Cerchi un alimentatore che converta la potenza da CA o CC a uno o più livelli di CC? Allora hai bisogno di un alimentatore a commutazione. Ecco come funziona.
Denominati comunemente “commutatori”, questi dispositivi attivano e disattivano le fonti di potenza diverse volte al secondo. Questa fase di attivazione/disattivazione crea una frequenza in entrata effettiva, che spesso arriva nel campo dei megahertz.
Cosa significa “modalità a commutazione”?
Il componente che effettua la commutazione in un alimentatore di questo tipo è un semiconduttore, un MOSFET che è attivo o disattivo, portato al suo intervallo di saturazione per trasferire potenza attraverso una resistenza quasi nulla. Questo si verifica migliaia di volte al secondo, creando la CA ad alta frequenza intermedia descritta in precedenza. Dato che il semiconduttore è stato portato a saturazione, virtualmente non presenta alcuna resistenza, e questo comporta un’alta efficienza e una generazione di calore trascurabile. Di contro, l’alimentatore lineare, è così denominato perché i suoi raddrizzatori funzionano in un intervallo lineare. Questo significa che quando conducono potenza, lo fanno opponendo resistenza, con tutta la perdita di potenza e generazione di calore tipiche di tale processo.
Qualunque sia la frequenza con la quale il semiconduttore si attiva e disattiva, il tempo tra gli inizi di ciascun impulso “attivo” è identificato come il periodo di commutazione. Il periodo di attivazione, come frazione di quello di commutazione, è chiamato ciclo di lavoro. La tensione viene controllata variando il ciclo di lavoro. La modifica “al volo” del ciclo di lavoro mantiene la tensione al livello prestabilito.
Quali sono i vantaggi dei SMPS?
Alta efficienza - Essi generano molto meno calore. Le unità a bassa alimentazione spesso non richiedono un scudo di calore, il che significa che esse possono essere montate direttamente sui PCB.
Fattore di forma compatto - Dal momento che gli alimentatori a commutazione operano a una frequenza più elevata, il valore e pertanto la dimensione dei condensatori e degli induttori di filtraggio associati sarà più piccola e l’unità nel suo insieme occuperà meno spazio.
Versatilità del progetto - I commutatori possono essere progettati con tensione step up (Boost) o con tensione step-down down (Buck) come richiesto dall'applicazione.
Come realizzare il progetto per gli alimentatori a commutazione
Terminologia
I commutatori sono spesso descritti in termini di brick, mezzo brick, e quarto di brick. Le dimensioni in pollici di un brick intero sono, 4,6 x 2,4 x 0,5, quelle del mezzo brick sono 2,3 x 2,4 x 0,35 e quelle del quarto di brick sono 2,3 x 1,45 x 0,35. Queste definizioni sono largamente accettate, ma non sono rispettate uniformemente. La specifica comprende anche la disposizione dei pin, pertanto se si utilizzano alimentatori a commutazione che aderiscono allo standard, la sostituzione di un prodotto è molto semplice quando richiesto o desiderato dal progettista. I modelli più recenti di alimentatori da quarto di brick possono fornire 250 watt e più di potenza elettrica. Questo rappresenta un notevole miglioramento sulla quantità di spazio precedentemente richiesta per l’alimentatore, che consente di avere più spazio a disposizione per introdurre caratteristiche aggiuntive durante la progettazione del prodotto.
Struttura
Le equazioni che descrivono la fisica degli alimentatori a commutazione sono falsamente semplici. Nella pratica, avere a che fare con gli ampere, in contrapposizione ai microampere di cui la maggior parte degli ingegneri elettrici si occupano di solito, può portare a ritardi, a spese aggiuntive e perfino a guasti del prodotto. Il progetto dei commutatori deve essere preferibilmente riservato agli specialisti degli alimentatori, e questo è un caso in cui è sempre meglio acquistare che costruire.
Nella progettazione di alimentatori a commutazione, gli ingegneri hanno principalmente due opzioni. La prima, consiste nell’utilizzare un alimentatore per generare tutte le tensioni necessarie per il sistema. L’altra opzione, consiste nell’utilizzare un’unità che si interfacci con la tensione CA esterna, ma con una sola uscita CC, spesso a 12, 24 o 48 volt. In quest’ultimo caso, la tensione di uscita dell’alimentatore principale è quella più alta necessaria. Se è richiesta una tensione inferiore in altre parti del sistema, può essere impiegato un convertitore buck per effettuare la conversione da CC a CC a un livello inferiore.
I convertitori buck sono estremamente efficienti, con perdite del 5% o anche meno. Sono anche descritti a volte come regolatori di commutazione. In modo simile agli alimentatori a commutazione, al cuore di un convertitore buck risiede un interruttore a semiconduttore che attiva e disattiva la tensione della fonte per diverse migliaia di volte al secondo, o anche più.
In virtù dei loro vantaggi di progetto, gli alimentatori a commutazione sono rapidamente diventati lo standard in tutte le applicazioni più tecniche e più stringenti. I progetti sono ancora costantemente migliorati in termini di efficienza e riduzione di dimensioni e peso. Cerchi ulteriori consigli sugli alimentatori? Approfondisci con la nostra analisi dettagliata dei migliori tipi di convertitori a commutazione da CC a CC. Inoltre, puoi consultare quando usare un gruppo di continuità e come scegliere la soluzione CA-CC perfetta.