Alimentatore isolato o non isolato? Ecco come fare la scelta giusta senza errori

Zachariah Peterson
|  Created: March 9, 2018  |  Updated: August 5, 2020

Alimentatori elettrici

Potrebbe arrivare un momento nella tua carriera di progettista di PCB in cui dovrai rispettare i requisiti normativi. Sia che si tratti di un progetto medico, automobilistico, militare o altro, verrà sicuramente esaminato e dovrà rispettare standard molto elevati. Spesso, quando queste normative sono in vigore, la differenza tra PCB isolato o non isolato  è un argomento ricorrente.

Cos'è l'isolamento elettrico e qual è la idfferenza tra un alimentatore isolato o non isolato? L'isolamento elettrico è quando l'alimentatore è isolato dal resto del circuito applicato. Queste organizzazioni sono tutte interessate a questo tema per ovvie ragioni, soprattutto in campo medico. Con un alimentatore non isolato che alimenta il circuito stampato medico, c'è un rischio maggiore che si verifichino pericolose scosse elettriche nell'alimentatore e nel dispositivo, potenzialmente dannose per l'utente (e forse anche per il paziente). Ahi!

La conoscenza della differenza tra alimentatore isolato o non isolato è una questione di sicurezza per il progettista e per l'utente. Non stiamo parlando degli alimentatori a corrente alternata o continua presenti in laboratorio. In molti sistemi di alimentazione e sistemi embedded, l'alimentatore è integrato nella scheda e non appare come un singolo circuito integrato. L'isolamento dell'alimentatore, anche quando è integrato nella scheda, è necessario per proteggere l'utente finale e le apparecchiature. Quindi facciamoci tutti un favore ed esaminiamo la differenza tra un alimentatore isolato e uno non isolato prima di iniziare il progetto.

Come capire se un alimentatore è isolato o non isolato?

Un alimentatore isolato è un alimentatore isolato elettricamente dal resto del circuito che alimenta, spesso tramite un trasformatore di isolamento. Ciò significa che l'alimentazione e la tensione sono trasferite dall'ingresso all'uscita senza un collegamento elettrico diretto tra le due sezioni. Questi alimentatori sono in grado di accettare una grande tensione di ingresso dalla rete elettrica CA e di convertire l'ingresso in una tensione inferiore. I successivi stadi PFC e regolatori sono utilizzati per limitare la corrente di uscita ad un valore stabile, il che assicura che i componenti a valle siano protetti da forti sbalzi di tensione e di corrente all'ingresso dell'alimentatore.

Per un'alimentazione in CC o CA di tipo da laboratorio, l'utente dovrà interagire con lo stadio di uscita dell'alimentatore isolato. In altre parole, potrebbe essere necessario collegare o scollegare i fili, regolare alcune impostazioni sul pannello frontale o gestire in altro modo l'alimentatore. Isolando l'ingresso dall'uscita, l'utente finale è a minor rischio di shock quando lavora con l'alimentatore. Quindi a questo punto si inizia a capire che il dilemma “alimentatore isolato o non isolato” è un problema riguardante la sicurezza dell’utente finale.Di seguito viene mostrata una topologia tipica per la conversione da CA a CC con un alimentatore isolato.

What is an isolated power supply for DC conversion

Isolato o non isolato? In questo caso, esaminiamo la topologia semplice per lo stadio di uscita di un alimentatore isolato tramite un trasformatore di isolamento.

Per la conversione CC-CC, un alimentatore isolato richiede prima di tutto la conversione di corrente continua ad alta potenza in un segnale CA (ad esempio con un convertitore LLC risonante), che viene poi ridotto ad una tensione inferiore con un trasformatore. Gli stadi di raddrizzamento/regolazione mostrati sopra convertono poi la nuova tensione di alimentazione CA sul lato di uscita in CC. Progetti più complessi, come un convertitore flyback o un altro convertitore CC-CC a commutazione isolata, utilizzeranno un MOSFET a commutazione per generare una forma d'onda variabile nel tempo, che viene poi ridotta sul lato di uscita e regolata.

I trasformatori forniscono isolamento galvanico

Un alimentatore isolato utilizza un trasformatore di isolamento per fornire isolamento galvanico tra la sezione di ingresso e quella di uscita. I trasformatori trasferiscono semplicemente la potenza tra le bobine utilizzando il campo magnetico generato da una corrente alternata in un solenoide e la tensione viene aumentata o diminuita, a seconda delle esigenze di potenza a valle. Il vantaggio dell'isolamento con un trasformatore è che non c'è un collegamento elettrico diretto tra le bobine di ingresso e di uscita sul trasformatore. Di conseguenza, i conduttori su ogni lato non si toccano tra loro. L'alimentazione viene trasferita tra le bobine solo tramite induzione. Pertanto, ogni cosa a valle del trasformatore è protetta dall'alta tensione/corrente sul lato di ingresso o, in altre parole, “isolata”.

Quando è necessario un loop di retroazione per il monitoraggio ed il controllo della potenza in uscita, un optoisolatore è normalmente usato per collegare l'uscita ad uno stadio regolatore precedente. Questo componente utilizza un diodo a infrarossi per garantire l'isolamento tra gli stadi di regolazione ad alta e a bassa potenza. Per gli alimentatori che funzionano a bassa tensione/corrente, un optoisolatore può di solito essere collegato direttamente all'uscita, sebbene ci sono alcuni circuiti integrati optoisolatori che possono ricevere livelli di tensione/corrente maggiori.

Alimentatore isolato o non isolato? Un punto in favore dell’alimentatore isolato è la sua efficienza. Tutti i trasformatori hanno alcune perdite, sia sotto forma di calore dissipato nell'avvolgimento sia a causa della magnetizzazione alternata nel nucleo. Il materiale magnetico utilizzato nel nucleo (di solito ferro o una lega ferromagnetica di ferro) diventa magnetizzato avanti e indietro quando la corrente alternata in ingresso oscilla. Quando il campo magnetico creato dall'ingresso CA è molto grande, può causare la saturazione della magnetizzazione nel nucleo, che limita la potenza di uscita (diminuisce l'efficienza) e crea maggiori perdite nel nucleo.

A power transformer
Alimentatore isolato o non isolato? In ogni caso bisogna considerare l’uso di un trasformatore. Ad esempio, questo tipo di trasformatore si può trovare in un grande alimentatore isolato.

Alimentatore isolato o non isolato? Questo è il problema

Ora che sappiamo cosa isola un alimentatore dalla scheda, è piuttosto ovvio che la rimozione del trasformatore dalla catena di progettazione lo rende improvvisamente un alimentatore non isolato. Progettare una scheda senza isolamento elettrico è una pratica comune, soprattutto quando non è controllata da agenzie di regolamentazione. Tuttavia, quando ti trovi davanti al dilemma “isolato o non isolato” ti esorto comunque a considerare l'utente finale lungo il percorso di progettazione, in quanto potrai risparmiarti una causa o due quando la corrente arriverà al ventilatore e darà al tuo cliente preferito uno shock che non dimenticherà presto.

Gli aspetti positivi dell’alimentazione non isolata sono numerosi. In primo luogo, godrai di più spazio sulla scheda rispetto a un progetto di alimentazione isolata perché non dovrai inserire un grosso trasformatore nell’involucro. Beneficerai anche di una maggiore efficienza con un alimentatore non isolato.

Overloaded circuit
Alimentatore isolato o non isolato: di sicuro la scelta del secondo tipo significa tenere sempre in conto il rischio di scosse elettriche. 

Vale la pena notare che è prassi comune collocare gli alimentatori non isolati a valle di un alimentatore isolato (a volte fisicamente separati tra loro). In questa strategia, l'alimentazione isolata viene posta sulla sorgente ad alta potenza CA o CC, che poi abbassa la tensione ad un livello abbastanza sicuro per un circuito di regolazione CC standard o IC. È una soluzione un po' più complessa ma ha il vantaggio di garantire la protezione adeguata così da soddisfare i requisiti di sicurezza. Un esempio può essere un alimentatore sanitario autonomo (isolato) che alimenta alcuni dispositivi (non isolati) a valle: in questo caso il dilemma “isolato o non isolato” ha portato a una soluzione che impiega in sicurezza entrambi i tipi di alimentatori.

Qual è la scelta giusta per te?

Come già detto in precedenza, questi alimentatori sono spesso necessari per le industrie regolamentate. Ne sono un esempio lo standard di sicurezza IEC 60601-1 per i dispositivi medici, IEC 62368-1 per le apparecchiature IT e AV (sostituisce IEC 60950-1 e IEC 60065) e IEC 61204-7:2016 per gli alimentatori a commutazione generici.

Dopo aver presentato i fatti, i vantaggi e le applicazioni, sai qual è la scelta giusta per te? Tieni presente che la creazione di un alimentatore isolato o non isolato è una scelta che riguarda non solo la sicurezza dell’utente finale, ma anche l’efficienza della scheda e lo spazio disponibile su essa, quindi bisogna sempre trovare il compromesso giusto per il determinato tipo di circuito che si sta progettando.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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