Come funziona un alimentatore stabilizzato e come è composto?

Nelle apparecchiature elettroniche l’alimentatore è la parte che fornisce energia ai circuiti per farli funzionare correttamente. Molti dispositivi elettronici hanno bisogno di essere "polarizzati" per poter eseguire la loro funzione, cioè devono essere attraversati da una corrente costante e devono avere ai loro capi una differenza di potenziale costante; i segnali da elaborare consistono in "piccole" variazioni intorno a questi valori costanti di tensione e corrente (piccole nel senso che le grandezze  circuitali possano essere considerate lineari rispetto a tali variazioni).

Le grandezze caratteristiche con cui vengono elaborati i segnali (ad esempio il guadagno di un circuito di amplificazione) dipendono dal "punto di lavoro", cioè dai valori delle correnti e delle tensioni costanti a cui sono polarizzati i circuiti, quindi è comprensibile l’utilità di un alimentatore stabilizzato, cioè di un alimentatore che fornisca una tensione costante indipendentemente dal carico, dall’alimentazione primaria, dalla temperatura, ecc.

Un circuito che fornisca una tensione costante indipendentemente dalla corrente che viene assorbita dal carico è un generatore ideale di tensione, cioè un oggetto che ha una resistenza di uscita nulla; è quindi buona norma costruire alimentatori con una resistenza di uscita abbastanza piccola da far sì che le variazioni di corrente attese diano luogo a variazioni di tensione accettabili.

Le variazioni della tensione di linea sono di solito attenuate mediante condensatori di filtraggio.

Per le variazioni in temperatura si utilizzano opportune compensazioni.

Tutto questo non rende ancora un alimentatore stabilizzato, la vera stabilizzazione è data dal controllo a retroazione, che riesce ad attenuare facilmente tutte le variazioni in un colpo solo.

L’idea del controllo a retroazione è semplice: consiste nel misurare continuamente la grandezza da controllare e confrontarla con un riferimento stabile (ad es. una pila campione), se la grandezza da controllare risulta maggiore del riferimento viene generato un segnale (viene chiamato segnale di errore) negativo, che diminuisce l’uscita; viceversa il segnale positivo incrementa la grandezza di uscita. Uno schema di principio di un alimentatore stabilizzato è riportato in figura:

VR rappresenta la tensione di riferimento, AV è un amplificatore di tensione ad alto guadagno, seguito da un finale in grado di erogare la corrente necessaria al carico, f è il fattore di feedback (retroazione in inglese), e VIN è l’alimentazione primaria (già raddrizzata e trasformata). La sorgente di riferimento (ad esempio uno Zener compensato in temperatura) non dovrà erogare corrente per evitare le variazioni di tensione descritte sopra, quindi l’amplificatore AV dovrà avere una impedenza di ingresso opportunamente alta (una buona scelta in questo caso è data da una cella differenziale, che automaticamente provvede a svolgere il confronto tra la VR e la VOUT riportata in ingresso).

La tensione di uscita sarà quindi data dal guadagno AV che moltiplica la differenza tra VR e f  VOUT.

Risulta  

Al crescere dell’amplificazione VOUT tende a VR/f, si ha cioè che la tensione di uscita è pari ad una frazione nota e controllabile della tensione di riferimento (ad es se f=1 VOUT=VR), indipendentemente dalle altre caratteristiche del circuito. Anche rispetto alle altre variazioni (l’impedenza di uscita, la variazione dell’alimentazione…) si ha un miglioramento dell’ordine di (1+fA); questa è la grande utilità della retroazione.

Esiste un’altra tipologia di alimentatori detti Switching (a commutazione) in cui la tensione di rete viene trasformata in un’onda quadra a frequenza molto maggiore; il controllo a retroazione è operato sulla tensione o sul duty dell’onda quadra (l’alta frequenza facilita l’operazione di trasformazione).

Chi vuole approfondire non ha che l’imbarazzo della scelta: l’argomento dei controlli automatici è una vasta branca di studio che unisce la teoria dei segnali e dei sistemi all’elettronica applicata, qui riporto alcuni titoli.

P.Marietti, L.Franchina, Sistemi elettronici a banda frazionale larga
A.S.Sedra, K.C.Smith, Microelectronic circuits
A.Isidori, Controlli Automatici