Gli alimentatori switching (detti anche SMPS, dall’inglese “switched-mode power supply”) sono utilizzati in quasi tutti i dispositivi elettrici ed elettronici e servono per convertire in maniera efficiente l'energia elettrica da una tensione all'altra.
Nell’articolo di oggi, diamo un'occhiata a cosa sono gli alimentatori switching. Vedremo anche come funzionano e quali sono i loro vantaggi e svantaggi rispetto a un alimentatore tradizionale.
Cosa sono gli alimentatori switching (SMPS)?
In due parole? Un alimentatore switching è un alimentatore elettronico in grado di convertire efficacemente l'energia elettrica da una tensione all'altra. Normalmente, viene utilizzato per trasferire la corrente da una sorgente CC / CA a un carico CC (ad esempio computer, telefono cellulare, ecc.). La maggior parte degli alimentatori switching converte una tensione più alta (110 V oppure 220 V CA) in una tensione CC molto più bassa, come 24 V, 12 V o 5 V.
Possiamo trovare questo tipo di alimentatori in quasi tutti gli apparecchi elettrici che siamo abituati a usare ogni giorno. Specialmente quelli compatti. Non scherziamo: sono davvero ovunque! Ad esempio, gli SMPS sono presenti nei caricabatterie dei cellulari, nei computer, ecc. Sono anche semplici da reperire: li trovate sia nei negozi di elettronica, sia online su siti specializzati come RS.
La storia degli alimentatori switching
L’invenzione degli alimentatori switching risale al 1836. Ci sono prove che alcune bobine induttive venivano usate per generare picchi di alta tensione in condizioni di laboratorio. Dopo quasi un secolo, nel 1959, ai Bell Labs, Kahng e Atalla inventarono il MOSFET di potenza che sta alla base dei moderni alimentatori.
Esistono documenti di brevetti depositati da IBM nel 1958 che mostrano il design di un SMPS basato sull'oscillazione dei transistor. Intorno allo stesso anno, anche la General Motors Corporation (GM) depositò brevetti simili.
Il primo prodotto commerciale e ampiamente conosciuto con un alimentatore switching al suo interno? Si tratta della calcolatrice tascabile HP-35 di Hewlett Packard. Da allora, gli alimentatori switching sono stati usati per alimentare LED, ROM e altri elementi primari come gli orologi. Sebbene sviluppati da molti grandi fornitori, nel 1976 la Microchip Technology ha depositato il brevetto per l'uso del termine “switched-mode power supply (SMPS)” e, di fatto, ci ha messo su una bella ipoteca.
Oggi viene utilizzato in moltissimi dispositivi nei settori più disparati, dalla meccanica di ultima generazione alla robotica.
Come funzionano
Ognuno di questi dispositivi è costituito da un circuito complesso che funziona ad altissima frequenza (da 20 kHz a 10 MHz). La commutazione ad alta velocità consente agli alimentatori switching di convertire l'elettricità in modo più efficiente rispetto agli alimentatori lineari tradizionali.
Il circuito degli alimentatori SMPS contiene una serie di sottocircuiti. Proprio loro permettono di convertire efficacemente la corrente da una tensione all'altra. Vediamo come succede.
Durante la fase di ingresso, la corrente dell’alimentazione CA passa attraverso un raddrizzatore che dà in uscita CC filtrata con la stessa tensione. Per fare un esempio, nella fase di ingresso, 110 V CA viene convertita in 110 V CC. A questo livello si trovano anche dei filtri LC aggiuntivi (induttore e condensatore) per eliminare ulteriormente eventuali ondulazioni.
La fase successiva è anche la più importante. In genere, gli alimentatori switching contengono uno o più MOSFET di potenza che vengono usati come dispositivo di commutazione principale. Il segnale PWM accende e spegne rapidamente il MOSFET, fungendo da interruttore. Questo converte la tensione CC (risultato della fase precedente) in un'onda quadra ad alta frequenza.
Si arriva così alla fase di uscita
Anche all’uscita del trasformatore di potenza abbiamo un segnale oscillante che viene ulteriormente filtrato. Anche in stadio troviamo filtri simili a quelli che abbiamo visto in entrata, ma in grado di gestire più corrente a tensioni inferiori. Questa è l'ultima fase del circuito che trasferisce l’energia al carico collegato.
Infine, il dispositivo di commutazione (transistor o MOSFET). Deve accendersi e spegnersi rapidamente per generare l'onda quadra necessaria per alimentare il trasformatore di corrente utilizzando il segnale PWM. Il ciclo di lavoro è il rapporto tra il tempo di accensione e il tempo di ciclo totale. La tensione di uscita SMPS può essere controllata aumentando o diminuendo il ciclo di lavoro del segnale PWM fornito al transistor.
