SOFTMAX - ALIMENTATORI OFF-LINE FLYBACK   Index - ALIMENTATORI OFF-LINE FLYBACK   Introduzione alla tecnica switching Switching parallelo

Anche questi rientrano nella categoria dei regolatori in serie, ma hanno ovviamente un principio di funzionamento diverso dai lineari. Altre denominazioni in uso per indicare questo tipo di regolatore sono: «alimentatore tutto o niente», «chopper», «alimentatore a commutazione», «alimentatore a parzializzazione». Periodicamente una definizione viene usata più delle altre a seconda della moda del momento, ma tutte indicano lo stesso circuito.

Per capire il funzionamento di questo tipo di regolatore è opportuno osservare la fig.1, che schematizza il funzionamento dell'alimentatore, studiando la quale si arriva facilmente alla comprensione delle regole che sono alla base del funzionamento dello switching. Supponiamo di aprire e chiudere velocemente l'interruttore S1. Quando l'interruttore è chiuso, l'induttore vede al suoi capi una tensione pari a Vin - Vout. La corrente dell'induttore perciò crescerà secondo la formula:

 in cui:

Fig. 1

In questo caso il diodo D1 è inattivo, in quanto risulta polarizzato inversamente. Quando S1 viene aperto, la corrente che attraversa L1 cambia segno, polarizzando direttamente D1 che diventa perciò conduttore. Da questo continuo aprire e chiudere S1 deriva la formazione di un segnale ad onda quadra ai capi di D1 (fig.2) il quale si comporta come un interruttore con fase opposta a S1. Infatti quando S1 è chiuso, D1 non conduce (si comporta perciò come un interruttore aperto); mentre quando S1 è aperto, D1 conduce e si comporta come un interruttore chiuso. La funzione del circuito LC (L1 e C1 di fig.1) è quella di filtrare tale tensione alternata, livellandola intorno al suo valore medio. Chiaramente il valore medio corrisponde a quello che noi abbiamo indicato con Vout e che può essere calcolato con la formula:

                                         Fig. 2                                                 Fig. 3

In cui T indica la somma dei tempi in cui S1 é chiuso (Ton) e aperto (Toff), dando luogo a un periodo completo del segnale ad onda quadra (o impulsivo) presente ai capi di D1. Per maggiori chiarimenti circa Ton - Toff - T consultare la fig.2 e la fig.3. Dall'espressione precedente è facile comprendere come per poter controllare l'ampiezza della tensione Vout sia sufficiente agire sul tempo di chiusura (e conseguentemente anche su quello di apertura) dell'interruttore S1. Maggiore è il tempo di chiusura, rispetto a quello di apertura, maggiore è la tensione Vout. Passiamo ora allo schema a blocchi di fig. 4, comprendente le varie sezioni che formano un alimentatore a commutazione. 

Fig. 4

Per prima cosa è importante notare la scomparsa dell'interruttore manuale (S1 di fìg.1). Qui è stato sostituito da un interruttore elettronico costituito dal transistor e dal suo circuito di comando. Ma vediamo con ordine il compito affidato ad ogni blocco. Se per qualunque motivo, la tensione in uscita tende a variare (variazione di Vin o di RL o di entrambi), varia anche la tensione applicata al comparatore per mezzo del partitore di R1-R2. Il comparatore, a cui arriva anche una tensione di riferimento, reagisce a tale variazione apportando delle modifiche nel comportamento del circuito di comando di TR1. In conseguenza di ciò, viene modificato il Ton rispetto al Toff dell'interruttore elettronico TR1. In pratica cambiano i tempi di conduzione (Ton) e quelli di interdizione (Toff), in modo da mantenere piuttosto costante la tensione d'uscita. Il circuito di comando è solitamente un oscillatore, la cui frequenza di lavoro, a seconda del circuito, è compresa fra 20 kHz e 100 kHz. E' comunque abbastanza consueto usare una frequenza di oscillazione di 20-25 kHz. A causa della presenza dell'oscillatore e degli impulsi spuri che si formano durante le veloci commutazioni del transistor regolatore di potenza, l'alimentatore switching deve essere usato con cautela quando si deve alimentare un ricevitore o un ricetrasmettitore. Se non si provvede a un adeguato filtraggio e ad un altrettanto adeguata schermatura, il segnale generato dall'oscillatore e gli impulsi spuri possono esser causa di disturbi, soprattutto nella banda delle onde medie, onde lunghe e parte medio-bassa delle onde corte. Infatti le armoniche generate dal segnale di commutazione potrebbero entrare negli stadi preamplificatori RF.

La versione «parallelo» di questo regolatore è diventata molto popolare, grazie ad alcune sue particolarità. Contrariamente a quel che succede nel «serie», in questo regolatore il cortocircuito o l'apertura del transistor di potenza comportano il blocco di qualsiasi tensione in uscita, salvaguardando l'integrità del carico alimentato. Nel regolatore serie, come visto in precedenza, il cortocircuito del transistor di potenza causa l'afflusso di tutta Vin sul carico, con conseguenze facilmente immaginabili. L'alimentatore chopper viene usato di solito con collegamento diretto alla rete a 220 Vac, senza interposizioni di trasformatore riduttore; questo viene inserito dopo lo stabilizzatore, realizzando un utile isolamento fra il carico e il circuito di rete. La differenza sostanziale fra regolatore serie e regolatore parallelo è che mentre nel «serie» il carico riceve energia quando il transistor di potenza è in conduzione, nel parallelo succede il contrario, in questo secondo caso, il circuito accumula energia per mezzo dell'induttanza di TF1, quando TR1 è in conduzione e viene poi rilasciata al carico quando TR1 è interdetto (fig.5).

Fig. 5

Un segnale rettangolare con duty-cicle variabile viene applicato alla base di TR1; l'induttanza di TF1 causa un fenomeno, per cui si ha la formazione di una tensione a forma di rampa ai capi del primario del trasformatore stesso. Da questo, induttivamente, viene trasferita al secondario e D1 e C1 provvedono a ricavarne una tensione continua. Ovviamente anche in questo circuito la tensione Vout può essere regolata agendo sul rapporto Ton/Toff (rapporto impulso-pausa del segnale rettangolare che pilota la base di TR1). La figura 6 mostra come una parte della tensione di uscita viene inviata al circuito di comando di TR1, per ottenere una buona stabilizzazione di Vout. Il principio di funzionamento è il solito: se la tensione d'uscita tende a salire rispetto al valore fissato da R2, il circuito di pilotaggio provvede a diminuire il Ton rispetto al Toff, se Vout tendesse a diminuire succederebbe esattamente il contrario. Il risultato è che tutto ciò porta a una buona stabilizzazione della tensione fornita. Questo tipo di alimentatore infatti è molto usato in campo TV e viene usato per ottenere tutte le tensioni necessarie al funzionamento del circuito del televisore (in genere 4 o 5 o anche di più). Si tenga presente inoltre che ogni regolatore ha il suo trasformatore «dedicato», cioè fatto costruire apposta. La tendenza attuale è quella di fare grande uso di circuiti integrati. La fig.7 mostra un tipico regolatore chopper in parallelo realizzato con l'ausilio di un circuito integrato: l'UC3843 della SGS-Thomson. In fìg.8 invece è mostrato lo schema a blocchi del funzionamento interno del circuito integrato,che costituisce un vero e proprio PWM controller.I dati tecnici dell'integrato sono riassunti nella seguente tabella:

Vediamo adesso a grandi linee il funzionamento del circuito.

 Fig. 7

Come potete notare la tensione dei 220 volt di rete,viene direttamente applicata al ponte di Graetz, normalmente costituito da diodi quali 1N4007 oppure,per assorbimenti superiori ad 1A di picco,dagli 1N5408:nel disegno non sono stati indicati i filtri LC che devono essere posti a monte del raddrizzatore per bloccare l'ingresso di armoniche o segnali spuri di cui è ricchissima la rete !!!La tensione pulsante dunque viene filtrata da C1, che deve obbligatoriamente, pena l'esplosione!!!,avere una tensione di lavoro non inferiore ai 380 volt.Ai capi di questultimo ci ritroviamo infatti la tensione di picco,pari cioè a circa 310 volt,che passando attraverso L1 arriverà al Drain del Mosfet MFT1.Al momento dell'accensione il resistore R2,detto tecnicamente RESISTORE DI START-UP,abbasserà la tensione da 310 a circa 15 volt con l'ausilio di uno zener integrato nell'UC3843 e filtrata dall'azione del capacitore C2, notare che la corrente di start-up sufficiente è di appena 1 mA.Immediatamente sul pin 6 avremo uno stato logico alto che porterà in saturazione il Mosfet,che aprendosi determinerà una corrente nell'avvolgimento L1. Il resistore R8 posto in serie ha la funzione di current-detect, ovvero causerà una caduta che verrà rilevata dal pin 3, facente capo ad un ingresso di un operazionale integrato nell'UC in configurazione di COMPARATORE,che superata la soglia di 1 volt commuterà lo stato logico del pin 6 da alto a basso,ottendo l'interdizione del Mosfet. In mancanza di corrente anche la caduta su R8 tornerà a 0 volt, causando una nuova commutazione dell'uscita,cioè del pin 6 da stato basso (0 volt) ad alto, riaprendo il Mosfet. Queste commutazioni (LEGGE DI LENZ),indurranno una tensione anche nell'avvolgimento L2,tecnicamente definito TERZIARIO,che attraverso DS5 porterà l'alimentazione all'UC, fungendo,tanto per fare un paragone con i relè, da autoritenuta, cioè autoalimenterà l'integrato impedendone il blocco !!! La frequenza di lavoro dell'oscillatore, variando la quale è possibile variare la tensione di uscita, viene definita dal valore di C4 e dalla resistenza di R1 applicati al pin 4.Il pin 8 eroga una tensione stabilizzata che serve ad alimentare R1 e garantire una certa STABILITA' IN TENSIONE,il tutto filtrato dal capacitore C3.I due resistori R3 ed R4 costituiscono un partitore di tensione che compone la rete resistiva di controreazione dell'operazionale interno utilizzato come amplificatore di errore.Il pin 2 fa capo all'ingresso non invertente, mentre il pin 1 all'uscita:questa sezione peggiora la stabilità in tensione, ma permette di migliorare la risposta dinamica dell'alimentatore.

Fig. 8