Sai Come Prevenire le Fluttuazioni di Tensione?

Uno dei tipi più comuni di problemi relativi all'alimentazione è la fluttuazione della tensione di uscita. Questo problema è causato da vari fattori, inclusi variazioni della tensione di ingresso, cambiamenti imprevisti nella corrente di carico, malfunzionamenti del circuito di controllo di feedback, problemi di frequenza di commutazione, tolleranze dei componenti, variazioni di temperatura e invecchiamento dei componenti. 

Questo articolo esplorerà brevemente le cause della fluttuazione della tensione di uscita e fornirà spunti su come risolvere e prevenire questi problemi.

Variazioni della Tensione di Ingresso

La tensione di ingresso all'alimentatore (o al chip regolatore) potrebbe fluttuare superando i limiti massimi/minimi assoluti del chip regolatore. Il chip regolatore/controllore non è in grado di gestire queste variazioni e, a seconda della frequenza delle variazioni, la tensione di uscita potrebbe diminuire, aumentare o mostrare una quantità significativa di ripple. 

Ad esempio, si prega di guardare il diagramma di applicazione del famoso chip regolatore LM2576-5.0 [1] di Texas Instruments (Figura 1). È chiaramente indicato che l'intervallo di variazione della tensione di ingresso potrebbe essere compreso tra 7-40V (60V per la versione HV). Un altro esempio è il chip LNK30X, di Power Integrations (Figura 2) [2]. Qui, si menziona che la tensione di ingresso AC non dovrebbe superare i 265VAC, e non scendere sotto i 85VAC. Altrimenti, la tensione di uscita potrebbe fluttuare, specialmente sotto alcuni carichi.

Si dovrebbe notare che un alimentatore potrebbe non essere in grado di gestire variazioni di tensione improvvise e significative all'ingresso, anche se le variazioni rientrano nell'intervallo minimo/massimo. Questo può anche causare fluttuazioni della tensione di uscita.

Figura 1

Diagramma di applicazione del chip convertitore buck LM2576-5.0

Figura 2

LinkSwitch-TN Ingresso Universale, uscita 12V-120mA

Variazioni di Carico

L'alimentatore potrebbe non essere in grado di gestire improvvisi cambiamenti nel corrente di carico, il che porta la tensione di uscita a fluttuare. Ad esempio, se la capacità di erogazione di corrente di un alimentatore è valutata al massimo a 3A, e il carico improvvisamente richiede 4A, se ciò accade periodicamente, allora porterà la tensione di uscita a diminuire e fluttuare.

Inoltre, anche se la corrente del carico varia solo entro un intervallo limitato, l'alimentatore deve essere regolato e testato contro la “risposta del passo di carico”, utilizzando un carico DC. Per dirla semplicemente, un carico DC applica impulsi di carico periodicamente (per esempio: livello di corrente basso: 1A, livello di corrente alto: 3A) all'uscita dell'alimentatore mentre la tensione di uscita è monitorata per qualsiasi oscillazione. Questo è un test essenziale per le applicazioni in cui la corrente di carico potrebbe cambiare significativamente e frequentemente, come un'auto dove il conducente potrebbe accendere/spegnere spesso i fari, gli elementi riscaldanti, ... ecc. La figura 3 mostra un alimentatore non regolato [3]. La figura 4 mostra un alimentatore modificato/regolato [3] che supera il test di risposta del passo di carico.

Figura 3

Alimentatore non sintonizzato (Rosa: Impulso di Corrente, Giallo: Tensione di Uscita, Arancione: Tensione di Uscita (Media su 4P)

Figura 4

Alimentatore sintonizzato (Rosa: Impulso di Corrente, Giallo: Tensione di Uscita, Arancione: Tensione di Uscita (Media su 4P)

Anello di Controllo con Feedback

Questa è la ragione più probabile dietro tutte le fluttuazioni della tensione di uscita! Quindi, dovresti controllare questo per primo prima di cercare altri possibili problemi di fluttuazione della tensione di uscita. Un anello di controllo con feedback è semplicemente un percorso di circuito che permette al controllore/regolatore di rilevare l'uscita e stabilizzare la tensione. Qualsiasi malfunzionamento nel circuito di feedback porterà, nel migliore dei casi, a fluttuazioni della tensione di uscita. 

Il percorso di feedback è facile da individuare nei circuiti regolatori di tensione lineari e buck/boost. Per i convertitori flyback, i componenti minimi dell'anello di controllo con feedback sono l'optoaccoppiatore e il diodo Zener (o un regolatore shunt) (figura 5). Anche il diodo raddrizzatore di uscita e i condensatori di filtraggio giocano un ruolo significativo nella stabilizzazione dell'anello di controllo, che verrà discusso nella sezione "invecchiamento dei componenti".

Figura 5

Un circuito tipico di un convertitore flyback

Frequenza di Commutazione

Se si progetta/ripara un'alimentatore e la tensione di uscita è instabile, allora una probabile causa potrebbe essere una frequenza di commutazione errata. La frequenza di commutazione gioca un ruolo molto significativo nei calcoli e nei valori dei componenti. Una deviazione significativa dalla frequenza calcolata o qualsiasi instabilità può causare fluttuazioni della tensione di uscita.

Tolleranza dei Componenti

Gli alimentatori sono composti da vari componenti discreti, e le loro tolleranze dovrebbero rimanere entro un intervallo accettabile, ad esempio una tolleranza del 5%. Se questi componenti mostrano una tolleranza più alta o se si utilizzano componenti di bassa qualità, ciò può causare fluttuazioni della tensione di uscita o una riduzione dell'efficienza. Pertanto, se si progetta l'alimentatore, si dovrebbe rimanere il più vicino possibile ai valori calcolati. In caso di tentativo di riparazione, sostituire il componente difettoso con uno identico (valore, dimensione, tolleranza).

Variazioni di Temperatura

Naturalmente, gli alimentatori generano calore, quindi questo calore deve essere dissipato adeguatamente utilizzando dissipatori di calore e ventole. Altrimenti, il calore eccessivo impone stress termico sui componenti e riduce la loro durata, causando facilmente fluttuazioni della tensione di uscita. Inoltre, se la temperatura ambiente dell'ambiente di applicazione è alta o se non c'è una ventilazione adeguata, ciò può anche portare a fluttuazioni di tensione perché i componenti non possono raffreddarsi adeguatamente. 

Componenti in Invecchiamento

Con il tempo, le prestazioni dei componenti - specialmente i condensatori elettrolitici - possono diminuire, portando a guasti. La maggior parte delle volte, è evidente quando un condensatore elettrolitico cambia forma o appare rigonfio, ma a volte si asciugano senza alcun segno visivo. I condensatori di uscita rigonfi o asciutti sono una delle cause più comuni di fluttuazione della tensione di uscita perché i condensatori guasti influenzano le prestazioni del circuito di controllo di feedback e aumentano il ripple/rumore di uscita. 

Oltre a ciò, il principale condensatore di ingresso (dopo il raddrizzatore a ponte) o i condensatori di disaccoppiamento del chip di controllo potrebbero guastarsi e influenzare la tensione di uscita. Come regola generale, qualsiasi condensatore che ha perso oltre il 20% del suo valore di capacità originale dovrebbe essere sostituito. Quindi, un misuratore LCR è uno strumento indispensabile per qualsiasi tentativo di progettazione o riparazione di alimentatori. 

Questo video spiega tre modi per testare un guasto di un condensatore elettrolitico [4], senza misurare l'ESR. Se cercare e riparare singoli condensatori elettrolitici richiede troppo tempo, allora sostituire tutti i condensatori elettrolitici potrebbe essere una decisione saggia! La Figura 6 mostra un condensatore rigonfio.

Figura 6

Un condensatore elettrolitico rigonfio
 

Riferimenti

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Risposta del Carico a Gradino con un Carico Elettronico DC SIGLENT: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Come Rilevare Facilmente un Condensatore Guasto: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU