INFORMAZIONI TECNICHE

L'alimentatore AT-ATX SMPS

SMPS

Allora, come abbiamo fatto per la resistenza variabile del sistema lineare, sostituiamo l' interruttore con un transistor (in pratica i semiconduttori più usati negli alimentatori switching possono essere tanto transistor bipolari (BJT - Bipolar Junction Transistor) quanto IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o GTO  (Gate Turn On transistor) e transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor), i quali permettono rendimenti migliori.
Questo è possibile in quanto il transistor lavora molto bene come un interruttore, passando da resistenza 0 (chiuso, on) a resistenza infinita (aperto, off).

Questa tipo di funzionamento prende il nome di "modalità a commutazione" (in inglese switching mode).
Ovviamente demandiamo ad un controller elettronico la gestione del PWM e il gioco è fatto.

Un circuito simile prende, in inglese, la sigla SMPS (Switching Mode Power Supply), tradotto in italiano come Alimentatore a Commutazione.

Lo schema qui sopra è  una semplificazione estrema : i circuiti pwm reali possono essere parecchio complessi e fitti di componenti, perchè è necessario considerare molti altri fattori. Oltre a questo, le tipologie circuitali con cui è possibile ottenere un risultato analogo sono molteplici e la loro implementazione pratica diversissima . In generale chiamiamo switch mode tutti quei circuiti che funzionano su un principio analogo a quello ora spiegato.

Ma che cosa è cambiato dal regolatore lineare a questo switching ? 

• nel sistema lineare la riduzione della tensione e la sua stabilizzazione sono ottenute con l' aggiunta di una resistenza in serie, variabile, che agisce dissipando in calore l' energia in sovrappiù. Sostanzialmente, il sistema lineare assorbe una potenza maggiore di quella che rende e ne dissipa la differenza in calore : il rendimento è sempre minore di 1.

• il sistema a commutazione agisce, invece, parzializzando l' energia disponibile, ovvero non lasciando passare attraverso l' interruttore la parte che non serve. Teoricamente (ma solo teoricamente...) il rendimento è 1.

Il vantaggio sta proprio nel fatto che lo switching "non lascia passare" l' energia che non mi serve, aprendo l' interruttore al momento opportuno (ricordiamo l' esempio della vasca fatto prima) e quindi non deve buttarne via in calore, come invece deve fare il sistema lineare : sale il rendimento e scende la temperatura. Ovvero si riduce la necessità dei mastodontici dissipatori tipici degli alimentatori lineari, si riducono le dimensioni dei circuiti ed il consumo di energia dalla rete. 
I sistemi lineari hanno mediamente rendimenti non superiori al 50/60 %, mentre un alimentatore switch mode può benissimo arrivare andare dal 75% a oltre il 90%, con peso e dimensioni sensibilmente minori.

Perchè non il 100% ? Perchè se, teoricamente, il sistema dello switch ha perdite zero, nella pratica questo non è possibile e anche qui si ha una certa potenza persa e si genera calore.

Gli alti rendimenti si ottengono con soluzioni circuitali e componenti particolarmente raffinati, più complessi di quelli lineari perchè le perdite dipendono principalmente dalla commutazione del semiconduttore che funge da interruttore e dal complesso degli altri componenti necessari per il funzionamento, come i diodi di raddrizzamento. Quindi anche l' alimentatore switching scalda e consuma inutilmente potenza, ma lo fa in modo molto minore dell' equivalente lineare, per cui gli è preferito ogni qual volta sia necessario un rapporto ingombro/potenza/rendimento elevato.

Ma il lineare sopravvive ...

Un altro problema è viene considerato è che, per ottenere una tensione perfettamente livellata e priva di rumore di fondo, i regolatori lineari sono imbattibili; gli switching, per la loro stessa natura, generano più rumore sulla tensione continua e questo non è ben accolto da molte applicazioni. Ad esempio, la tensione continua che alimenta la parte audio della scheda madre è ottenuta in loco con un regolatore lineare per eliminare quanto possibile il forte rumore di fondo generato dalle alte frequenze che circolano attorno alla CPU. 

Nell' ingrandimento a lato è evidenziato con la freccia rossa un minuscolo regolatore lineare integrato a 5V (tipicamente 78L05) che alimenta il chip audio (visibile sulla destra, con il simbolo del granchio della Realtek).  Si notano anche due condensatori elettrolitici necessari per minimizzare qualsiasi componente di alternata presente sull' alimentazione e chi rifletterebbe negativamente sulla qualità del suono prodotto. Il foro e l' area stagnata per la vite di fissaggio della scheda madre, sulla sinistra, da l' idea delle dimensioni.

Si può anche rilevare che la complicazione circuitale dello switching rende meno sicuro l' intero complesso, a meno che si sia ricorso ad una progettazione e realizzazione perfette e pertanto costose, anche se attualmente si è resa disponibile una grande varietà di componenti specifici per la realizzazione di soluzioni switching e la qualità media di questi prodotti è decisamente buona.

Comunque i vantaggi ottenuti con gli alimentatori a commutazione, anche i meno raffinati, sono evidenti, tanto che la maggioranza degli alimentatori per elettronica sono basati su questo metodo; sta diventando anche comune disporre di alimentatori da laboratorio in cui ci sono componenti switch mode, situazione in cui fino ad ora i lineari erano sovrani e, anche se principalmente la preferenza per lo switching va alle applicazioni di una certa potenza, si stanno diffondendo soluzioni "semplici"  per piccolissimi switch mode da qualche watt o decina di watt. In effetti funzionano secondo questo principio tutti i wall plug di forma parallelepipedale, tipo gli alimentatori dei notebook o degli LCD, per intenderci, il che li rende leggeri e poco caldi.