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Alimentatori lineari

Nel mondo dell'elettronica, gli alimentatori sono i dispositivi che assicurano che tutto funzioni senza intoppi e correttamente.Tra i diversi tipi disponibili, gli alimentatori lineari sono noti per fornire un flusso costante e affidabile di elettricità con un rumore pochissimo.Questo articolo spiegherà come funzionano gli alimentatori lineari, di quali parti sono fatte e dove sono più utili.Li confronteremo anche con altri tipi di alimentatori, aiutandoti a capire perché sono ancora scelti per determinate situazioni, anche se sono disponibili opzioni più recenti e più efficienti dal punto di vista energetico.

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Figura 1: alimentazione lineare

Cos'è un alimentatore lineare?

Un alimentatore lineare è un tipo di dispositivo di alimentazione che fornisce un'uscita di tensione costante e coerente regolando continuamente la resistenza.Questo metodo evita l'uso di una rapida commutazione, rendendolo più semplice e ideale per fornire energia pulita e affidabile a vari dispositivi elettronici.

Il processo inizia con un sistema di feedback che controlla costantemente la tensione di uscita.Questa tensione viene confrontata con una tensione di riferimento impostata utilizzando un amplificatore differenziale, un circuito che aiuta a garantire l'accuratezza.Se la tensione di uscita è diversa dal riferimento, l'amplificatore genera un segnale per correggere la differenza.Questo segnale controlla una parte chiamata Elemento Pass, che potrebbe essere un transistor transistor o un transistor ad effetto campo (FET).L'elemento Pass funziona come una resistenza variabile, che regola la sua resistenza per mantenere la tensione al giusto livello.

Ad esempio, se la tensione di ingresso aumenta, l'elemento Pass aumenta la sua resistenza per impedire l'aumento della tensione di uscita.D'altra parte, se la tensione di ingresso diminuisce, l'elemento passa abbassa la sua resistenza per consentire una maggiore corrente, garantendo che la tensione di uscita rimanga stabile.

Questa regolazione continua garantisce che l'alimentazione fornisca una tensione coerente, anche quando la tensione di ingresso o il carico cambia.La semplicità dell'alimentazione lineare lo rende affidabile e produce pochissima rumore elettrico, che è utile per i dispositivi che necessitano di energia stabile.Tuttavia, questo tipo di alimentazione è generalmente meno efficiente perché l'energia extra viene rilasciata come calore, il che significa che potrebbe richiedere sistemi di raffreddamento più grandi e utilizzare più potenza.

Componenti di un alimentatore lineare

Figura 2: componenti di un alimentatore lineare

Trasformatore di input di alimentazione

In un alimentatore lineare, il trasformatore è il primo componente che interagisce con la potenza CA dalla rete.Il suo lavoro principale è quello di cambiare la tensione a un livello adatto al dispositivo, abbassandolo (che è più comune) o aumentandolo, a seconda delle esigenze del dispositivo.Il trasformatore fornisce inoltre protezione separando l'alimentazione dalla rete, riducendo il rischio di pericoli elettrici.Nelle applicazioni di alimentazione più elevata, il trasformatore può essere piuttosto grande, il che aumenta le dimensioni e il peso complessivi dell'alimentazione.A seconda di come è progettato l'alimentazione, il trasformatore può avere Uno o più avvolgimenti secondari per produrre diverse tensioni di uscita.

Rettificatore

Una volta che il trasformatore ha regolato la tensione, la potenza CA deve essere convertita in potenza DC, che viene eseguita dal rettificatore.Il rettificatore è una parte cruciale dell'alimentazione e si presenta in diverse configurazioni. Rettifica a mezza onda Utilizza un singolo diodo per convertire solo la metà del ciclo CA in DC, rendendolo meno efficiente e producendo più fluttuazioni nell'output, che sono più difficili da appianare. Rettifica a onda piena è più efficiente e utilizza entrambe le metà del ciclo CA.Questo può essere fatto con un trasformatore toccato al centro e due diodi o con una configurazione del raddrizzatore del ponte che utilizza quattro diodi.Il raddrizzatore del ponte è più comunemente usato nei design moderni perché è più efficiente.I rettificatori moderni di solito usano diodi a semiconduttore Come i diodi della giunzione PN o i diodi Schottky.I diodi di Schottky sono spesso scelti perché perdono meno tensione quando la corrente passa attraverso di essi, il che li rende più efficienti, sebbene possano permettere a qualche corrente di perde e avere una soglia di tensione inferiore prima di rompersi.

Condensatore levigante

Dopo che il raddrizzatore converte l'AC in DC, l'uscita non è perfettamente liscia e contiene fluttuazioni in tensione che non sono desiderabili per la maggior parte dei circuiti elettronici.Il condensatore levigante aiuta a farlo anche queste fluttuazioni Caricandosi durante i punti alti della forma d'onda rettificata e rilasciando la carica quando la forma d'onda scende.Questo aiuta a farlo Mantieni la tensione CC più stabile.Sebbene il condensatore riduca notevolmente le fluttuazioni, non le rimuove completamente.La capacità del condensatore di ridurre queste fluttuazioni dipende dalle sue dimensioni e dalla quantità di corrente necessaria.

Regolatore di tensione

Il regolatore di tensione è il componente principale di un alimentatore lineare, garantendo che la tensione di uscita rimanga stabile anche se la tensione di ingresso o il carico cambia.Esistono due tipi principali di regolatori lineari: Shunt Regulator e regolatore di serie.

Il regolatore di shunt è meno comune e funziona posizionando un componente variabile attraverso il carico, che assorbe la corrente extra per mantenere costante la tensione di uscita.Questo tipo di regolatore viene utilizzato quando è necessario un controllo preciso della tensione, anche se potrebbe non essere molto efficiente.A causa della sua minore efficienza, viene in genere utilizzato solo in situazioni specifiche.

Il regolatore della serie è il tipo di regolatore lineare più utilizzato.In questa configurazione, una resistenza variabile viene inserita in serie con il carico e il circuito di controllo regola la resistenza per mantenere la tensione di uscita desiderata.La semplicità e l'efficacia del regolatore della serie lo rendono una scelta popolare per molti progetti di alimentazione lineare.Fornisce un buon controllo di tensione con un design relativamente semplice, rendendolo adatto per una vasta gamma di usi.

Vantaggi e svantaggi delle alimentatori lineari

Vantaggi

Gli alimentatori lineari hanno diversi vantaggi, in particolare in situazioni in cui sono necessarie stabilità e funzionamento silenzioso.Uno dei vantaggi principali è che creano molto piccolo rumore.A differenza delle alimentatori di commutazione che attivano e disattivano rapidamente la corrente, gli alimentatori lineari mantengono costantemente la corrente.Questa mancanza di una rapida commutazione significa che non creano molte interferenze elettromagnetiche, rendendoli una buona scelta per delicati dispositivi elettronici come sistemi audio, apparecchiature mediche e strumenti che necessitano di misurazioni precise.

Un altro vantaggio è il loro prestazioni affidabili.Gli alimentatori lineari sono in circolazione da molto tempo e la loro tecnologia è ben nota e affidabile.Poiché sono stati usati per così tanti anni, le loro prestazioni sono coerenti e ben comprese.Ingegneri e designer possono contare su queste forniture per funzionare in modo coerente, il che è molto utile in situazioni in cui l'affidabilità è un must.

Svantaggi

Tuttavia, gli alimentatori lineari hanno alcuni svantaggi, principalmente quando si tratta di quanto usano l'energia e le loro dimensioni.Uno dei più grandi svantaggi è il loro bassa efficienza.Queste forniture di solito usano solo circa il 50% dell'energia di input in modo efficace, con l'altra metà sprecata, di solito come calore.Questa bassa efficienza si verifica perché l'alimentazione controlla la tensione eliminando l'energia extra, il che spreca molta energia.

Questa energia sprecata porta a un altro problema: generazione di calore .L'energia che non viene utilizzata crea calore, che deve essere gestita per evitare che l'alimentazione e i dispositivi collegati vengano danneggiati.Questo spesso significa aggiungere parti extra come dissipatori di calore o ventole di raffreddamento, il che può rendere il design più complicato e aumentare i costi.

Infine, gli alimentatori lineari lo sono più grande e più pesante che commutando gli alimentatori.Hanno bisogno di grandi trasformatori per ridurre la tensione e le parti aggiuntive per gestire il calore, rendendo ingombranti questi alimentatori.Questo può essere un grande svantaggio in situazioni in cui lo spazio e il peso sono importanti, ad esempio nei dispositivi portatili o compatti.

Applicazioni di alimentatori lineari

Figura 3: applicazioni di alimentatori lineari

Gli alimentatori lineari, sebbene non efficienti dal punto di vista energetico come le loro controparti di commutazione, sono spesso scelti per situazioni specifiche in cui è necessaria una potenza costante e priva di rumore.Questi alimentatori sono particolarmente utili in ambienti in cui è necessaria una potenza stabile e pulita senza le interruzioni che possono arrivare con gli alimentatori di commutazione.

Nelle apparecchiature audiovisive, gli alimentatori lineari sono molto utili per amplificatori audio di alta qualità e dispositivi audio sensibili.Forniscono un'uscita di tensione regolare e costante, che è importante per mantenere intatta la qualità del suono.La commutazione degli alimentatori può talvolta introdurre rumore e picchi che possono interferire con i segnali audio, portando a una distorsione del suono o interferenze indesiderate.Per questo motivo, gli alimentatori lineari sono preferiti nei sistemi audio di fascia alta dove è importante mantenere la qualità del suono pura e chiara.

Nelle attrezzature di laboratorio, avere un potere coerente e accurato è molto importante.Dispositivi come gli alimentatori da laboratorio, che vengono utilizzati per fornire uscite di tensione costante e precise, spesso si basano sulla regolazione lineare.La stabilità offerta da alimentatori lineari garantisce che la tensione rimanga coerente, il che è molto importante negli ambienti sperimentali e di test in cui anche piccoli cambiamenti possono portare a risultati errati.Questi alimentatori sono progettati per fornire energia pulita e senza rumore, necessaria per misurazioni e esperimenti sensibili che richiedono un alto livello di precisione.

Gli alimentatori lineari sono progettati per fornire una tensione coerente con un rumore minimo, rendendoli perfetti per le situazioni in cui la qualità della potenza influisce direttamente sul funzionamento di un dispositivo.Sebbene potrebbero non essere efficienti dal punto di vista energetico come gli alimentatori di commutazione, la loro capacità di fornire energia stabile e pulita li rende particolarmente utili in applicazioni specifiche e sensibili al rumore.Il loro utilizzo nelle apparecchiature audiovisive e di laboratorio mostra come la qualità dell'energia svolge un ruolo chiave nel mantenimento delle prestazioni e dell'accuratezza in questi contesti.

Confronto con altri tipi di alimentazione

Gli alimentatori lineari vengono utilizzati per cambiare energia elettrica da una forma all'altra, di solito trasformando la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC).Esistono diversi tipi di alimentatori, ognuno con le sue caratteristiche:

Figura 4: alimentatori lineari non regolamentati

Gli alimentatori lineari non regolamentati sono il tipo più elementare.Convertono l'AC in DC ma non hanno funzionalità extra per mantenere costante la tensione.Ciò significa che la tensione di uscita può cambiare se la tensione di ingresso cambia o se la quantità di potenza utilizzata (il carico) cambia.Se la tensione di ingresso aumenta, anche la tensione di uscita sale e se il carico aumenta, la tensione di uscita potrebbe scendere.Per questo motivo, questi alimentatori non sono ideali per dispositivi che richiedono una tensione stabile per funzionare correttamente.

Figura 5: alimentazione della ferroreone

Gli alimentatori di ferroreonante utilizzano una tecnica speciale che coinvolge campi magnetici per mantenere fermo la tensione di uscita.Lo fanno con una combinazione di un trasformatore e un circuito risonante.Le proprietà magnetiche del trasformatore aiutano a mantenere una tensione di uscita costante, anche se la tensione di ingresso o il carico cambia.Questi alimentatori hanno anche una protezione integrata contro picchi di energia improvvisi, il che li rende affidabili in luoghi in cui l'alimentazione non è stabile.Tuttavia, di solito sono grandi e pesanti, il che può essere uno svantaggio in situazioni in cui le dimensioni e il peso sono importanti.

Figura 6: alimentazione in modalità switch (SMPS)

Gli alimentatori in modalità switch (SMP) sono progettati per essere più efficienti degli alimentatori lineari.Funzionano accendendo rapidamente l'alimentazione di ingresso e spegnendo usando interruttori elettronici come i transistor.Questo metodo consente loro di convertire la potenza in modo più efficiente, il che significa che producono meno calore e possono essere resi più piccoli e più leggeri.Tuttavia, a causa della commutazione ad alta velocità, gli SMP possono creare rumore elettrico, che potrebbe interferire con altri dispositivi elettronici nelle vicinanze.Gli SMP sono anche più complicati nel design e possono essere più difficili da risolvere se qualcosa va storto.

Conclusione

Gli alimentatori lineari sono ancora una scelta di riferimento in situazioni in cui è molto necessario un alimentatore costante e privo di rumore.Il loro semplice design e le prestazioni affidabili li rendono uno dei preferiti in aree come apparecchiature audio e test di laboratorio.Tuttavia, hanno compromessi in termini di efficienza energetica e dimensioni, quindi è importante pensare a ciò per cui li stai usando.Quando confrontiamo gli alimentatori lineari con altri tipi, diventa chiaro che, sebbene potrebbero non essere sempre l'opzione più risparmio energetica, la loro capacità di fornire energia pulita e coerente significa che sono ancora utili nel mondo tecnologico di oggi.Comprendendo queste differenze, puoi prendere decisioni migliori quando scegli l'alimentazione giusta per le tue esigenze specifiche.

Domande frequenti [FAQ]

1. Dove vengono utilizzati gli alimentatori lineari?

Gli alimentatori lineari sono comunemente usati in ambienti in cui è molto necessaria una potenza stabile e a basso rumore.Ciò include attrezzature audio di alta qualità, dispositivi medici, strumenti di laboratorio e strumenti di misurazione di precisione, in cui anche un piccolo rumore elettrico può interferire con il funzionamento o l'accuratezza dell'attrezzatura.

2. Qual è l'efficienza dell'alimentazione lineare?

L'efficienza di un alimentatore lineare è generalmente bassa, spesso circa il 50% o meno.Questo perché l'alimentazione regola la tensione dissipando l'eccesso di energia come calore, il che si traduce in una significativa perdita di energia.

3. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di un alimentatore lineare?

Il vantaggio principale di un alimentatore lineare è la sua capacità di fornire energia pulita, stabile e a basso rumore, l'ideale per l'elettronica sensibile.Gli svantaggi includono bassa efficienza, grandi dimensioni a causa della necessità di dissipazione del calore e l'energia extra sprecata come calore.

4. Quali sono gli svantaggi del regolatore di tensione lineare?

Gli svantaggi di un regolatore di tensione lineare includono bassa efficienza, in quanto spreca molta potenza come calore e la sua incapacità di aumentare la tensione, il che significa che può ridurre solo la tensione dal livello di ingresso.Inoltre, possono richiedere grandi dissipatori di calore o sistemi di raffreddamento per gestire il calore prodotto, rendendoli ingombranti.

5. Qual è il tipo di alimentazione più efficiente?

Il tipo più efficiente di alimentazione è l'alimentazione in modalità interruttore (SMP).Utilizza la commutazione ad alta frequenza per convertire la potenza con una perdita di energia minima, con conseguente efficienza molto più elevata rispetto alle alimentatori lineari.