Stabilizzatori di switching

     

Sono detti switching (o SMPS: Switch Mode Power Supply) i sistemi di stabilizzazione tipo serie nei quali il componente attivo, anziché lavorare in modo lineare, opera in commutazione ON - OFF, analogamente ad un interruttore (switch). Questi dispositivi vengono usati a valle di alimentatori elettrici (convertitori AC/DC) per eliminare il residuo di alimentazione di rete denominato “ripple”.

Il principio di funzionamento degli alimentatori switching è basato sulla modulazione PWM (Pulse Width Modulation : modulazione ad larghezza di impulso).

Modulazione PWM

     

La modulazione è una operazione che converte l'informazione contenuta in un segnale (modulante) nella variazione di un parametro elettrico di un altro segnale (portante). Nella modulazione PWM (Pulse Width modulation) la portante V_p è un'onda triangolare o a denti di sega di frequenza fissa f mentre la modulante V_i ne modifica (attraverso un sistema di conversione tensione-tempo) la durata dello stato alto rispetto all'intero periodo T = 1/f. In questo modo, il valor medio della portante modulata è proporzionale all'ampiezza della tensione modulante.

Il procedimento che permette di trasformare un livello di tensione Vi nella durata di permanenza allo stato alto di un'onda quadra, è riportato nel seguente schema.

Si utilizza un generatore di dente di sega e un comparatore in grado di convertire una tensione V_i che può variare da 0 a V_imax, a condizione che sia V_imax≤V_pmax, dove V_pmax è il valore massimo del dente di sega . Il comparatore fornisce un'uscita a 0 quando il segnale all'ingresso invertente ha modulo maggiore di quello all'ingresso non invertente, fornisce invece uscita V_c quando l'ingresso non invertente prevale sull'invertente. All'inizio della rampa di salita del dente di sega, la tensione V_i>0 porta a V_c l'uscita del comparatore e la mantiene in questa condizione fino a quando la rampa, salendo, supera il livello di V_i.

Quando si verifica questa condizione, l'uscita del comparatore si porta a 0. Il fronte verticale del dente di sega ripristina la condizione iniziale ed inizia un nuovo periodo della tensione d'uscita. Osservando le forme d'onda si comprende che il segnale V_c all'uscita del comparatore è un'onda rettangolare che ha periodo T costante e durata dello stato alto tanto maggiore quanto più elevato è il livello della tensione V_i. Questo significa che il sistema è in grado di operare una conversione tensione-tempo, cioè esiste una relazione di proporzionalità tra V_i e δ essendo δ=T₁/T il duty-cycle dell'onda rettangolare (rapporto tra il semiperiodo alto e l'intero periodo).

L'uscita del comparatore PWM viene poi collegata alla base di un BJT a funzionamento switching, comandato dal segnale ottenuto mediante il comparatore stesso.

Il BJT viene portato in condizione ON per un tempo proporzionale all'ampiezza del segnale modulante, poi viene portato in condizione OFF (base a potenziale 0), per essere riportato ON dopo un tempo fisso T (periodo di portante). Per definizione, il valor medio in un periodo V_m di un segnale periodico di ampiezza V e periodo T, è l'altezza di un rettangolo che ha per base il periodo ed area uguale a quella racchiusa dalla forma d'onda nel periodo stesso. In base a questa definizione, si determina il valor medio della tensione ai capi del carico (resistivo) indicando con T₁ il tempo di stato ON del BJT (stato alto del segnale al carico), si ottiene:

   cioè   

Questa relazione mette in evidenza il legame di proporzionalità diretta tra il valor medio V_m della tensione al carico e il duty cycle δ legato allla durata T₁ dello stato alto. Nei sistemi PWM utilizzati per gli alimentatori switching, il periodo T va da 5 a 50µs ovvero da 20 a 200 kHz; il BJT di comando deve quindi essere un componente di potenza in grado di funzionare a frequenza elevata.

Per ottenere il valor medio V_m dell'onda quadra, è necessario inserire, prima del carico R_L un filtro passa-basso, che elimini le armoniche a frequenza superiore della fondamentale dell'onda stessa. Negli stabilizzatori switching, il filtro è realizzato mediante il sistema diodo-induttore-condensatore, qui di seguito esposto.

• Durante il tempo T₁ di conduzione del BJT, nell'induttore circola la corrente media:

questa corrente scorre verso il carico e carica il condensatore, che immagazzina energia; il diodo, polarizzato inversamente, costituisce un circuito aperto.
Grazie alla corrente I_L, anche l'induttore immagazzina energia .

• Durante il tempo T₂ = T-T₁ in cui il BJT è interdetto, l'induttore restituisce l'energia immagazzinata, mantenendo la circolazione, nel verso di I_L, di una corrente che si richiude nella maglia formata da L, C e dal diodo, che risulta in tal modo in conduzione.
Anche il condensatore restituisce energia al carico, costituendo, assieme all'induttore, un filtro del II° ordine che fornisce al carico una forma d'onda livellata attorno al valor medio.

Stabilizzatore

     

Il sistema formato dal modulatore PWM e dal filtro fornisce al carico una tensione che ha valor medio variabile in funzione della tensione applicata all'ingresso. Il segnale di comando del BJT switching può avere potenza limitata e tuttavia controlla una potenza rilevante. Questo significa che è possibile realizzare uno stabilizzatore switching con un sistema avente lo schema seguente:

• Mediante il partitore R₁, R₂ si preleva la tensione:

la cui ampiezza varia in modo direttamente proporzionale a V_o.

• La tensione V_b viene confrontata con il valore di riferimento V_z attraverso un ampli-ficatore differenziale (amplificatore d'errore), il cui segnale d'uscita vale:

• Il segnale V_e viene utilizzato per comandare il convertitore tensione-tempo che controlla il sistema PWM e il partitore R₁, R₂ viene dimensionato in modo che il valor medio del segnale all'uscita del filtro coincida con il valore nominale di V_o.

• Se la tensione V_o subisce una diminuzione (per esempio, a causa di una fluttuazione del carico), anche V_b si riduce e, poiché V_z è costante, aumenta V_e . Questo determina un aumento del duty-cycle dell'onda quadra prodotta dal modulatore PWM, ovvero un aumento di V_o capace di compensare la caduta.

I vantaggi principali degli stabilizzatori di switching rispetto agli stabilizzatori lineari è che hanno un rendimento elevato η=70÷90% perchè il BJT, operando in commutazione dissipa molto meno potenza, questo permette la costruzione di alimentatori dotati di trasformatori con dimensioni ridotte rispetto ai regolatori dove il BJT opera in zona attiva.

Il principale svantaggio è che la presenza di un oscillatore ad alte frequenze, come il generatore a denti di sega, determina l'insorgere di frequenze elevate che possono disturbare altri apparati elettrici circostanti.