Topologie dei convertitori

A questo scopo, sono state sviluppate varie topologie di SMPS, o commutatori, e ciascuna di esse presenta vantaggi e svantaggi. In ogni caso, tutte hanno come caratteristica il fatto che quando si applica una tensione a un induttore e la corrente comincia a fluire attraverso di esso, l'energia viene immagazzinata nell'induttore, dove compare una tensione opposta a quella applicata. Con il passare del tempo, l'induttore riduce l'opposizione. Se la corrente viene interrotta prima del termine dell'opposizione dell'induttore, l'energia immagazzinata genera una tensione e una corrente che fluisce nella direzione opposta a quella di opposizione originale.

Convertitori buck

I convertitori buck vengono utilizzati quando è necessario convertire una tensione CC più elevata in un valore CC più basso. Sono spesso utilizzati per sostituire i regolatori lineari altamente inefficienti. I dispositivi moderni hanno un'efficienza minima del 95%.

 

Figure 1: Convertitore buck con interruttore attivato. (Fonte: Learnabout Electronics)


Sopra è mostrato uno schema estremamente semplificato di un convertitore buck. Quando l'"interruttore", in genere un MOSFET di alimentazione, viene attivato, viene generata una tensione nell'induttore (L1) in opposizione a quella della fonte. Pertanto, la tensione nel carico e nel condensatore (C1) non raggiunge mai i livelli della tensione in entrata dalla fonte.
 

Figure 2: Convertitore buck con interruttore disattivato. (Fonte: Learnabout Electronics)

Quando l'interruttore viene disattivato, l'energia rimasta nella bobina dell'induttore crea una tensione nella direzione opposta, ovvero quella fornita inizialmente dalla fonte. Tale tensione, sempre inferiore a quella della fonte, attraversa il carico e il condensatore. Il diodo si accende, a sostituire la fonte di alimentazione scollegata, per completare il loop.

Pertanto, la tensione nel carico è sempre inferiore a quella della fonte. Il condensatore immagazzina energia e, man mano che si consuma quella immagazzinata nel campo magnetico dell'induttore, la carica del condensatore manterrà il flusso di corrente nel carico. Il MOSFET si attiva e si disattiva continuamente, ripetendo il ciclo. Scegliendo i valori corretti di induttore e condensatore e regolando automaticamente le volte in cui l'interruttore è chiuso oppure aperto o chiuso (ciclo di lavoro) in un intervallo di attivazione/disattivazione, è possibile ottenere ottimi livelli di stabilità ed efficienza.

Convertitore boost

Il convertitore boost CC-CC in genere viene utilizzato per aumentare la tensione di origine, ma può essere regolato anche per fornire una tensione più bassa.


 
Figura 3: Convertitore boost. (Fonte: The University of Newcastle)

Quando l'interruttore MOSFET viene attivato, la fonte genera un campo magnetico di opposizione nell'induttore. Quando l'interruttore viene disattivato, la tensione cambia direzione. La tensione di origine più quella generata dall'induttore si combinano per produrre più energia della sola fonte. La tensione superiore risultante attraversa il diodo e fornisce Vo per caricare il condensatore e fluire nella resistenza di carico.

Quando poi si attiva l'interruttore, la carica immagazzinata nel condensatore non riesce a fluire attraverso il diodo poiché questo consente il passaggio di tensione in un'unica direzione. In questo modo resta connesso solo alla resistenza di carico. Nuovamente, nel condensatore si forma la carica e il ciclo si ripete.

Convertitore flyback

Questo tipo di interruttore può funzionare con tensione CA o CC. Poiché la potenza di origine viene attivata e disattivata commutando MOSFET direttamente in un trasformatore, questo tipo di alimentazione fornisce isolamento fra la tensione di uscita, la terra e l'impianto di alimentazione. Ciò è fondamentale in molte applicazione (vedere la sezione Gli alimentatori medicali forniscono più livelli di protezione).

Benché il design dei dettagli del flyback sia abbastanza complesso, come nel caso di tutti gli SMPS, i principi di base sono semplici.

 

Figura 4: Convertitore flyback. (Fonte: Texas Instruments)

Quando l'interruttore, in genere un MOSFET, si attiva, il trasformatore viene energizzato. Il rapporto fra la tensione in ingresso e quella di uscita del trasformatore è determinato dalla percentuale di avvolgimenti. I "puntini" sui cablaggi del trasformatore indicano che una tensione positiva nel cablaggio di ingresso causa la comparsa di una tensione negativa sul secondario. Pertanto, il diodo sarà a polarizzazione inversa. Ciò significa che non vi è alcun flusso di corrente, ma che viene creato un campo magnetico negli avvolgimenti della bobina principale (ingresso).

Quando l'interruttore è disattivato, il campo magnetico immagazzinato nel principale induce una tensione opposta nel secondario. Il diodo, ora a polarizzazione diretta, consente all'alimentazione di fluire attraverso il carico e il condensatore. Quando l'interruttore viene nuovamente attivato, la carica immagazzinata nel condensatore potrà scaricarsi solo attraverso il carico perché il diodo è di nuovo a polarizzazione inversa. Come nel caso degli SMTP descritti in precedenza, il ciclo si ripete ed è possibile mantenere l'uscita desiderata in condizioni reali scegliendo adeguatamente il trasformatore e il condensatore, nonché monitorando in modo dinamico il ciclo di lavoro.

Le tre topologie descritte nel presente articolo sono forse quelle più comunemente utilizzate, ma ne esistono molte altre varianti. In commercio sono disponibili vari circuiti di controllo come quelli qui descritti sotto forma di chip di silicio, nonché una vasta gamma di alimentatori pronti per l'uso nei progetti OEM (vedere la sezione Maggiore efficienza per gli alimentatori). Inoltre, si stanno cercando nuovi metodi per fornire convertitori più piccoli e leggeri, nonché per raggiungere gli obiettivi legati a una maggiore efficienza e a una minore produzione di calore. Una topologia particolarmente promettente è quella della conversione risonante ad alta frequenza (vedere la sezione Conversione risonante ad altissima frequenza), recentemente introdotta nelle applicazioni commerciali.