INFORMAZIONI TECNICHE

L'alimentatore AT-ATX Il PWM

Il PWM

Lasciando l' idraulica per tornare agli elettroni, possiamo dire che, elettricamente, la cosa è ancora più interessante, in quanto, sfruttando l' inerzia di molti dispositivi, possiamo regolarli con questo giochetto dell' apri-e-chiudi. In pratica, oltre alle lampade, possiamo con semplicità variare la velocità di motori , come ad esempio quello del trapano elettrico (qui l'inerzia termica è sostituita da quella meccanica della massa in rotazione).
In sostanza si varia in un certo tempo la quantità di energia che si trasmette dalla rete all' apparecchiatura, un po' come se si variasse la tensione di alimentazione.

Perchè non utilizzare allora questo principio dell' interruttore proprio per variare la tensione ?.

Per ottenere una inerzia che compensi in qualche modo momenti in cui l' interruttore è aperto posso utilizzare un condensatore che immagazzina le cariche elettriche e le rende quando la tensione è assente.

Il principio non è male, ma ci si scontra con il problema di necessitare di grossi condensatori, la cui corrente e tempo di carica darebbe problemi, mentre sulla tensione di uscita sarebbe presente una ondulazione inaccettabile. Si può allora aggiungere anche una bobina, creando un circuito integratore..

Il rapporto tra il tempo di chiusura e quello di apertura   dell' interruttore viene intergrato dalla combinazione LC, che, se calcolata opportunamente, consente l' eliminazione della componente impulsiva, ottenendo una corrente continua ideale.

Ora, se torniamo un momento all' esempio della lampada e dell' interruttore vista in precedenza, abbiamo due vie per variare la luminosità :
- mantenere uguale il tempo di apertura e chiusura dell' interruttore e variare la frequenza della commutazione, ovvero quante volte al secondo apro e chiudo l' interruttore
- mantenere costante la cadenza di aperture e chiusure al secondo e variare la percentuale del tempo in cui chiudo e apro.
Normalmente viene scelta la seconda opzione in base ad una semplice considerazione : il valore di L e C viene calcolato per ottenere una corrente continua a partire dagli impulsi e dipende dalla frequenza di commutazione ; quindi, se vario la frequenza dovrei variare anche i valori di L e C per adattarli alla nuova situazione. Questo non è praticamente fattibile, per cui si ricorre al secondo metodo, che mantiene costante la frequenza del ciclo di commutazione mentre ne varia le proporzioni tra tempo di apertura e tempo di chiusura.
Questo approccio si chiama PWM ovvero Pulse Width Modulation, modulazione ad ampiezza di impulso.

Nello schema qui sotto alcuni esempi di PWM, con tempi di chiusura (Ton) e di apertura (Toff) diversi.

Il Tcyc, ovvero la cadenza di ripetizione della sequenza on/off, è mantenuto costante, ovvero ha sempre la stesa durata di tempo, mentre viene variato il rapporto tra il tempo Ton e il tempo Toff; quanto minore sarà il Ton rispetto al Toff, tanto minore sarà l' energia trasmessa e quindi la tensione disponibile. Essa è proporzionale al rapporto on/off e alla tensione di picco (Vp) in ingresso al commutatore. 

Il rapporto tra il tempo totale del ciclo Tcyc ed il tempo Ton si definisce in inglese "duty cycle".
La tensione di uscita, dopo il gruppo L-C dipende dalla tensione di ingresso Vp e dal duty cycle, in modo direttamente proporzionale.
Maggiore sarà il tempo Ton, maggiore sarà la tensione in uscita e viceversa.
In modo sintetico si può scrivere che :

Vout = Vp * duty cycle

Nell' esempio, con una Vp = 24V e un tempo di on pari al 25% (1/4) del ciclo, la tensione in uscita sarà 6V.
Quando il ciclo è composto al 50% (/1/2) di Ton e Toff, la tensione sarà pure il 50% di quella di ingresso (12V), mentre quando il Ton occupa il 75% (3/4) del ciclo la tensione di uscita sarà 18V.
Ovviamente se il Toff è il 100%, la tensione è zero, se il Ton è il 100% la tensione è il massimo.

Con questo (apparentemente) semplice sistema è possibile teoricamente ottenere qualsiasi Vout da qualsiasi Vp, senza (sempre teoricamente) nessuna energia persa per caduta di tensione, ovvero in calore.