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Gli alimentatori galvanicamente isolati vengono utilizzati in numerose applicazioni. Ci sono diverse ragioni per questo.

In alcuni circuiti è necessario l'isolamento galvanico per motivi di sicurezza. In altri circuiti, l'isolamento funzionale viene utilizzato per bloccare eventuali interferenze sui segnali.

Un alimentatore isolato galvanicamente è solitamente progettato con un convertitore flyback. Questi regolatori hanno un design molto semplice. La Figura 1 mostra un progetto tipico per un regolatore di questo tipo con un controller flyback ADP1071.

Possiamo vedere che si tratta di un convertitore flyback perché i punti non corrispondono sul trasformatore. Viene utilizzato un interruttore di alimentazione sul lato primario (Q1). Inoltre, è richiesto un circuito raddrizzatore sul lato secondario. Questa operazione può essere eseguita con un diodo Schottky, ma per efficienze più elevate viene comunemente utilizzato un interruttore attivo (Q2 nella Figura 1). Il controller ADP1071 corrispondente si occupa di controllare gli interruttori e fornire l'isolamento galvanico per il percorso di feedback FB.

Figura 1. Tipico regolatore flyback (convertitore flyback) per una potenza fino a circa 60 W.

Sebbene i convertitori flyback siano molto popolari, questa topologia presenta limitazioni pratiche. Il trasformatore T1 in Figura 1 in realtà non viene utilizzato come un trasformatore classico. Quando Q1 è acceso, nessuna corrente scorre attraverso l'avvolgimento secondario di T1. L'energia della corrente primaria è quasi completamente immagazzinata nel nucleo del trasformatore.

Analogamente a come un convertitore buck immagazzina energia in un induttore (induttore), un convertitore flyback fa lo stesso nel trasformatore. Quando Q1 è spento, sul lato secondario di T1 si sviluppa un flusso di corrente. Ciò fornisce energia al condensatore di uscita COUT e all'uscita. Questo concetto è molto semplice da implementare ma presenta limitazioni intrinseche a potenze più elevate. Il trasformatore T1 viene utilizzato come elemento di accumulo dell'energia. Per questo motivo il trasformatore può essere definito anche un induttore accoppiato (induttanza). Ciò richiede che il trasformatore possa immagazzinare l'energia richiesta. Maggiore è la classe energetica dell'alimentatore, più grande e costoso sarà il trasformatore. Nella maggior parte delle applicazioni, il limite superiore è di circa 60 W.

Se per una potenza maggiore è necessaria un'alimentazione isolata galvanicamente, la scelta adeguata è un convertitore forward. Il concetto è mostrato nella Figura 2. Qui il trasformatore viene utilizzato realmente come un trasformatore classico. Mentre sul lato primario scorre corrente attraverso Q1, anche sul lato secondario si sviluppa un flusso di corrente. Il trasformatore non deve quindi fornire alcuna capacità di accumulo di energia. In realtà è vero il contrario. È necessario garantire che durante il tempo di inattività di Q1 il trasformatore sia sempre scarico in modo che non raggiunga inavvertitamente la saturazione dopo alcuni cicli.

Figura 2. Regolatore diretto (convertitore diretto) per una potenza fino a circa 200 W.

Per la stessa potenza, un convertitore forward necessita di un trasformatore più piccolo rispetto a un convertitore flyback. Ciò rende il convertitore forward pratico e sensato per l'uso anche a livelli di potenza inferiori a 60 W. Uno svantaggio è che il nucleo del trasformatore deve essere liberato dall'energia immagazzinata involontariamente ad ogni ciclo, cosa che viene implementata dal cablaggio a morsetto attivo con interruttore Q4 e condensatore CC nella Figura 2. Un convertitore diretto richiede solitamente anche un induttore aggiuntivo L1 sul lato di uscita . In questo modo, tuttavia, la tensione di uscita può avere anche un'ondulazione inferiore rispetto a quella di un convertitore flyback allo stesso livello di potenza.

Figura 3. Esempio di un circuito con un ADP1074 simulato in LTspice.

I circuiti integrati di gestione dell'alimentazione come ADP1074 di Analog Devices offrono una soluzione molto compatta per la progettazione di un convertitore forward.

Questa architettura viene solitamente utilizzata quando sono richiesti livelli di potenza superiori a circa 60 W. Al di sotto di 60 W, un convertitore forward potrebbe anche essere una scelta migliore rispetto a un convertitore flyback in base alla complessità del circuito e alle efficienze ottenibili. Per semplificare la decisione su quale topologia utilizzare, si consiglia la simulazione con il simulatore di circuiti liberi LTspice. La Figura 3 mostra lo schema di simulazione di un circuito convertitore forward ADP1074 nell'ambiente di simulazione LTspice.