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Convertitore di tensione continua, quale scegliere?

2021-02-12

Convertitore di tensione continua

Ogni dispositivo elettronico necessita di un'alimentazione appropriata. Nella maggior parte dei casi colleghiamo semplicemente la spina alla presa di corrente. Vale la pena notare, tuttavia, che ci sono pochi dispositivi alimentati con tensione alternata da 230V, come quella disponibile in una normale presa, mentre molto più spesso i dispositivi per il corretto funzionamento necessitano di una tensione continua, con un potenziale nettamente inferiore. Per addurre questo tipo di tensione, i produttori di apparecchiature progettano sezioni di alimentazione appropriate, non di rado molto complesse, o equipaggiano il dispositivo con una porta cui potremo collegare la punta del classico alimentatore a spina. Può anche accadere che il dispositivo per il corretto funzionamento necessiti di diverse tensioni con valori differenti. In questo caso sarà necessario abbassare adeguatamente, o talvolta aumentare, la tensione di ingresso.

Tre metodi di alimentazione: convertitore, partitore di tensione, stabilizzatore lineare, quale scegliere?

Fondamentalmente, vi sono tre metodi di alimentazione: la sezione di alimentazione può essere realizzata sfruttando un partitore di tensione, uno stabilizzatore lineare o un convertitore. Ognuno dei metodi può essere utilizzato per ridurre la tensione, ma solo i convertitori ne consentiranno l'aumento.

Partitore di tensione

Il primo modo per realizzare la sezione di alimentazione è costituito da sistemi basati sul partitore di tensione. Il funzionamento di tale circuito si basa sulla legge di Ohm e sulla caduta di tensione sui singoli resistori. Scegliendo il loro valore, possiamo ottenere all'uscita una tensione di un qualsiasi valore; tuttavia questa sarà inferiore alla tensione di ingresso. Questo modo di alimentare il dispositivo purtroppo presenta alcuni inconvenienti. Il primo è il rendimento in corrente, il partitore di tensione è costituito da resistori, la cui potenza è solitamente molto bassa. Qualsiasi valore di corrente più grande comporterà un rapido danneggiamento dei resistori. Naturalmente è possibile utilizzare resistori di maggiore potenza; ciò comporterebbe un aumento significativo del prezzo di tale circuito. Il secondo grande svantaggio è che il partitore di tensione è sempre progettato per un valore di tensione di ingresso specifico. In caso di aumento o diminuzione della tensione di ingresso, varierà anche la tensione di uscita.

 

partitore di_tensione Schema di un semplice partitore di tensione.

Stabilizzatori lineari

Gli stabilizzatori lineari sono la seconda opzione per l'abbassamento della tensione di ingresso. Vengono prodotti il più delle volte sotto forma di elementi con tre piedini, utilizzati frequentemente nei dispositivi domestici. Il loro compito è molto semplice: mantenere un valore costante di tensione all'uscita, indipendentemente dalla tensione di ingresso. Naturalmente va ricordato che la tensione di ingresso deve essere superiore a quella di uscita. Elementi di questo tipo sono caratterizzati da un prezzo basso, tuttavia presentano problemi di dissipazione del calore. Ciascun stabilizzatore lineare deve trasformare in energia termica la differenza tra la tensione di ingresso e il valore della tensione di uscita desiderato. Ciò si traduce nel fatto che anche in presenza di correnti basse, l'elemento si riscalda molto rapidamente, il che costringe all'utilizzo di dissipatori di calore aggiuntivi, ciò ovviamente si traduce in costi più elevati di tale soluzione.

 

L7805ACV Stabilizzatore lineare:
L7805ACV

Convertitori di tensione

La terza possibilità di realizzare il sistema di alimentazione è sfruttare un convertitore di tensione. Questo dispositivo è composto da diversi componenti base: bobina, transistor di commutazione, condensatori, resistori e diodo al silicio. Come si può facilmente vedere, il convertitore di tensione è un dispositivo molto più complesso rispetto alle soluzioni presentate in precedenza. Questo tipo di componenti sono disponibili in diversi tipi e possono aumentare e abbassare la tensione di uscita rispetto a quella di ingresso.

OKY3497-5 Convertitore: OKY3497-5

Perché scegliere un convertitore di tensione?

I convertitori di tensione presentano una caratteristica utile nel processo di progettazione dei dispositivi elettronici: l'efficienza. Come già sappiamo, uno svantaggio abbastanza grande degli stabilizzatori lineari sono le perdite di potenza. Da questo punto di vista, i convertitori sono molto più economici. Ogni convertitore di tensione presenta un parametro definito efficienza, è espresso come percentuale, e si riferisce al rapporto tra la potenza di uscita e la potenza assorbita dalla sorgente. In altre parole, se il dispositivo presenta un'efficienza dell'80%, significa che il 20% viene perso in forma di calore dissipato principalmente sul transistor e sulla bobina. Tuttavia è importante notare che l'efficienza non è un valore costante e dipende dalle condizioni operative del convertitore, principalmente dalla tensione di alimentazione, dalla tensione di uscita e dalla corrente di carico.

Nonostante i vantaggi, anche i convertitori di tensione presentano uno svantaggio: le interferenze. Grazie al loro principio di progettazione e di funzionamento, la tensione di uscita del convertitore non è perfettamente costante. Ciò può costituire un problema se dobbiamo alimentare un circuito che necessita di una tensione perfettamente costante. In questo caso sarà necessario installare all'uscita del convertitore un filtro RC.

I convertitori di tensione, grazie alle loro piccole dimensioni e all'alta efficienza, possono essere utilizzati praticamente ovunque. Durante la progettazione di un qualsiasi dispositivo vale la pena di scegliere con precisione questo tipo di elementi.

Convertitore di tensione: come funziona?

Il convertitore di tensione è un componente ad impulsi, che in grande approssimazione riduce la tensione mediante la sua commutazione (si accende e spegne alternatamente). Questo processo è abbastanza veloce, tale da non interferire nel funzionamento del dispositivo o del sistema alimentato. L'elemento di controllo di questa commutazione nei convertitori DC/DC il più delle volte è costituito da un transistor MOSFET. Tuttavia, affinché all'uscita del dispositivo sia presente una tensione costante, sono necessari componenti aggiuntivi come condensatori e una bobina (bobina di arresto). Per quanto i condensatori in questo caso fungano da filtri, l'elemento induttivo è progettato per immagazzinare energia quando il dispositivo è in funzione, per restituirla in seguito. Inoltre, un diodo di silicio deve essere posizionato nel circuito del convertitore per controllare la direzione della corrente.

Convertitori di tensione: tipi

Sul mercato sono disponibili diversi tipi di convertitori di tensione, i più popolari sono:

  • convertitore step-down (buck) – per abbassare la tensione,
  • convertitore step-up (boost) – per aumentare la tensione,
  • convertitore step-up/down (SEPIC) – dispositivo che può funzionare sia per aumentare, che per ridurre la tensione di ingresso.

OKY3497-4 Convertitore: OKY3497-4

Inoltre esistono anche altre soluzioni, le più interessanti sono:

  • convertitore forward – tipo di convertitore DC/DC basato su un trasformatore. Si tratta di un elemento monostadio: l'energia prelevata dalla sorgente viene trasferita all'uscita in tempo reale. Grazie all'utilizzo di un trasformatore, l'alimentatore tipo forward consente la separazione galvanica tra l'ingresso e l'uscita. I convertitori forward vengono utilizzati in alimentatori switching la cui potenza non supera diverse centinaia di watt e saldatrici ad inverter.
  • convertitore flyback - tipo di convertitore DC/DC che utilizza anche la separazione galvanica tra ingresso e uscita. Si tratta di un dispositivo a due sezioni, nella prima sezione l'energia viene accumulata nel campo magnetico della bobina, per restituirla nella seconda sezione. Questo tipo di circuiti vengono utilizzati principalmente in alimentatori switching a bassa potenza.

Convertitore di tensione: a cosa prestare attenzione durante la scelta?

La scelta del convertitore appropriato dipende principalmente dall'apparecchio progettato. Se desideriamo progettare un piccolo dispositivo mobile, vale la pena prestare attenzione ai convertitori in versione miniaturizzata. In apparecchi più grandi, possiamo utilizzare convertitori di dimensioni maggiori, dotati di dissipatore di calore integrato per una facile dissipazione del calore. Inoltre è necessario determinare il tipo di convertitore necessario: step-up, step-down o step-up/down.

Se ciò che ci interessa sono basse perdite di energia, vale la pena di scegliere un convertitore di tensione con la massima efficienza possibile. Di serie, l'efficienza di questo tipo di apparecchiature rientra nella gamma 80-95%. Inoltre, vale anche la pena ricordare i parametri base dei convertitori, come ad es.: corrente di uscita massima, intervallo di tensione di uscita e intervallo di tensione di ingresso.

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