con valori normalmente compresi tra 3,3V e 12V. Esistono diverse modalità con cui eseguire la conversione AC-DC, a partire da quella lineare, basata su un trasformatore e un circuito raddrizzatore a ponte di diodi. Un’altra soluzione molto comune è basata sulla tecnologia switching, la quale permette di realizzare alimentatori SMPS (Switching Mode Power Supply) compatti, leggeri e con un elevato grado di efficienza. Tuttavia, per alimentare un sistema embedded di bassa potenza, entrambe le tecniche precedentemente menzionate possono risultare molto dispendiose dal punto di vista economico. Il trasformatore, oltre che costoso, è anche pesante e occupa uno spazio non trascurabile. Analogamente, gli induttori, i MOSFET e i circuiti di controllo tipici di un SMPS sono ingombranti e costosi. Se non sono richiesti livelli di potenza importanti, ci si può orientare verso una soluzione senza trasformatore, economica, compatta e leggera. Rientrano in questa categoria, ad esempio, gli alimentatori e i caricabatteria da muro, in grado di convertire la tensione alternata di rete in tensione continua di bassa potenza (tipicamente qualche decina di milliampere). Il classico schema di alimentatore senza trasformatore include le seguenti parti:

  • circuito raddrizzatore;
  • partitore di tensione;
  • regolatore di tensione;
  • circuito di filtraggio;
  • limitatore della corrente di spunto.

Il principio di funzionamento è il seguente. La tensione alternata in ingresso viene raddrizzata in modo tale da caricare (senza scaricarlo) un condensatore di filtro, ai capi del quale è prelevabile la tensione di uscita. Il partitore di tensione assicura che soltanto una frazione della tensione in ingresso sia prelevabile in uscita. Infine, un diodo Zener posto in parallelo con il condensatore di filtraggio fornisce un valore di tensione di riferimento, perfettamente stabile.

Circuito raddrizzatore

Lo scopo di questo stadio è quello di eliminare le componenti negative della sinusoide associata alla tensione alternata in ingresso. Ciò può essere ottenuto utilizzando un raddrizzatore a semi onda composto da un solo diodo, oppure un raddrizzatore a onda intera composto da quattro diodi. Anche se entrambe le soluzioni sono valide, occorre sottolineare come il raddrizzatore a onda intera permetta di ridurre maggiormente le oscillazioni (ripple) della tensione in uscita e sia quindi la soluzione preferibile.

Partitore e regolatore di tensione

Questo stadio ha il compito di generare in uscita una tensione inferiore rispetto a quella in ingresso. Il circuito è identico a quello del partitore resistivo ma, poiché ora stiamo operando con tensioni alternate, le resistenze saranno sostituite con delle impedenze, Z1 e Z2. Se la corrente prelevata in uscita dal partitore non è elevata, la tensione VOUT può essere calcolata come:

VOUT = VIN x (Z2 / (Z1 + Z2))

Per migliorare le prestazioni dell’alimentatore, l’impedenza Z2 può essere sostituita con un diodo Zener. In questo modo, la tensione di uscita rimane costante anche a seguito di variazioni della tensione di ingresso o della corrente assorbita dal carico. L’effetto Zener garantisce che, indipendentemente dal valore della corrente che attraversa il diodo (sia essa pari a 1mA oppure 30mA), la tensione ai suoi capi non subisce variazioni significative. Per Z1 si può utilizzare una resistenza (soluzione più economica) oppure un condensatore (soluzione più efficiente). Lo svantaggio del diodo Zener è quello di dissipare una potenza costante, anche in assenza di carico. Qualora necessario, lo Zener può essere sostituito con un regolatore a basso drop out (LDO) oppure con un convertitore DC-DC.

Filtraggio e limitazione della corrente

Il condensatore di filtro, posto all’uscita dell’alimentatore e in parallelo con il carico, ha il compito di “sostenere” la tensione in uscita nei periodi in cui la tensione in ingresso (che ricordiamo, ha andamento sinusoidale) risulta inferiore alla tensione stabilizzata del diodo Zener. Come vedremo più avanti esaminando i principali schemi di alimentatori senza trasformatore, la limitazione della corrente di spunto, potenzialmente in grado di danneggiare i componenti ad ogni accensione del circuito, è tipicamente ottenuta dall’azione combinata di una resistenza e di un condensatore. Gli alimentatori senza trasformatore si suddividono in due categorie principali, che ora esamineremo: alimentatori capacitivi e alimentatori resistivi.

Alimentatori capacitivi

Lo schema dell’alimentatore senza trasformatore di tipo capacitivo è visibile in Figura 1. La tensione sul carico VOUT rimane costante fintantoché la corrente IOUT risulta minore o uguale alla corrente in ingresso IIN. C2 svolge la funzione di condensatore di filtro, D1 è il diodo Zener, D2 il diodo raddrizzatore, mentre la reattanza di C1 e la resistenza R1 limitano la corrente di spunto. La presenza di C1 conferisce il nome a questo tipo di circuito.

alimentatore senza trasformatore capacitivo
Figura 1: schema di un alimentatore senza trasformatore di tipo capacitivo

Di primaria importanza, ai fini della progettazione dell’alimentatore, è il calcolo della corrente in ingresso IIN:

Dove:
VRMS e f sono, rispettivamente, il valore efficace e la frequenza della tensione in ingresso (tensione di rete), mentre VZ è la tensione di Zener. Il valore minimo di IIN deve soddisfare i requisiti di assorbimento richiesti dal carico, mentre il suo valore massimo permette di dimensionare opportunamente i singoli componenti.

La tensione VOUT può essere calcolata come:

VOUT = VZ – VD

Dove VD è la tensione di polarizzazione diretta ai capi del diodo D2 (0,7 V per un comune diodo al silicio).

La corrente che attraversa R1 è equivalente al rapporto tra la tensione di rete e l’impedenza del condensatore C1:

Ai fini pratici, è consigliabile selezionare una resistenza con una potenza almeno doppia rispetto a quella teorica calcolata. Il condensatore C1 dovrebbe essere selezionato con una tensione almeno doppia rispetto a quella di rete (ad esempio, 500V in Europa). Il diodo D1 deve avere una potenza almeno doppia rispetto al valore teorico dato dalla seguente formula:

Discorso analogo vale per la potenza del diodo D2, dove ora al posto di VZ si può inserire il valore di tensione costante 0,7 V. Per C2 si utilizza tipicamente un condensatore elettrico con tensione almeno doppia rispetto a VZ. I principali vantaggi della soluzione di tipo capacitivo, rispetto a una basata su trasformatore, risiedono nelle dimensioni, peso e costi ridotti. Rispetto alla soluzione di tipo resistivo, presentata nel prossimo paragrafo, questo circuito permette di ottenere un livello di efficienza maggiore. Gli svantaggi sono la mancanza di isolamento dalla rete elettrica alternata e un costo superiore rispetto alla soluzione resistiva.

Alimentatori resistivi

Lo schema di un tipico alimentatore senza trasformatore resistivo è visibile in Figura 2. Anche in questo caso, la tensione sul carico VOUT rimane costante fintantoché la corrente IOUT risulta minore o uguale alla corrente in ingresso IIN, con la differenza che ora la limitazione della corrente di spunto è esercitata dalla sola resistenza R1. La tensione di uscita VOUT può essere calcolata utilizzando la stessa formula dell’alimentatore capacitivo, mentre la corrente in ingresso IIN è data dalla seguente equazione:

schema alimentatore senza trasformatore resistivo
Figura 2: schema di un alimentatore senza trasformatore di tipo resistivo

Come nel caso precedente, i componenti devono essere selezionati con un valore di potenza almeno doppio rispetto a quello teorico, calcolabile applicando la legge di Ohm (P=RxI2 per la resistenza R1 e P=VxI per i diodi D1 e D2). Il condensatore elettrolitico C2 deve essere dimensionato come nel caso capacitivo. L’alimentatore resistivo ha il vantaggio di avere dimensioni e peso ridotti rispetto al circuito con trasformatore e rappresenta la soluzione più economica in assoluto. Anche in questo caso, tuttavia, manca l’isolamento dalla rete e l’efficienza energetica è inferiore rispetto allo schema capacitivo.

Considerazioni sulla sicurezza

In precedenza, presentando le due principali topologie di alimentatore senza trasformatore, abbiamo visto come un limite di entrambe le soluzioni sia rappresentato dalla mancanza di isolamento rispetto alla rete di alimentazione alternata. Per migliorare la sicurezza di entrambi i circuiti, è quindi opportuno apportare delle modifiche puntuali ai due schemi precedentemente illustrati, ottenendo i risultati visibili in Figura 3. Il circuito dell’alimentatore di tipo capacitivo, visibile nella parte superiore dell’immagine, è stato modificato aggiungendo un fusibile come protezione nei confronti delle sovracorrenti, un varistore per fornire protezione dai transitori e una resistenza R2 in parallelo con C1 per migliorare l’immunità elettromagnetica. Il circuito resistivo è stato anch’esso modificato aggiungendo un varistore, un fusibile e una resistenza R3 in parallelo con C3 in modo da creare un filtro EMI. Un’ulteriore modifica riguarda la suddivisione della resistenza R1 in due resistenze serie, R1 e R2. Questo espediente fornisce una migliore protezione nei confronti dei transitori di tensione e riduce la differenza di potenziale su ogni resistenza, diminuendo il rischio di formazione di archi elettrici.

alimentatore: modifiche di miglioramento sicurezza
Figura 3: modifiche per migliorare la sicurezza

Riferimenti

[1] Microchip AN954
[2] Texas Intruments Application Report SNVA733A

Redazione Fare Elettronica