Con i consumi dei moderni PC in crescita, gli utenti devono fare i conti con maggiori requisiti di alimentazione.
maggio 2004 L’alimentatore è un elemento chiave nell’assemblaggio
di un personal computer ed assolve a diverse funzioni:
1) la conversione della tensione dai 220 V alternati della rete
elettrica alle tensioni richieste dalla scheda madre e dalle periferiche
2) la rettificazione da corrente alternata a corrente continua
3) il filtraggio per ridurre al minimo l’ondulazione e
il rumore sulle tensioni di uscita
4) la regolazione, per fornire tensioni di uscita stabili, entro
le tolleranze previste, e indipendenti dalle variazioni di tensione di linea e
di corrente assorbita
5) l’isolamento elettrico tra la rete elettrica e le uscite
a corrente continua.
Switching
I PC, da molti anni, utilizzano alimentatori in modalità switching (commutazione),
in alternativa agli alimentatori lineari di un tempo, voluminosi, pesanti e
poco efficienti.
Un alimentatore switching (SMPS, Switching Mode Power Supply)
funziona a frequenza molto superiore rispetto ai 50 (o 60) Hz della rete elettrica
e utilizza circuiti di commutazione basati su componenti a basse perdite energetiche.
L’azione di switching, ovvero del commutare le polarità
con cui viene alimentato il trasformatore che fornisce le diverse tensioni di
uscita, viene eseguita da semiconduttori di potenza pilotati in modo da fungere
da interruttori.
Diversamente da un circuito amplificatore, dove il segnale
in uscita da un transistor riflette fedelmente il segnale in entrata, con maggiore
escursione di tensione o corrente, un transistor che funge da interruttore ha
solo due stati: alta resistenza (spento) o bassissima resistenza (acceso), entrambi
caratterizzati da una minima dissipazione di potenza.
I semiconduttori usati in un alimentatore switching possono essere
transistor bipolari BJT (Bipolar Junction Transistor o IGBT, Insulated
Gate Bipolar Transistor), transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)
o thyristor (SCR o triac); nei casi più comuni si impiegano BJT e MOSFET.
Circuito
Lo schema di un alimentatore per PC, per quanto possa essere complesso, presenta
alcune parti fondamentali ben individuabili. Il primo blocco,
a ridosso della connessione alla rete elettrica, filtra la tensione, la raddrizza
(tramite un ponte di quattro diodi) per fornire corrente continua agli stadi
successivi e, soprattutto in Europa, modifica l’impedenza del circuito
per correggere il fattore di potenza, un indice dell’efficienza del circuito.
La tensione continua viene fornita ai circuiti di controllo e ai transistor
di potenza che, pilotati ad alta frequenza, alimentano l’avvolgimento
primario del trasformatore che fornisce le diverse tensioni di uscita.
A seconda di quale dei due transistor funge di volta in volta da interruttore
chiuso, il primario viene alimentato con un segnale positivo o negativo, che
si alterna migliaia di volte al secondo.
Grazie al funzionamento ad impulsi ad alta frequenza, questo trasformatore
dissipa poca potenza ed è quindi di piccole dimensioni; idealmente può
essere realizzato avvolgendo il primario e i secondari su un nucleo toroidale
di ferrite, un materiale ad alta permeabilità magnetica composto di polveri
ferromagnetiche e modellabile nella forma desiderata.
I circuiti di controllo hanno diverse funzioni, tra cui il
pilotaggio ad alta frequenza dei transistor di switching, la regolazione delle
tensioni di uscita, la diagnostica interna, la protezione da corto circuito
e sovracorrenti di uscita, la protezione da tensione d’ingresso insufficiente
e l’invio del segnale Power Good (o Power OK) necessario alla motherboard
per avviare il processore e i circuiti.
Questo segnale è fornito solo finché l’alimentatore si
trova in condizioni operative regolari e viene sospeso se si verifica una condizione
anomala, per esempio un sovraccarico o una tensione di rete insufficiente (che
tra l’altro causerebbe errori di elaborazione).
A valle del trasformatore pilotato dai transistor di switching, la tensione
alternata viene raddrizzata su ciascuno dei secondari in modo da fornire le
uscite principali a 3, 5, 12 V e quelle a -5 e -12 V, retaggio del passato.
L’uscita standby a 5 V, necessaria per alimentare i circuiti di accensione
e risveglio (da LAN e modem) della motherboard viene prodotta da un circuito
separato (non switching) che può avere un proprio trasformatore di alimentazione.
Il circuito deve essere in grado di mantenere le tensioni di uscita per un
periodo intorno ai 20 ms in assenza di tensione di ingresso, in modo da essere
insensibile a variazioni di rete di breve durata.
