Tipi di alimentatori più comuni

Tipologie fondamentali di alimentatori basati su diversi principi di progettazione:

Gli alimentatori lineari

Gli alimentatori a regolazione lineare forniscono una tensione di uscita estremamente stabile, bassa ondulazione residua e basso rumore con una capacità di regolazione rapida, anche con transitori di linea e di carico elevati. Producono interferenze elettromagnetiche significativamente inferiori rispetto agli alimentatori a commutazione. Un trasformatore di rete convenzionale isola la linea elettrica dai circuiti secondari (stadi di uscita). È seguito da un raddrizzatore che fornisce la tensione non regolata a un attuatore in serie. I condensatori all'ingresso e all'uscita del circuito regolatore fungono da tamponi e riducono l'ondulazione residua.

Una tensione di riferimento ad alta precisione controlla l'amplificatore di uscita analogica. Questo tipo di amplificatore è generalmente veloce e consente tempi di recupero molto brevi dalle variazioni di carico.

Alimentatori lineari R&S®Essentials: R&S®NGA100, R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201/401.

Alimentatori a commutazione (SMPS)

Gli alimentatori a commutazione, o SMPS (Switched Mode Power Supply), ad esempio il modello R&S®NGP800, hanno un'efficienza molto più elevata rispetto agli alimentatori a regolazione lineare. In una prima fase, la tensione di linea viene rettificata. A causa dell'elevata tensione di ingresso, è possibile utilizzare condensatori tampone con una capacità ridotta. In una seconda fase, la tensione da convertire viene 'affettata' ad alta frequenza.

Ciò avviene nel transistor di commutazione e richiede solo bobine o trasformatori in ferrite relativamente piccoli e leggeri con basse perdite. Il transistor di commutazione è sempre completamente acceso e oppure spento, quindi le perdite di commutazione sono basse. La tensione di uscita viene solitamente regolata modificando il ciclo di lavoro del transistor di commutazione. Un raddrizzatore e un filtro passa-basso migliorano la qualità dell’uscita.

Alimentatori ad architettura mista

Si utilizzano diverse combinazioni dei tipologie di base di cui sopra. Ad esempio, gli alimentatori R&S®NGE100B utilizzano un trasformatore di rete all'ingresso, seguito da un raddrizzatore e da circuiti a commutazione per regolare la tensione di uscita, assicurando un'elevata efficienza. Uno stadio lineare riduce i componenti del segnale interferente in uscita. Un altro esempio di architettura mista è quella degli alimentatori R&S®HMP2000/4000.

Quadranti degli alimentatori DC

Se la corrente fluisce nel terminale a tensione positiva, l'alimentatore agisce come un carico elettronico. Sta assorbendo potenza invece di fornire potenza. Gli strumenti che possono sia erogare potenza, sia assorbirla, possono simulare il comportamento di batterie o carichi; sono chiamati alimentatori a due quadranti (o a quattro quadranti). Gli alimentatori offrono un'architettura a due e quattro quadranti. Gli strumenti passano automaticamente dalla modalità alimentatore alla modalità carico. Quando la tensione applicata esternamente supera la tensione nominale impostata, la corrente fluisce nell'alimentatore, il che è indicato da una lettura di corrente negativa.

L'architettura degli alimentatori può essere completamente definita utilizzando un sistema di coordinate cartesiane. I quattro quadranti mostrano tutte le combinazioni di tensione e corrente positive e negative. La figura seguente illustra un sistema di coordinate con tensione sulla verticale e corrente sull'asse orizzontale.

Come accennato in precedenza, gli alimentatori standard generano di solito solo tensioni di polarità positiva (cioè funzionano nel primo quadrante), ad esempio da 0 V a 20 V. Se un alimentatore è in grado di fornire una tensione positiva o negativa ai suoi terminali di uscita senza dover modificare il cablaggio esterno, si parla di alimentatore bipolare e funzionerà nei quadranti 1 e 3, fornendo tensioni da -20 V a +20 V, ad esempio. Tali strumenti possono essere utilizzati, fra l’altro, per verificare il comportamento caratteristico dei semiconduttori con tensioni bipolari che attraversano il punto 0 V.

Gli alimentatori che possono funzionare nei quadranti 1 e 3 in genere offrono anche funzionalità di assorbimento per tensioni e correnti positive e negative. Possono funzionare in tutti e quattro i quadranti e sono indicati come unità di alimentazione e misura (SMU). Nel primo e nel terzo quadrante, la corrente fuoriesce dal terminale di tensione; lo strumento sta fornendo potenza. Nel secondo e quarto quadrante, la corrente fluisce nel terminale di tensione; lo strumento sta assorbendo potenza.

Canali con intervalli di tensione identici

La maggior parte gli alimentatori Rohde&Schwarz offrono lo stesso intervallo di tensione erogabile su tutti i canali. Ciò significa che non importa quale canale si sceglie per un'applicazione specifica. Ogni canale può essere considerato come un alimentatore separato.

Ondulazione residua e rumore

I circuiti elettronici avanzati e complessi sono molto sensibili alle variazioni di tensione sulle linee di alimentazione. Per ridurre al minimo le interferenze durante l'alimentazione dei dispositivi in prova (DUT), gli alimentatori devono fornire tensioni e correnti di uscita estremamente stabili. Idealmente, un'uscita in corrente continua è priva di variazioni di tensione. In pratica, esistono due tipi di variazioni che possono influire sul circuito o sul dispositivo: variazioni periodiche (ondulazione, o 'ripple') e variazioni casuali (rumore), note anche come deviazioni periodiche e casuali (PaRD). Gli alimentatori lineari hanno un'ondulazione residua ad alta frequenza significativamente inferiore rispetto agli alimentatori a commutazione.

Gli alimentatori speciali e alcuni alimentatori di base come il modello R&S®NGA100 utilizzano una regolazione lineare della tensione per ridurre al minimo l'ondulazione e il rumore residui.

Il design lineare degli stadi di uscita consente di fornire una tensione a bassa interferenza a progetti sensibili, come quelli che utilizzano semiconduttori complessi. I bassi valori di ondulazione e rumore sono perfetti anche per lo sviluppo di amplificatori di potenza e circuiti integrati MMIC.

Impedenza di uscita variabile

Le uscite degli alimentatori speciali possono essere configurate in vari modi. Ad esempio, è possibile impostare parametri quali l'impedenza di uscita, un ritardo di accensione e diverse modalità di attivazione. Gli alimentatori devono avere un'impedenza di uscita quanto più bassa possibile per evitare effetti di caricamento sul dispositivo in prova. Tuttavia, esistono applicazioni che richiedono la simulazione delle batterie in modo controllato o la simulazione dell'aumento dell'impedenza interna quando la batteria si scarica. Gli alimentatori R&S®NGL200, R&S®NGM200 e R&S®NGU201 supportano queste applicazioni con impedenza di uscita regolabile.