Un trucco per il vostro alimentatore

Un circuito che coinvolga un PWM di potenza può commutare la corrente al carico da 0 al massimo in pochi microsecondi e viceversa, ad una frequenza di centinaia o migliaia di hertz. 

A volte ci si trova a sperimentare circuiti che poi saranno alimentati da batterie a 12 o 24V e sappiamo che una batteria da autoveicolo è in grado di erogare picchi di centinaia di ampere, ovvero dispone di una impedenza interna molto bassa.

In Laboratorio raramente si trova pratico alimentare i circuiti con simili batterie e l'alimentatore da banco è la scelta comune. Però, ci sono pochi alimentatori, se non di ottima marca, che possono supportare carichi che assorbono rapidi impulsi di corrente vicini al massimo erogabile dall' alimentatore. 
Inoltre, la commutazione a frequenze alte genera disturbi che l'alimentatore può avere difficoltà ad assorbire. Sarebbe necessario un alimentatore con caratteristiche superiori, ma questo non sempre è possibile o conveniente.

Il problema si è posto sviluppando dei controller PWM per carichi a bassa tensione e con potenze da 150W; l'alimentatore in quel momento disponibile sul banco era un vecchissimo GBC da 30V-6A il quale presentava una netta instabilità quando veniva collegato un PWM da un po' di kHz con un carico costituito da una sola lampada auto da 55W.

Occorreva meno impedenza, più corrente di spunto. Erano possibili due vie.

La prima: collegare un accumulatore in parallelo all'uscita dell'alimentatore; l' accumulatore fa da "super condensatore" e riduce drasticamente l' impedenza del sistema di alimentazione. La cosa è extra semplice, ma limita la tensione erogabile a quella di mantenimento dell' accumulatore stesso e pertanto è praticabile solamente se utilizzate tensioni fisse. Inoltre richiede la disponibilità dell'accumulatore, è ingombrante e necessita di un diodo in serie tra alimentatore e batteria onde evitare sorprese che finiscono normalmente con la morte dell'alimentatore.

La seconda soluzione, adeguata per ogni tensione, è stata quella di inserire un robusto gruppo LC tra alimentatore e carico:

Si tratta semplicemente di una basetta con alcuni elettrolitici, preferibilmente low-esr.
Il valore complessivo dipende dal comportamento dell'alimentatore che supportano, nel senso che non debbono fornire tutta la corrente al carico, ma devono compensare l'assorbimento impulsivo. 

Perchè più condensatori in parallelo piuttosto che un elemento di grande capacità? Perchè un elemento da 5000uF è meno efficace che 5 da 1000uF. Quello che conta non è tanto il valore della capacità quanto la sua bassa resistenza interna assieme alla possibilità di fornire corrente. Elementi in parallelo aumentano il picco di corrente e riducono l'ESR. Trovate qui altre informazioni sull'argomento.

La tensione di lavoro dovrà essere sicuramente maggiore di quella prevista sul carico.

Dato che la commutazione sul carico produce rumore a frequenza elevata, è stata aggiunta una coppia di impedenze di bassissimo valore ohmico (per introdurre la minima caduta di tensione) oltre a condensatori poliestere o ceramici distribuiti sullo stampato, introducendo un filtro LC che impedisce il ritorno nell' alimentatore di componenti a frequenze elevate dovute alla commutazione. In sostanza, si crea un "isolamento dinamico" tra il carico in commutazione e la sorgente di alimentazione.

Disponendo di scelta, l' ideale è la massima induttanza con la minima resistenza.  Quelle usate nel prototipo sono recuperate da alimentatori per PC; si trovano nei filtri a pi-greco sulle tensioni di uscita. Sono costituite da poche spire di filo di grossa sezione avvolte su un nucleo cilindrico di ferrite . Il valore induttivo va tra 1 e 10uH e possono sopportare correnti di molte decine di ampere.

I condensatori poliestere o ceramici saranno tipicamente da 100 nF o valori analoghi.
Per gli elettrolitici non è il caso di eccedere: lo scopo è quello di fornire un supporto a bassa impedenza all'alimentatore. Valori complessivi attorno a 6000-9000 uF sono più che adeguati per carichi di molti ampere.

La R1 serve a scaricare i condensatori quando viene tolta l'alimentazione; per una tensione di 12V si potrà usare un resistore da 100ohm 3W, ma non è un valore critico.
In ogni caso, per non ritrovarsi con il blocco dei condensatori carico e l'alimentatore spento, la sequenza di accensione è:

• prima collegare il carico
• poi accendere l'alimentatore

e, all'inverso, nello spegnimento:

• prima spegnere l'alimentatore
• poi scollegare il carico

Qui una possibile realizzazione pratica, su una basetta mono rame, in questo caso recuperata dallo sviluppo di un sistema industriale di alimentazione e controllo per motori passo-passo di grande potenza.

Nella foto, i grossi condensatori sono dei 2200uF da 100V e l'insieme si è rivelato adatto per correnti di una decina di ampere.  Si tratta di un banco recuperato dal progetto di un controllo che comprendeva step motor di potenza. Dato che la realizzazione non è critica si potrà usare qualsiasi altra soluzione.

I condensatori da 100nF sono montati sul lato opposto per ragioni di spazio.

Il circuito stampato è isolato dal piano di appoggio con piedini in gomma; essendo "open air" il lato rame è stato passato con una mano di vernice isolante che elimina il rischio di contatti indesiderati.

In ingresso e uscita sono installate morsettiere aperte a vite, di facile accesso. Due brevi cavi, rosso e nero, per non sbagliare, e dotati di spine da 4mm di buona qualità, collegano il circuito all' alimentatore, mentre l'uscita è prelevabile dall'altra morsettiera. Per rendere la cosa il più universale possibile, sono stati usati cavi flessibili da strumentazione, per corrente di 30A, con una resistenza trascurabile. Ovviamente, si utilizzeranno conduttori in funzione dell' applicazione, tenendo presente che correnti elevate richiedono cavi di sezione adeguata e cavi di diametro troppo piccolo, oltre a surriscaldarsi, introducono una caduta di tensione non desiderata.

Con questo semplice sistema anche il vecchissimo alimentatore di oltre 20 anni fa, che impazziva già con carichi commutati a qualche centinaio di hertz, riesce a dare piena corrente su un carico switched a 20 kHz senza problemi.

Il circuito può essere usato anche nel caso in cui il carico si trovi ad una certa distanza dall'alimentatore per compensare l'impedenza introdotta dai cavi di collegamento.

Ovviamente, non ci si deve aspettare di poter modificare la tensione in uscita con rapidità senza carico, in quanto i condensatori offrono una elevata "inerzia" alla variazione di tensione, anche perchè non è proprio ragionevole utilizzare questo metodo senza un carico che provveda a scaricare i condensatori. Per l' uso previsto, i circuiti alimentati si aspettano una tensione fissa o limitatamente variabile ed eventuali variazioni ampie possono essere fatte prima delle prove.