Gli alimentatori c.a./c.c. fuori scheda offrono un'ampia gamma di opzioni ed efficienza dei costi

Uno dei miei primi lavori da giovane ed entusiasta laureato in ingegneria della produzione industriale è stato quello di assistere un ingegnere senior nella progettazione di un alimentatore a commutazione c.a./c.c. per un controller proporzionale-integrale-derivativo (PID) industriale di fascia alta. Il mio "aiuto" consisteva in gran parte nel riempire le tazze di caffè e cercare i fornitori di componenti per le basette sperimentali. Il mio mentore era però una persona paziente e competente e in poche settimane al suo fianco ho imparato di più su come progettare un alimentatore da zero di quanto non avessi appreso in un intero semestre in università.

Più tardi, sono anche riuscito a realizzare un paio di progetti di alimentatori a commutazione funzionanti, anche se basati su architetture prese in prestito dall'ingegnere senior, ovviamente con il suo permesso.

Qualche anno dopo, l'azienda per cui lavoravo ha trovato più conveniente acquistare alimentatori c.a./c.c. modulari di serie da un fornitore commerciale che crearne di propri. I progettisti si sono divertiti di meno, ma la nostra esperienza è stata comunque fondamentale per poter scegliere la soluzione commerciale migliore per soddisfare le specifiche del nostro prodotto.

Abbinare un alimentatore all'applicazione

La conoscenza di parametri ingegneristici come l'efficienza, la corrente di inserzione in ingresso, il ripple e il rumore e la tensione di sovraelongazione all'avvio ci ha permesso di testare e verificare le soluzioni commerciali per garantire che corrispondessero alle richieste di alimentazione dei controller PID industriali e offrissero una regolazione soddisfacente e un tempo medio tra i guasti (MTBF) superiore.

Tuttavia, abbinare una soluzione commerciale alle specifiche di prodotto dell'applicazione era più facile a dirsi che a farsi perché, all'epoca, le soluzioni di ciascun fornitore tendevano a essere limitate a poche varianti. Inoltre, una volta tenuto conto dei nostri vincoli di budget, il ventaglio delle varianti si riduceva ulteriormente. Questo spesso significava specificare un alimentatore ragionevolmente accettabile che però di solito finiva per essere una sorta di compromesso.

Ad esempio, è capitato di ritrovarci con un alimentatore commerciale che, pur soddisfacendo adeguatamente le esigenze di corrente e tensione dei nostri controller, spesso funzionava al di fuori del suo intervallo di uscita più efficiente, specie a bassi carichi. Ciò portava a ulteriori sfide di dissipazione di potenza e gestione termica che avremmo voluto evitare.

Ampliamento della gamma

Il mondo degli alimentatori modulari è cambiato in meglio da quando scarabocchiavo i miei progetti rudimentali. Oggi, l'ambito delle soluzioni commerciali pronte all'uso è strabiliante e anche con un budget limitato le gamme sono piuttosto ampie.

Prendiamo, ad esempio, la linea di alimentatori c.a./c.c. industriali di TRACO Power. L'azienda ha aggiunto quattro nuovi livelli di potenza alla sua già ampia serie TXN. Ora le unità hanno uscite da 35, 200, 350 o 800 W e per ogni livello di potenza possono essere specificate con una tensione di uscita di 12, 15, 24 o 48 V. Per la versione da 35 W sono disponibili anche le opzioni da 3,3 e 5 V. Fra gli esempi della gamma di prodotti vi sono TXN 35-124, un alimentatore c.a./c.c. da 35 W e 24 V; TXN 200-124 da 200 W e 24 V; TXN 350-115 da 350 W e 15 V (Figura 1) e TXN 800-148 da 800 W e 48 V.

Figura 1: L'alimentatore TXN 350-115 da 350 W eroga 15 V c.c. da un ingresso c.a. tra 90 e 260 V. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Gli alimentatori sono alloggiati in telai metallici e utilizzano connettori per morsettiera a vite. Sono la serie di prodotti c.a./c.c. incapsulati più economica che offra l'azienda. Le caratteristiche includono l'isolamento I/O rinforzato a 3000 V c.a., un filtro interno EN55032 classe B per ridurre le emissioni condotte e irradiate, la correzione del fattore di potenza attivo (PFC) superiore a 100 W, le approvazioni di sicurezza IEC/EN/UL 62368-1 e la conformità alla norma EN 61000-3-2 per la compatibilità elettromagnetica (EMC). Le unità sono inoltre dotate di una ventola interna per il raffreddamento forzato.

Prestazioni a un prezzo contenuto

La convenienza economica della serie TXN di TRACO Power non ha tuttavia comportato compromessi in termini di prestazioni. Ad esempio, TXN 350-115 ha un intervallo di ingresso da 90 a 260 V c.a. e un intervallo della temperatura di funzionamento da -30 a 70 °C. Fornisce una tensione di uscita nominale regolabile (V_out(nom)) tra 13,5 e 15,5 V a una corrente di uscita massima (I_out(max)) di 22 A per una potenza di uscita massima di 330 W.

Per un ingresso a 230 V, il PFC attivo è 0,95. La precisione di impostazione della tensione è di ±1%, la regolazione varia dell'1% su una variazione di carico compresa tra il 10 e il 90% e il ripple della tensione di uscita è al massimo di 150 mV_p-p (Figura 2). L'alimentatore ha una limitazione della corrente di uscita I_out(max) tra il 110 e il 160% e una protezione da sovratensione V_out(nom) tra il 110 e il 140%. L'MTBF è di 230.600 ore.

Figura 2: TXN 350-115 presenta un ripple massimo della tensione di uscita di 150 mVp-p, contribuendo a mitigare le sfide EMC. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

La curva di efficienza piatta delle unità di TRACO Power aiuta a mitigare le sfide della temperatura e di dissipazione della potenza che ho dovuto affrontare da giovane quando utilizzavo alimentatori meno performanti. TXN 350-115 mostra un'efficienza di oltre il 75% anche a partire da un carico relativamente basso di circa il 20% (Figura 3).

Figura 3: TXN 350-115 presenta un'efficienza di oltre il 75% per carichi superiori al 20%, che aiuta a mitigare le sfide di dissipazione della potenza. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Conclusione

Anche se mi piaceva progettare da zero un alimentatore industriale c.a./c.c. fuori scheda, le soluzioni di serie fanno risparmiare sui tempi di progettazione e consentono ai team di ingegneri di concentrarsi su altri aspetti del prodotto finale. Inoltre, la gamma odierna di opzioni di alimentatori è tale che è possibile trovare una soluzione in grado di offrire prestazioni ed efficienza quasi ottimali praticamente per qualsiasi applicazione.