SMPS – Sono Molto PericoloSi

L’acronimo SMPS, in Inglese, significa: “Switched-Mode Power Supply” e non: “Sono Molto PericoloSi”… Però sono veramente molto pericolosi ! Chiunque volesse cimentarsi nell’autocostruzione o nella riparazione di tali dispositivi, dovrà fare MOLTA attenzione, per non finire FULMINATO !

Le nostre case, ormai, sono disseminate di alimentatori SMPS; ogni telefono o smartphone ne ha uno, come pure ogni notebook, PC, televisore, sistema di illuminazione a LED e chi più ne ha, più ne metta. Un alimentatore SMPS di qualità, progettato bene e costruito con componenti affidabili, è robusto e sicuro, ma molto spesso i costruttori “senza brand” e “low cost” producono circuiti semplificati e con componenti di seconda scelta, con il risultato che un giorno andate ad inserire l’alimentatore nella presa di corrente e quello fa un suono secco e produce una nuvoletta di fumo nero. Questo, se vi va bene… perché ci sono finali peggiori.

Se vi viene voglia di riparare un alimentatore SMPS per il telefonino o comunque un modello di bassa potenza (max 10W), dovete per prima cosa attrezzarvi con un minimo di circuiteria di sicurezza per isolarvi dalla rete elettrica di casa a 220V. I contratti di casa da 2.5KW o 4KW portano sulle vostre prese di corrente una potenza capace di “friggervi” in pochi secondi, quindi… non siate incoscienti e prendete le dovute precauzioni. Non cercate di riparare o comunque di mettere le mani in alimentatori da più di 10W (per esempio, non provateci con gli alimentatori dei notebook) perché al salire della potenza, crescono anche le necessità di sicurezza e di una strumentazione professionale. Per dispositivi di potenza, rivolgetevi a laboratori attrezzati ed a tecnici che abbiano maturato un’esperienza pluriennale nel settore.

Protezione dalla linea 220V con due trasformatori

Protezione per linea 220V con due trasformatori

AVVISO : se volete fare esperimenti e collegare circuiti alla rete elettrica a 220V, lo fate a vostra discrezione e sotto la vostra responsabilità. L’attività in sé è rischiosa e comporta gravi pericoli, tra i quali anche il pericolo di vita. Ho dato risalto a questo avviso, scrivendolo in rosso, per mettere in guardia chiunque volesse replicare gli esperimenti descritti in questo articolo.

Per isolarsi dalla rete elettrica a 220V e disporre comunque di una sorgente di tensione alternata a 220V – 50Hz, la cosa più semplice da fare è quella di collegare tra loro due trasformatori identici attraverso gli avvolgimenti secondari. Io ho utilizzato due alimentatori in alternata, cioè privi di raddrizzatore, provvisti di prese secondarie (24V-18V-15V-12V-9V) perché in questo modo posso creare tensioni in uscita un po’ più alte o un po’ più basse di 220V, a seconda di come posiziono il selettore del trasformatore “primario” e di quello “secondario”. Lo schema elettrico qui sotto chiarirà meglio il concetto.

protect220v-schI selettori select #1 e #2 sono mostrati come se fossero solo con 2 posizioni, mentre ne hanno 5 nella realtà, ma per la nostra applicazione useremo solo le quattro combinazioni possibili con i due selettori mostrati in figura. Nella foto del prototipo circuitale mostrata sopra, si vede il tester che misura 213 Vca sul connettore denominato “220V protetta”; tale valore si ottiene mettendo i selettori #1 e #2 entrambi sulla posizione 24V e collegando il connettore denominato “Linea 220V 50Hz” alla presa di corrente.

Perché ci sono tanti alimentatori SMPS ?

Le ragioni sono di tipo economico e di ingombro. Un alimentatore standard, non switched-mode, è molto semplice (vedi schema)

Alimentatore standard, non regolato

Alimentatore standard, non regolato

In pratica c’è il trasformatore, un ponte raddrizzatore e un condensatore di livellamento. Il circuito è molto semplice e sarebbe anche poco costoso se non fosse per il trasformatore. L’efficienza dei trasformatori, infatti, aumenta con l’aumentare della frequenza. Un trasformatore fatto per funzionare a 50Hz ha bisogno di un notevole “pacco ferromagnetico” per trasferire la potenza dal primario al secondario. Però, purtroppo, la frequenza della linea elettrica a 220V è proprio di 50Hz… Allora come si fa ad usare dei trasformatori più piccoli per ottenere la stessa potenza ? Si realizza uno switched-mode ! In pratica si raddrizza la 220V (diodo e condensatore ad alto voltaggio) e con la tensione continua ottenuta si alimenta un oscillatore ad alta tensione con un’alta frequenza. Poi si utilizza questa alta frequenza in un trasformatore appositamente creato, che sarà molto più piccolo perché alle alte frequenze il pacco ferromagnetico si riduce moltissimo. Alla fine, sul secondario di questo piccolo trasformatore, metteremo di nuovo un raddrizzatore ed un condensatore di livellamento e così otterremo la bassa tensione livellata (ma non ancora stabilizzata).

Abbiamo detto che all’aumentare della frequenza, migliora l’efficienza dei trasformatori. Si è assistito, in questi anni, a un aumentare costante delle frequenze degli alimentatori switched-mode. Ricordo i primissimi che avevano oscillatori a circa 30 KHz, poi si è passati a 50, poi a 100, poi a 300 KHz e ultimamente si è andati oltre 1 MHz ! C’è però un limite, imposto soprattutto dalla irradiazione di frequenze “spurie” di questi circuiti. Gli oscillatori, infatti, sono ad onda rettangolare e con un duty-cycle (pieno/vuoto) variabile in funzione del carico d’uscita. Questo significa che un oscillatore ad oltre 1 MHz crea moltissime armoniche a frequenze tre, cinque, sette, nove (eccetera) volte superiori alla frequenza fondamentale. Un’onda quadra, quindi con un duty-cycle del 50%, genera una terza armonica con 1/3 della potenza della fondamentale, una quinta armonica con 1/5 della potenza, una settima con 1/7 e così via. Un’onda rettangolare (duty-cycle diverso dal 50%) ha sempre una gran quantità di armoniche, ma queste hanno una distribuzione di potenza differente. Se pensiamo che le variazioni di carico modificano continuamente il duty-cycle dell’oscillatore, ci rendiamo conto di quanto sia importante il problema delle emissioni di frequenze spurie. Un trasformatore ben costruito, comunque, tiene gran parte del campo elettromagnetico all’interno del proprio nucleo, ma più si sale di frequenza e più è facile andare a disturbare vari tipi di apparecchi radio.

Vediamo com’è fatto un tipico alimentatore SMPS di bassa potenza. Praticamente ogni caricabatterie per smartphone gli somiglia parecchio !

Un classico alimentatore SMPS di bassa potenza

Un classico alimentatore SMPS di bassa potenza

La sezione 1 è costituita dal circuito raddrizzatore / livellatore che trasforma l’alternata a 110/220V in una continua ad alta tensione che verrà usata per alimentare l’oscillatore ad alta frequenza. La sezione 2 è l’oscillatore ad alta frequenza che ha come carico il primario del trasformatore. La sezione 3 è il raddrizzatore / livellatore a bassa tensione, collegato al secondario del trasformatore. La sezione 4 è l’elemento che permette la stabilizzazione della tensione di uscita. In pratica è la “retroazione” o “feedback” per l’oscillatore. Per tenere isolata la parte a bassa tensione da quella ad alta tensione, si usa un fotoaccoppiatore. Il diodo zener costituisce l’elemento stabilizzatore ed agisce facendo accendere il led del fotoaccoppiatore quando la tensione d’uscita supera quella di zener (più la caduta del diodo led). Il transistor del fotoaccoppiatore modifica di conseguenza il funzionamento dell’oscillatore ad alta frequenza producendo così una bassa tensione costante al variare del carico. Questa è una semplificazione del funzionamento dell’alimentatore SMPS. Ci sono molte altre cose da conoscere sull’argomento e consiglio a chi volesse imparare davvero per bene di leggere i numerosi datasheets degli integrati più recenti per comprendere a fondo la teoria di questi circuiti e tutti i trucchi per ottimizzarne le prestazioni. Per fare pratica, ci sono anche delle “evaluation board” vendute da fornitori on-line di materiale elettronico. In alternativa, si può smontare il caricabatterie di un telefono e si troverà qualcosa di molto simile al circuito mostrato nella figura. Mi raccomando, siate prudenti. Questi circuiti sono pericolosi ! Se ci lasciate la pelle, non mandate da me i vostri eredi a lamentarsi della vostra prematura dipartita. Io vi ho avvisati !

Un esempio pratico

Qualche tempo fa vidi su un “noto negozio on-line” uno stock di 5 alimentatori SMPS di vecchio modello. Costavano veramente poco ed erano di produzione marcata STMicroelectronics, quindi di ottima qualità. Decisi di comprarli perché volevo utilizzarli per realizzare degli alimentatori da 9V per alcuni miei prototipi. Nella foto qui sotto vedete l’etichetta che era presente sul contenitore, ed il circuito interno dalla parte saldature e da quella dei componenti.

Caricabatterie di vecchia produzione, ma di buona qualità

Caricabatterie di vecchia produzione, ma di buona qualità

Come si vede dalla figura, all’interno c’era un secondo circuito, dotato perfino di un microcontrollore ST6. La ragione per questa “complicazione” è che qualche anno fa si tendeva a mettere il circuito di ricarica delle batterie all’interno degli alimentatori, anziché nei telefoni. Poi c’è stata una normativa europea che ha imposto a tutti i costruttori di mettere in commercio alimentatori compatibili fra loro e così i circuiti di ricarica si sono “spostati” all’interno dei telefoni. Oltre a questo, mentre prima la tendenza era quella di fare telefoni sempre più piccoli (quindi con pochissimo spazio all’interno per i circuiti), ora i telefoni stanno diventando sempre più grandi (praticamente sono dei tablet) e quindi di spazio all’interno ce n’è parecchio, almeno sul piano orizzontale.

Una volta data un’occhiata al circuito, ho visto che potevo eliminare completamente il microcontrollore e diversi altri componenti. Riducendo tutto all’osso, praticamente arrivando molto vicino allo schema presentato precedentemente, il risultato è stato questo:

Il circuito dopo l'eliminazione del "superfluo"

Il circuito dopo l’eliminazione del “superfluo”

Notate in basso nella foto il diodo Zener usato come stabilizzatore. Il valore di Zener è di 8.2V e in questo modo ho ottenuto una tensione di uscita (a vuoto) corrispondente a 8.2V + 1.5V di caduta attraverso il led del fotoaccoppiatore, per un totale di 9.7V , Volevo un alimentatore da 9V con tolleranza del +/- 10% e l’ho ottenuto. Di sotto la foto del tester che misura la tensione a vuoto. Per il momento è tutto…

La prova pratica: collegato alla linea (attraverso il circuito di sicurezza) e al tester

La prova pratica; il circuito è collegato alla linea 220V (attraverso il circuito di sicurezza) e al tester