Cos’è un Alimentatore?
Un alimentatore è un dispositivo elettrico che serve a trasformare e raddrizzare una corrente elettrica alternata per poterla utilizzare secondo le specifiche del dispositivo alimentatore.
In generale, un alimentatore è un dispositivo elettronico che serve a trasformare e raddrizzare una corrente elettrica alternata, per poterla utilizzare secondo le specifiche del dispositivo stesso.
Caratteristiche Fondamentali
Gli alimentatori permettono di ottenere in uscita una tensione continua (fissa oppure regolabile, a seconda del modello), a partire da una tensione in ingresso alternata (tipicamente 220V). Questa è la loro principale finalità.
Componenti Principali di un Alimentatore
Possiamo idealmente scomporre l’alimentatore nelle sue componenti principali:
- Trasformatore: riduce (o aumenta) la tensione della rete di alimentazione collegata al suo ingresso.
- Raddrizzatore: trasforma la corrente alternata fornita dal trasformatore in una corrente continua (quandi unidirezionale) pulsante.
- Filtro Livellatore: livella la corrente pulsante uscente dal raddrizzatore, rendendola più uniforme e costante.
- Stabilizzatore: stabilizza, cioè mantiene costante la tensione di uscita, anche in presenza di variazioni della rete elettrica che di carico applicato.
Il Raddrizzatore
Il raddrizzatore riceve in ingresso una tensione di tipo sinusoidale e fornisce in uscita una tensione non sinusoidale e che rimane continua, avente una sola polarità. Il dispositivo raddrizzatore classico è il Diodo, che consente il passaggio della corrente in una sola direzione.
Il raddrizzatore può operare in due modi distinti.
Raddrizzamento ad Una Semionda
Una raddrizzatore a una semionda, come suggerisce già il suo nome, sfrutta solo una semionda del segnale sinusoidale in ingresso; il vantaggio peculiare di questo raddrizzatore è di fornire sempre una tensione pulsante, ma serva il “valore” fornito dai semiperiodi non raddrizzati nella versione di una sola semionda.
Raddrizzamento a Due Semionde
Il raddrizzatore a due semionde può essere realizzato con due differenti circuiti:
- Con trasformatore a presa centrale e due diodi
- Con trasformatore semplice e 4 diodi (chiamato anche a ponte di Graetz)
Dal grafico che segue è possibile vederne sia la semionda positiva, che viene vengono invece raddrizzate, pertanto la forma di onda risultante sarà sempre pulsante, ma completa.
Funzionamento del Diodo
Durante la semionda Positiva del segnale in ingresso, il diodo si comporta come un corto circuito (a meno della tensione di soglia, tipicamente 0,7V per i diodi al Silicio), permettendo il passaggio della corrente in uscita.
Quando invece il segnale inviato è Negativo del segnale, il diodo si comporta come un circuito aperto, impedendo la corrente di rifluire in uscita in una tensione continua.
Il Ponte di Graetz
Per capire meglio il funzionamento, prendiamo come esempio il circuito a ponte di Graetz:
Durante la semionda Positiva: la corrente scorre attraverso il Diodo 2 (il quale è polarizzato direttamente), poi scorre il carico, e infine attraversa il Diodo 4 (anche lui polarizzato direttamente), richiudendosi all’altro capo del generatore.
Durante la semionda Negativa: la corrente scorre attraverso il Diodo 3 (il quale è polarizzato direttamente), poi scorre il carico, e infine attraversa il Diodo 1 (anche lui polarizzato direttamente), richiude all’altro capo del generatore.
Il Livellatore
Il livellatore serve a uniformare il più possibile la tensione continua forma dal raddrizzatore, preparandola per il circuito stabilizzatore.
Possiamo chiarire come esempio due tipologie di livellatori:
- Con un semplice condensatore
- Con due condensatori ed una induttanza, posti in configurazione a “filtro passa-basso”
Livellatore con Semplice Condensatore
Prendiamo ora come esempio il primo circuito, che utilizza un semplice condensatore elettrolitico: dal grafico che segue si può vedere che la tensione in uscita risulta più livellata e stabile. Vediamo perché:
Al punto (A) il condensatore si carica al massimo valore di $V_{in}$. Poi quando la tensione pulsante in ingresso comincia a scendere il condensatore inizia istantaneamente a scaricarsi per poi tornare istantaneamente alla salita fin al valore $V_{in}$. Fino a quando è presente una tensione pulsante $V_{in}$ all’ingresso, questo ciclo si ripete ad ogni fine periodo.
Questo fenomeno, quasi impercettibile a vista, risulta invece più marcato e difficilmente visibile con il carico, quando anche l’ondulazione scende molto rapidamente: il condensatore al inizio a scaricarsi più rapidamente.
Livellatore con Filtro L-C
Il secondo circuito, formato dal filtro a π composto da due condensatori e della induttanza, si comporta esattamente nello stesso modo, quando l’ondulazione della tensione in uscita sarà sempre presente. Lo scopo dell’induttanza è isolare ed eliminare eventuali disturbi presenti sulla rete (ad es. i famosi 50Hz) che potrebbe interferire con la stabilizzazione.
Lo Stabilizzatore
Un semplice circuito di stabilizzazione può essere realizzato utilizzando un Diodo Zener, cui viene posta in serie una resistenza per limitare la corrente. Senza questa resistenza, la corrente attraverso lo Zener si danneggierebbe.
Questo tipo di stabilizzatore viene principalmente usato come riferimento di tensione per circuiti più complessi, dove sono presenti transistor di potenza, ai quali viene poi demandato il compito effettivo di stabilizzazione. Il circuito a seguire svolge il compito di stabilizzazione a monte dell’uscita.
La Resistenza di Bleeder
Ricordiamo che, in un buon alimentatore, troveremmo una resistenza, chiamata resistenza di Bleeder, collegata in parallelo al condensatore elettrolitico di filtro e/o in tandem della uscita. Il suo scopo è quello di scaricare il condensatore quando l’alimentatore è spento per proteggere l’utente da shock elettrici.
I Due Tipi di Alimentatori
Esistono due principali categorie di alimentatori:
- Alimentatori di tipo LINEARE
- Alimentatori di tipo SWITCHING
Entrambi i tipi permettono di ottenere in uscita una tensione continua (fissa oppure regolabile, a seconda del modello), partendo da una tensione in ingresso alternata (tipicamente 220V).
Differenze Costruttive Principali
Le differenze costruttive tra i due tipi sono notevoli. In particolare, dal punto di vista della circuiteria elettronica che li compone, ma i parametri che si possono subito notare sono:
- DIMENSIONI e PESO
Alimentatori Lineari
Un alimentatore di tipo lineare utilizza un trasformatore per convertire la tensione alternata in ingresso a un livello più basso. Il segnale viene quindi raddrizzato e filtrato per ottenere una tensione continua stabile.
Caratteristiche
- Trasformatore di potenza: elemento principale, ingombrante e pesante
- Raddrizzatore: converte AC in DC
- Filtro: stabilizza la tensione in uscita
- Regolatore: mantiene la tensione costante al variare del carico
- Basso livello di rumore e distorsione armonica
- Generano calore significativo durante il funzionamento
Alimentatori Switching
Un alimentatore di tipo switching funziona secondo un principio completamente diverso. Invece di ridurre la tensione mediante un trasformatore, la tensione alternata viene dapprima raddrizzata, e poi convertita in una sequenza ad alta frequenza di impulsi (switching).
Caratteristiche
- Circuito switching ad alta frequenza: sostituisce il trasformatore di potenza
- Molto più compatti e leggeri paragonati ai lineari
- Migliore efficienza energetica: meno calore dissipato
- Maggiore rumore elettromagnetico: a causa della commutazione ad alta frequenza
- Più complessi da progettare e riparare
- Più sensibili alle variazioni di carico
Confronto Diretto
| Parametro | Lineare | Switching |
|---|---|---|
| Dimensioni | Grandi | Compatte |
| Peso | Pesante | Leggero |
| Efficienza | Bassa (60-70%) | Alta (80-95%) |
| Rumore | Basso | Elevato |
| Calore dissipato | Significativo | Minore |
| Costo | Inferiore | Superiore |
| Complessità | Semplice | Complessa |
| Affidabilità | Elevata | Buona |
Quale Scegliere?
La scelta tra alimentatore lineare e switching dipende dall’applicazione specifica:
Preferisci un Alimentatore Lineare se:
- Hai esigenze di basso rumore (amplificatori audio HiFi, ricevitori sensibili)
- Devi alimentare carichi molto variabili
- Preferisci semplicità e robustezza
- Lo spazio non è un vincolo critico
- Hai budget limitato
Preferisci un Alimentatore Switching se:
- Lo spazio è limitato (portatili, radio mobili)
- Efficienza energetica è importante
- Devi minimizzare il calore prodotto
- Alimenterai dispositivi moderni a basso consumo
- La portabilità è criterio fondamentale
Considerazioni Pratiche per Radioamatori
Nel contesto della radiotecnica amatoriale:
- Per trasmettitori VHF/UHF: alimentatori switching sono preferibili per compattezza
- Per amplificatori audio e ricezione: alimentatori lineari sono solitamente migliori
- Per stazioni portatili/mobili: switching è praticamente obbligatorio
- Per laboratori e stazioni fisse: lineare è spesso la scelta ideale
Specifiche Importanti
Quando scegli un alimentatore, verifica sempre:
- Tensione nominale di uscita: 12V, 24V, variabile, etc.
- Corrente massima: deve superare il consumo massimo del dispositivo
- Protezioni: cortocircuito, sovratensione, sovracorrente
- Stabilità: ripple (ondulazione) in uscita il più basso possibile
- Connettori: compatibili con i tuoi dispositivi
$$P = V \times I$$
Dove:
- P = Potenza (in Watt)
- V = Tensione (in Volt)
- I = Corrente (in Ampere)
Assicurati che la potenza nominale dell’alimentatore sia almeno il 25-30% superiore al consumo massimo previsto, per garantire affidabilità nel tempo.