Un alimentatore è un dispositivo elettrico che fornisce energia a uno o più carichi elettrici. La sua funzione principale è adattare l'energia elettrica al carico, convertendo l'energia proveniente dalla sorgente elettrica nella corrente, tensione e frequenza corrispondenti richieste dal carico. Gli alimentatori offrono inoltre protezione al carico alimentato limitando la corrente di carico e disattivandola in caso di guasto. Questi dispositivi modificano anche la potenza in uscita per prevenire il rumore elettronico e fornire la correzione del fattore di potenza.

In questo articolo spiegheremo i diversi tipi di alimentatori ed esamineremo perché gli alimentatori senza ventola possono offrire le migliori prestazioni.

Regolatori lineari e SMPS

Gli alimentatori possono essere suddivisi in due categorie principali: alimentatori a regolazione lineare e alimentatori a commutazione (SMPS).

I regolatori lineari convertono la corrente alternata (CA) in una corrente continua (CC) stabile. Utilizzano un trasformatore per fornire isolamento galvanico tra l'ingresso CA ad alta tensione e l'uscita CC a bassa tensione, per filtrare il rumore in ingresso e per ridurre la tensione CA in ingresso, che viene poi raddrizzata per ottenere la tensione CC in uscita. Gli alimentatori a regolazione lineare hanno un'efficienza bassa (30-60 percento), il che significa maggiori perdite di potenza e più calore da dissipare.

Gli alimentatori a commutazione hanno un'efficienza elevata (oltre l'80 percento) e prestazioni avanzate. Gli SMPS convertono la tensione di rete in ingresso in una tensione CA ad alta frequenza, per poi abbassarla a una tensione inferiore tramite un piccolo trasformatore. La tensione viene quindi raddrizzata, filtrata e regolata per essere erogata come tensione CC stabile.

Gli SMPS hanno una progettazione più complessa e un costo maggiore rispetto ai regolatori lineari. Tuttavia, presentano numerosi vantaggi rispetto a questi ultimi, tra cui dimensioni ridotte ed efficienza molto elevata senza dissipare quantità eccessive di calore.

L'importanza dell'efficienza degli alimentatori

L'efficienza di un alimentatore è il rapporto percentuale tra la potenza totale in uscita e la potenza in ingresso, normalmente specificato a pieno carico e alla tensione nominale in ingresso:

Ad esempio, se l'alimentatore ha un'efficienza del 50 percento e la potenza di carico richiesta è di 100W, la potenza totale in ingresso deve essere di 200W. Il restante 50 percento della potenza in ingresso viene sprecato, principalmente sotto forma di calore, e deve essere dissipato correttamente per evitare di danneggiare l'unità. Questo dimostra quanto siano importanti gli alimentatori ad alta efficienza. Essi presentano perdite significativamente inferiori, il che significa che rimangono più freschi e utilizzano meno energia dalla rete per fornire la stessa potenza in uscita.

Gli alimentatori non hanno un'efficienza costante, poiché dipende dalle condizioni ambientali e di carico. In generale, gli alimentatori raggiungono la massima efficienza quando funzionano al 50 percento del carico nominale. Gli alimentatori hanno un'efficienza maggiore se alimentati a 230V rispetto a 110V CA. Oggigiorno, il mercato offre modelli avanzati in grado di funzionare con un'efficienza costantemente elevata anche nell'intervallo 50-100 percento del carico nominale. Ad esempio, il diagramma in Figura 1 mostra la curva di efficienza della serie MEAN WELL UHP-2500 rispetto alla tensione di alimentazione e al carico. 

Non è possibile raggiungere un'efficienza dell'alimentatore del 100 percento. Tuttavia, con una progettazione avanzata e componenti adeguati, è possibile ottenere efficienze elevate (ad esempio, il MEAN WELL UHP-2500 in Figura 1 ha un'efficienza fino al 96 percento). Le perdite negli alimentatori sono causate da componenti passivi e attivi e si verificano maggiormente negli alimentatori lineari rispetto agli SMPS. Le perdite di potenza negli SMPS si verificano principalmente nei dispositivi di commutazione (MOSFET e diodi). Altre perdite sono causate dai condensatori e dagli induttori (che possono essere ridotte utilizzando componenti avanzati a bassa resistenza, generalmente più costosi). Le perdite dei componenti passivi includono le perdite sui resistori (I2R), le perdite sui condensatori e le perdite sugli induttori dovute all'induzione del nucleo e dell'avvolgimento. Le perdite dei componenti attivi sono causate principalmente dai MOSFET e dai diodi, sotto forma di perdite di conduzione e di commutazione.

Sebbene gli SMPS possano essere più costosi, la loro elevata efficienza consente di risparmiare sui costi energetici. Sono inoltre più affidabili, producono meno rumore e richiedono meno raffreddamento. Utilizzano componenti di alta qualità, come dispositivi di commutazione, condensatori robusti e induttori con buone caratteristiche. Producono una tensione in uscita migliore con basso ripple, meno rumore e meno calore, e offrono una migliore regolazione della tensione.

Metodi di raffreddamento degli alimentatori

Gli alimentatori generano calore che potrebbe danneggiare i componenti del circuito. Per questo motivo, gli alimentatori devono disporre di un sistema di raffreddamento per dissipare il calore in eccesso. Questi sono i metodi di conduzione termica o raffreddamento più comunemente utilizzati:

1. Il flusso d'aria naturale è un semplice metodo di raffreddamento per convezione in cui l'aria fluisce naturalmente e trasferisce il calore lontano dal dispositivo. Il flusso d'aria naturale è un'opzione di raffreddamento semplice ed economica che non prevede componenti meccanici aggiuntivi. Poiché questo tipo di raffreddamento ha una bassa capacità di dissipazione del calore, gli alimentatori che lo utilizzano hanno un intervallo di temperatura operativa sicura limitato.
2. Il raffreddamento ad aria forzata prevede l'uso di una o più ventole per migliorare il flusso d'aria naturale, consentendo temperature operative più elevate. Poiché consumano potenza aggiuntiva, le ventole riducono l'efficienza dell'alimentatore. Richiedono inoltre manutenzione e sostituzioni regolari. Questo tipo di raffreddamento non è pratico per applicazioni con spazio limitato.
3. I dissipatori di calore trasferiscono il calore tramite contatto diretto con un componente più freddo, che può essere un dissipatore (con alette) o una piastra fredda (senza alette). Un dissipatore con alette ha una superficie di contatto con l'aria maggiore e quindi consente una dissipazione del calore più rapida. Viene spesso abbinato al raffreddamento ad aria forzata per una migliore dissipazione. Tuttavia, i dissipatori richiedono più spazio, il che ne limita l'uso in alcune applicazioni. Le piastre fredde sono spesse piastre metalliche utilizzate per condurre il calore lontano dal dispositivo. Vengono utilizzate in applicazioni in cui semplicità e spazio sono parametri fondamentali.
4. Il raffreddamento a liquido consiste in una piastra fredda con un tubo incorporato in cui circola un liquido di raffreddamento a circuito chiuso. Il liquido aiuta la piastra di base a mantenere una temperatura molto stabile, rendendo il trasferimento di calore il più efficiente possibile. Poiché elimina la necessità di ventole, il raffreddamento a liquido non richiede troppo spazio. Il raffreddamento a liquido offre un'ottima dissipazione del calore, non genera rumore né vibrazioni e aumenta la durata dell'alimentatore. Tuttavia, il raffreddamento a liquido è più costoso poiché richiede una progettazione più complessa. Il raffreddamento a liquido è comunemente utilizzato in applicazioni che generano elevate quantità di calore, come laser industriali o stazioni di ricarica.

Gli alimentatori raffreddati a liquido possono essere progettati con una potenza in uscita molto elevata. Ad esempio, gli alimentatori raffreddati a liquido di MEAN WELL, la serie PHP-3500, sono in grado di erogare fino a 3.500W. Dispongono inoltre di una funzione di condivisione attiva della corrente, che consente a un massimo di quattro unità in parallelo di erogare fino a 14.000W.

Il video seguente mette a confronto la differenza di temperatura tra il raffreddamento a liquido e quello ad aria forzata di un MOSFET e di un condensatore. La temperatura è inferiore di 6-18°C con il raffreddamento a liquido rispetto al raffreddamento ad aria forzata.

Sebbene costosi, gli alimentatori raffreddati a liquido rappresentano la soluzione più efficace per le applicazioni in cui il raffreddamento ad aria forzata non è adatto. In molte applicazioni, il raffreddamento ad aria forzata dovrebbe essere evitato, poiché l'aggiunta di una ventola a un alimentatore ne riduce l'affidabilità, aumenta i costi, genera rumore e comporta problemi di manutenzione.

Un alimentatore senza ventola (come il MEAN WELL UHP-2500 mostrato nella Figura 2 di seguito) evita i problemi legati ai guasti delle ventole e riduce i costi di manutenzione. Gli alimentatori senza ventola sono adatti anche per ambienti che richiedono la massima silenziosità.

Alimentatori e gestione dell'energia

La gestione dell'energia è una funzione importante in ogni sistema elettronico, poiché controlla, regola e distribuisce l'alimentazione CC al sistema. La gestione dell'energia influisce sull'affidabilità, sulle prestazioni e sui costi.

Gli alimentatori avanzati sono dotati di funzioni di tensione e corrente programmabili (PV/PC), che consentono di regolare la tensione in uscita tra il 50 e il 120 percento e la corrente tra il 20 e il 100 percento tramite un segnale di controllo CC esterno. Inoltre, possono disporre di protocolli di comunicazione (ad esempio PMBus o CANBus) per ottenere un alimentatore intelligente. In generale, esistono due tipi di regolazione dell'uscita dell'alimentatore: interfaccia a segnale analogico esterno e interfaccia di controllo digitale.

La tecnologia di controllo tramite interfaccia a segnale analogico esterno utilizza la tensione esterna per controllare la tensione in uscita dell'alimentatore. Gli alimentatori analogici sono stabili e affidabili, ma hanno una flessibilità limitata. Sebbene lo stato possa essere monitorato, il controllo è generalmente limitato a una sola possibile reazione per parametro. L'ingresso di tensione analogica esterna è generalmente compreso tra 1 e 5V. La corrente in uscita può essere regolata tra il 20 e il 100 percento della corrente nominale applicando una tensione esterna. La Figura 3 mostra lo schema della regolazione della corrente in uscita mediante tensione CC esterna.

Il controllo digitale offre accesso a un livello elevato di informazioni e consente un'uscita più flessibile. La tabella seguente mostra i vantaggi della progettazione digitale degli alimentatori:

Il protocollo di comunicazione più diffuso per il controllo digitale degli alimentatori è il PMBus (Power Management Bus). Il PMBus è un protocollo di gestione dell'energia a standard aperto che semplifica la progettazione e riduce la complessità dei sistemi di alimentazione a controllo digitale. Il CANBus (Controller Area Network) è un altro protocollo di comunicazione. È in grado di eseguire la maggior parte dei comandi e delle funzioni del protocollo PMBus, con la differenza principale tra i due che risiede nel metodo di segnalazione. La scelta tra CANBus e PMBus dipende dalle esigenze specifiche delle applicazioni. MEAN WELL offre modelli CANBus opzionali per i prodotti già integrati con PMBus.

Gli alimentatori con protocollo PMBus integrato consentono al sistema finale di monitorare e controllare i vari parametri operativi dell'alimentatore, come tensione, corrente e temperatura. Gli alimentatori senza ventola combinati con il protocollo PMBus migliorano notevolmente l'affidabilità nel tempo e la flessibilità di installazione, consentendo sistemi finali più compatti e intelligenti. Il PHP-3500, ad esempio, supporta il PMBus con una velocità di bus massima di 100kHz, consentendo la lettura delle informazioni, il monitoraggio dello stato e la regolazione dell'uscita.

Per saperne di più sui vantaggi degli alimentatori senza ventola e sulla gestione dell'energia, consultare gli alimentatori MEAN WELL delle serie UHP e PHP.

 

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