La realizzazione di un alimentatore non provvisto di un trasformatore ingombrante, costoso e pesante è una sfida dell’elettronica e fornisce uno spazio per interessanti soluzioni. Vediamo come progettare un sistema di alimentazione ad alta potenza senza utilizzare il trasformatore.

Introduzione

Un alimentatore sprovvisto di trasformatore utilizza la teoria della reattanza capacitiva per abbassare la tensione di rete CA in ingresso. Occorre ricordare, infatti, che la rete elettrica fornisce una tensione alternata di 230 VAC (o 110 VAC, a seconda della nazione di residenza) e la tensione in uscita deve risultare continua e il più livellata possibile. Per basse potenze di applicazioni non vi sono problemi di sorta, ma per correnti elevate gli alimentatori potrebbero diventare meno efficaci. Il concetto base si incentra sull’utilizzo di condensatori ad alta tensione per abbassare la tensione di rete al livello richiesto. La corrente disponibile all’uscita del circuito è direttamente proporzionale alla reattanza dei condensatori (e naturalmente alla loro capacità). Tale corrente, dunque, può essere aumentata semplicemente prevedendo il collegamento di più condensatori in parallelo, oppure utilizzando un condensatore di capacità molto grande. Esiste però il rischio di correnti di picco iniziali abbastanza elevate che potrebbero comportare seri problemi.

Schema elettrico di principio

La figura 1 mostra uno schema di principio di un alimentatore senza trasformatore che abbassa la tensione 230 VAC a 12 VDC con una erogazione teorica di 1 A. Il prototipo è utile solo per condurre esperimenti sull’alimentazione elettrica e non può essere usato per sistemi sensibili e definitivi, come dispositivi medicali o di sicurezza. Manca, infatti, l’isolamento tra l’ingresso e l’uscita. Tuttavia per applicazioni generiche la sua funzionalità è garantita. I componenti elettronici utilizzati sono i seguenti:

• C1: condensatore elettrolitico polarizzato 33000 microFarad, 25 VL;
• C2: condensatore poliestere non polarizzato >= 400 V, 10 microFarad;
• C3: condensatore poliestere non polarizzato >= 400 V, 10 microFarad;
• D1: diodo 1N4007;
• D2: diodo Zener 12 V, 3 W;
• D3: diodo 1N4007;
• D4: diodo 1N4007;
• D5: diodo 1N4007;
• D6: diodo 1N4007;
• D7: diodo 1N4007;
• D8: diodo 1N4007;
• D9: diodo 1N4007;
• D10: diodo 1N4007;
• D11: diodo 1N4007;
• D12: diodo 1N4007;
• D13: diodo 1N4007;
• R1: resistore 1 Ohm, 5 W;
• R2: resistore 10 Ohm. E’ il carico vero e proprio. Non inferiore a 10 Ohm;
• R3: resistore 470 kOhm, 1 W;
• R4: resistore 1 Ohm, 5 W;
• R5: fusibile da 200 mA.

Ogni componente elettronico ha la sua ben precisa funzione. Il circuito funziona seguendo un ben preciso meccanismo:

1. la corrente alternata a 230 V RMS passa attraverso il limitatore formato da C2 e C3. R3 ha la funzione di scaricare i condensatori, quando il circuito non è alimentato;
2. il super ponte di diodi 1N4007 (D10, D11, D6, D7, D1, D4, D3, D5, D9, D8, D12 e D13) raddrizza la tensione, spostando le semionde negative in positive. I diodi, essendo numerosi, si dividono la potenza, riscaldando di meno e mantenendosi nei limiti imposti dal produttore dei componenti;
3. R1 e R4 limitano leggermente la corrente, nel caso ci fosse una impedenza molto bassa dei condensatori durante l’attraversamento dello zero del segnale alternato;
4. Il fusibile R5, da 200 mA, protegge il diodo zener da un eccesso di corrente. Questo fatto può avvenire nel caso il carico venga a mancare. Il circuito presuppone la costante presenza del carico da 10 ohm.

Figura 1: schema elettrico di alimentatore da 12 V e 1 A senza trasformatore

Analisi delle correnti, delle tensioni e delle potenze

Esaminiamo, adesso, il funzionamento dinamico del circuito durante il suo funzionamento normale. Il carico da 10 Ohm deve essere collegato al sistema sin dall’inizio. L’alimentatore si attiva dopo un breve transitorio di circa 1 secondo, periodo nel quale il condensatore elettrolitico C1 ad alta capacità si carica. La tensione all’uscita, e quindi sul carico, si stabilizza sui 12 V, come si può vedere in figura 2.

Figura 2: la tensione di 12 V presente sul carico durante il funzionamento dell’alimentatore

Da questo momento il carico (di 10 Ohm) è attraversato da una corrente di circa 1.2 A con un assorbimento di ben 14.3 W. Esaminiamo adesso i valori di tensione, di corrente e di potenza sui componenti più critici. La tensione sui condensatori poliestere C2 e C3 è abbastanza alta, circa 320 V zero picco, come puoi osservare nell’oscillogramma di figura 3. Per questo motivo non si possono utilizzare i condensatori non polarizzati a 200 VL ma tale valore deve essere minimo 400 VL, meglio ancora se 630 VL. La capacità totale di questo gruppo capacitivo è di 20 uF.

Figura 3: la tensione sui condensatori poliestere di limitazione all’ingresso

Il grafico della figura 4 mostra, invece, la corrente che transita su ogni singolo diodo 1N4007. Il suo datasheet afferma che la corrente massima sopportabile dal componente è pari a 1 A anche se quella pulsante è maggiore. A ogni modo essa si attesta abbondantemente all’interno dei limiti massimi, proprio perché è stato utilizzato un alto numero di componenti a semiconduttori collegati in parallelo.

Figura 4: la corrente che attraversa ogni singolo diodo è contenuta nei limiti massimi sopportati dal componente

La corrente di picco sul diodo zener è pari a 150 mA, con un valore medio di 34 mA e RMS di 63 mA. Con il corretto carico inserito all’uscita, dunque, tale componente resta freddo e lavora correttamente senza alcun problema. Le resistenze di sicurezza R1 e R4, entrambe di 1 Ohm, sono attraversate da una corrente quasi sinusoidale di 2 A zero picco, come è possibile osservare in figura 5. Il valore RMS di tale corrente è di circa 1.4 A, per cui la dissipazione minima di tali componenti deve attestarsi sui 3 W. La forma d’onda di tale corrente (e della relativa tensione su queste resistenze) non è perfettamente sinusoidale ma si nota una specie di annullamento al passaggio dello zero, per effetto della caduta di tensione dei diodi. In pratica una sorta di distorsione d’incrocio.

Figura 5: la corrente che attraversa le resistenze di sicurezza R1 e R4

Il segnale di ripple all’uscita

Come si può osservare in figura 6, il ripple è abbastanza accettabile. Il suo valore picco picco è di circa 92 mV, corrispondente allo 0.75 %, valore più che accettabile per tipologie di carico non troppo complesse. La frequenza del ripple è, ovviamente, pari a 100 Hz.

Figura 6: il segnale di uscita è affetto da un segnale minimo di ripple

Attenzione allo spegnimento del circuito

Quando si spegne il circuito, i condensatori C2 e C3 potrebbero rimanere carichi molto a lungo e per questo motivo occorre prestare estrema attenzione. Si consiglia, pertanto, di collegare una resistenza da 470 kOhm in parallelo a questi condensatori di alta tensione, come evidenziato nello schema elettrico. Essa, in condizioni operative normali, non influisce sul normale funzionamento del circuito in quanto la sua dissipazione è di circa 110 mW. In assenza di alimentazione elettrica, invece, questa resistenza provvede a scaricare completamente i condensatori in circa 50 secondi, ma dopo 20 secondi il circuito non è più pericoloso (vedi grafico di figura 7).

Figura 7: il resistore R3 in parallelo ai condensatori C2 e C3 li scarica quando il circuito viene spento

Il rendimento

Il rendimento del circuito non è uno dei punti a favore di questo alimentatore. La presenza di troppe dissipazioni in calore abbassano notevolmente la resa finale. Un calcolo semplificato del rendimento prevede il rapporto tra potenza di uscita e potenza d’ingresso:

da cui:

per un rendimento finale del 69%. Non si può parlare certamente di efficienza massima.

La realizzazione di questo alimentatore non è conveniente

Visti tutti i potenziali problemi, possiamo affermare che risulta più conveniente implementare un alimentatore con un trasformatore tradizionale o di tipologia switching che allestire il circuito di queste pagine (vedi un esempio di realizzazione in figura 8). Gli aspetti negativi sono molteplici e possono essere riassunti come segue:

• costo elevato: i condensatori poliestere ad alta capacità e alta tensione costano tanto, probabilmente più di un piccolo trasformatore da 1 A. Inoltre, per il condensatore elettrolitico occorre sostenere una spesa importante;
• il circuito non è isolato dalla rete d’ingresso, pertanto è potenzialmente pericoloso. Inoltre il distacco o la rottura di un componente potrebbe comportare la distruzione di tutto l’intero dispositivo;
• il rendimento non è molto alto, per cui non è conveniente sottostare a tanti compromessi;
• la corrente massima di uscita si attesta a circa 1 A. Siamo ben lontani da carichi resistivi o induttivi che necessitano di 20 A o 30 A per funzionare.

Figura 8: una possibile realizzazione pratica dell’alimentatore senza trasformatore

Conclusioni

I circuiti di alimentazione senza trasformatore producono molti svantaggi e non possono essere utilizzati per scopi delicati e critici. Tali circuito non possono erogare alta corrente e l’uscita non risulta isolata dall’ingresso ad alta tensione. Inoltre al passaggio di picchi di tensione, dovuta alla corrente alternata a 50 Hz o 60 Hz, possono verificarsi grossi assorbimenti di corrente potenzialmente pericolosi per l’intero circuito, da parte dei condensatori. A ogni modo è sempre utile conoscere la teoria che sta alla base di questa tipologia di alimentatori, anche se in pratica non è conveniente scegliere tale soluzione.