[GUIDA] I Componenti Elettronici

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Blume.

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Con questa piccola guida volevo cominciare una piccola introduzione a quello che è il mondo dei componenti elettronici.

Il Circuito Elettronico.


Un circuito elettronico è composto da un certo numero di componenti, appunto elettronici, ognuno dei quali ha una propria operatività nella funzione generale. Questi sono classificati in componenti attivi e componenti passivi. I più comuni componenti elettronici sono: le resistenze, i condensatori, le induttanze, i diodi, i transistor, e i circuiti integrati. Le resistenze e i condensatori erano di gran lunga i componenti più numerosi visibili in un generico apparecchio elettronico, ma con la crescente integrazione in singoli chips (circuiti integrati anche detti IC) il loro numero è stato ridotto notevolmente, tanto che oggigiorno è possibile realizzare stadi elettronici completi con solo 3/4 componenti ausiliari ad integrati monolitici.

A seguire una descrizione sommaria della loro utilizzazione, aspetto, e simbolo grafico utilizzato negli schemi elettrici.

Resistenza:


La resistenza elettrica è un componente passivo utilizzata principalmente per polarizzare transistors, diodi, etc, effetuata causando un caduta di tensione (vedi legge di Ohm). La stessa viene utilizata in reti tipo RCL per impostare temporizzazioni o realizzare filtri. Con le resistenze a valore variabile (potenziometri) si realizzano controlli, quali: volume, toni o bilanciamento nei circuiti amplificatori. I parametri più importanti della resistenza sono il valore ohmmico e la potenza di dissipazione massima, mentre per alcune applicazioni è importante anche la tolleranza (precisione) o la variazione della sua resistenza al variare di un altro parametro. Il valore delle resistenze è generalmente indicato sulle stesse a mezzo di un codice a bande colorate e, per quelle di dimensioni maggiori, direttamente con la normale stampigliatura dei valori.

Negli schemi elettrici le resistenze sono riconoscibili dai seguenti simboli:


Condensatore:


Il Condensatore è un componente passivo che immagazzina cariche elettriche. Per sua costituzione, il condensatore blocca la corrente continua lasciando passare le correnti variabili. Viene utilizzato come disaccoppiatore di stadi, in reti tipo RCL per impostare temporizzazioni o realizzare filtri. Negli alimentatori viene utilizzato, nella sua versione elettrolitica, per livellare la tensione raddrizata dai diodi rettificatori. Del condensatore esistono due versioni: uno polarizzato e uno senza polarizzazione. Di entrambe le categorie ne esistono di diverse fatture e materiali. I parametri più importanti che caratterizzano i condensatori sono: il valore capacitivo, espresso in sottomultipli del Farad, la tensione di lavoro, espressa in Volt. Detti parametri sono generalmente stampigliati sul corpo del componente e in alcuni casi è utilizzato un codice a colori simile alle resistenze.

Negli schemi elettrici i condensatori sono indicati con i seguenti simboli:


Induttore:


L'induttore è un componente passivo realizzato avvolgendo una serie di spire di filo di rame. Questo può essere avvolto in aria o su un corpo ferromagnetico a seconda delle esigenze. Viene utilizzato in reti tipo RLC per realizzare circuiti osclillanti o per realizzare filtri. Negli alimentatori switching lo troviamo: accoppiato con dei condensatori, in ingresso della tensione di rete come filtro antidisturbo; per disaccoppiare lo stadio di alta tensione (trasformatore); per immagazzinare energia da rilasciare nel momento in cui l'oscillatore pilota non conduce per livellare la tensione in uscita (alimentatori step-down e step-up)


Negli schemi elettrici l'induttanza è indicata con i seguenti simboli:


Diodo:


Il diodo è un componente semiconduttore e, come tale, ha la proprietà di lasciare passare la corrente elettrica in una sola direzione. Il componente, quindi, è polarizzato e va inserito nel circuito rispettando detta polarità indicata sul contenitore con una fascetta colorata. Gli estremi del diodo sono denominati Anodo e Catodo, le cariche positive fluiscono entrando dall'anodo uscendo dal catodo. I diodi trovano applicazione negli stadi alimentatori con funzione rettificatrice della corrente, negli stadi rivelatori per separare il segnale dalla portante, come regolatore di tensione a mezzo del cosiddetto diodo Zener. Un particolare diodo, il LED (acronimo di Light Emitting Diode) è utilizzato come segnalatore luminoso. I parametri principali del diodo dipendono dalla sua funzione: per quello rettificatore, ad esempio, questi sono, massima corrente diretta e tensione di lavoro. I dati caratteristici del diodo non sono direttamente riportati sul componente, ma devono essere ricavati dal datasheet corrispondente alla sigla che li identifica (stampigliata sullo stesso). Esistono diversi tipi di diodi progettati per particolari funzioni, si ricordano a solo titolo di esempio i diodi skotty, tunnel e varicap.

Negli schemi elettrici i diodi sono indicati con i seguenti simboli:


Transistor:


Il transistor è il componente attivo per antonomasia. Questo è considerato da molti la più grande invenzione del 20° secolo, essendo alla base di tutti i dispositivi elettronici esistenti. Il termine deriva dalla fusione di due parole, e precisamente transfer + varistor. Costituito da due elementi semiconduttori PN per ottenere una doppia giunzione di tipo "NPN" o "PNP" collegati ai tre terminali caratteristici dei transostor. I tre terminali sono denominati "collettore", "base" ed "emettitore". Viene utilizzato per amplificare un segnale, per pilotare dispositivi di potenza superiore o anche come interruttore elettronico. Come per i diodi, esistono altri tipi di transistor quali i "FET" (acronimo di Field Effect Transistor), i fototransistor, etc.

Negli schemi elettrici i transistor sono indicati con i seguenti simboli:


Circuiti Integrati:


Il circuito integrato, anche chiamato IC, microchip o semplicemente chip, è un componente attivo complesso. Come è possibile intuire dalla sua denominazione, più che un componente si tratta di un circuito elettronico che integra in sè tutti i componenti necessari per ottenere la funzione desiderata. I circuti integrati, costruiti in strutture e dimensioni diverse, è dotato generalmente di molti terminali o pins (partendo da un minino di tre) proporzionali alla complessità del circuito interno. Una CPU di computer ad esempio possiede centinaia di pins integrando al suo interno milioni e milioni di transistors, resistenze, diodi, condensatori e quant'altro necessario al suo funzionamento.

Negli schemi elettrici i circuiti integrati sono riconoscibili dai seguenti simboli:



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Parliamo del componente principe del computer...la cpu? naaaaa!!!!
L'alimentatore.
L'alimentatore è un elemento chiave nell'assemblaggio di un personal computer ed assolve a diverse funzioni:
1) la conversione della tensione dai 220 V alternati della rete elettrica alle tensioni richieste dalla scheda madre e dalle periferiche
2) la rettificazione da corrente alternata a corrente continua
3) il filtraggio per ridurre al minimo l'ondulazione e il rumore sulle tensioni di uscita
4) la regolazione, per fornire tensioni di uscita stabili, entro le tolleranze previste, e indipendenti dalle variazioni di tensione di linea e di corrente assorbita
5) l'isolamento elettrico tra la rete elettrica e le uscite a corrente continua. Switching
I PC, da molti anni, utilizzano alimentatori in modalità switching (commutazione), in alternativa agli alimentatori lineari di un tempo, voluminosi, pesanti e poco efficienti.
Un alimentatore switching (SMPS, Switching Mode Power Supply) funziona a frequenza molto superiore rispetto ai 50 (o 60) Hz della rete elettrica e utilizza circuiti di commutazione basati su componenti a basse perdite energetiche.
L'azione di switching, ovvero del commutare le polarità con cui viene alimentato il trasformatore che fornisce le diverse tensioni di uscita, viene eseguita da semiconduttori di potenza pilotati in modo da fungere da interruttori.
Diversamente da un circuito amplificatore, dove il segnale in uscita da un transistor riflette fedelmente il segnale in entrata, con maggiore escursione di tensione o corrente, un transistor che funge da interruttore ha solo due stati: alta resistenza (spento) o bassissima resistenza (acceso), entrambi caratterizzati da una minima dissipazione di potenza.
I semiconduttori usati in un alimentatore switching possono essere transistor bipolari BJT (Bipolar Junction Transistor o IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) o thyristor (SCR o triac); nei casi più comuni si impiegano BJT e MOSFET.
Circuito
Lo schema di un alimentatore per PC, per quanto possa essere complesso, presenta alcune parti fondamentali ben individuabili. Il primo blocco, a ridosso della connessione alla rete elettrica, filtra la tensione, la raddrizza (tramite un ponte di quattro diodi) per fornire corrente continua agli stadi successivi e, soprattutto in Europa, modifica l'impedenza del circuito per correggere il fattore di potenza, un indice dell'efficienza del circuito.
La tensione continua viene fornita ai circuiti di controllo e ai transistor di potenza che, pilotati ad alta frequenza, alimentano l'avvolgimento primario del trasformatore che fornisce le diverse tensioni di uscita.
A seconda di quale dei due transistor funge di volta in volta da interruttore chiuso, il primario viene alimentato con un segnale positivo o negativo, che si alterna migliaia di volte al secondo.
Grazie al funzionamento ad impulsi ad alta frequenza, questo trasformatore dissipa poca potenza ed è quindi di piccole dimensioni; idealmente può essere realizzato avvolgendo il primario e i secondari su un nucleo toroidale di ferrite, un materiale ad alta permeabilità magnetica composto di polveri ferromagnetiche e modellabile nella forma desiderata.
I circuiti di controllo hanno diverse funzioni, tra cui il pilotaggio ad alta frequenza dei transistor di switching, la regolazione delle tensioni di uscita, la diagnostica interna, la protezione da corto circuito e sovracorrenti di uscita, la protezione da tensione d'ingresso insufficiente e l'invio del segnale Power Good (o Power OK) necessario alla motherboard per avviare il processore e i circuiti.
Questo segnale è fornito solo finché l'alimentatore si trova in condizioni operative regolari e viene sospeso se si verifica una condizione anomala, per esempio un sovraccarico o una tensione di rete insufficiente (che tra l'altro causerebbe errori di elaborazione).
A valle del trasformatore pilotato dai transistor di switching, la tensione alternata viene raddrizzata su ciascuno dei secondari in modo da fornire le uscite principali a 3, 5, 12 V e quelle a -5 e -12 V, retaggio del passato.
L'uscita standby a 5 V, necessaria per alimentare i circuiti di accensione e risveglio (da LAN e modem) della motherboard viene prodotta da un circuito separato (non switching) che può avere un proprio trasformatore di alimentazione.
Il circuito deve essere in grado di mantenere le tensioni di uscita per un periodo intorno ai 20 ms in assenza di tensione di ingresso, in modo da essere insensibile a variazioni di rete di breve durata.
Interno
Un alimentatore non dovrebbe essere aperto, sia per il rischio di scossa sia per la possibile invalidazione della garanzia. Non tutti i modelli hanno lo stesso aspetto, ma in linea di massima basta vedere la foto di un alimentatore aperto per soddisfare la curiosità senza causare danni. In generale i componenti che spiccano nelle foto sono piccoli trasformatori, qualche condensatore e i radiatori di alluminio su cui sono montati i diodi raddrizzatori e i transistor di switching.
Test
A differenza che in passato, un alimentatore ATX non fornisce tensione se non è collegato a una scheda madre e al carico minimo previsto dalle specifiche.
All'accensione, il segnale Power Good, sul piedino 8 (cavo grigio) del connettore di alimentazione della motherboard deve superare 2,4 V per autorizzare la scheda madre ad alimentare i circuiti, altrimenti significa che la tensione di rete è insufficiente o che c'è un corto circuito o qualche altra anomalia.
Un test rapido per verificare se l'alimentatore funziona è quello di sconnetterlo dalla motherboard e misurare la tensione tra la terra (cavi neri) e il piedino 8 del connettore (cavo grigio). Se la tensione è di oltre 2 V, significa che l'alimentatore ha superato i suoi test interni e che probabilmente funziona regolarmente.
Per questa prova occorre lasciare collegato qualche drive, in modo da garantire l'assorbimento minimo di corrente necessario per il funzionamento dell'alimentatore (come indicato nelle specifiche).
Certificazioni
Per valutare la qualità di un alimentatore consigliamo di osservare le etichette con le certificazioni. Maggiore è il numero di certificazioni, migliore è la qualità di progettazione e costruzione in quanto conforme alle norme di diversi Paesi.
Dimensionamento
Di seguito concentreremo l'attenzione sul dimensionamento dell'assemblatore, ovvero sul calcolo dei consumi dei vari componenti e sui criteri di scelta di un alimentatore.
Il processore
Se sfogliamo le specifiche del Pentium 4C a 3,0 GHz (quello classico del 2003, che consuma decisamente meno del recente P4E Prescott), scopriamo che ha un consumo tipico di 81,9 watt e un assorbimento massimo di 64,8 ampere.
Dato che la tensione di alimentazione dei P4C con FSB a 800 MHz e 512 KB di cache è compresa tra 1,295 e 1,425 V, secondo i modelli e le condizioni operative, si capisce che la potenza massima (tensione per corrente massima) può superare gli 81,9 W di “Thermal Design Power”, che rappresentano soltanto un obiettivo di progetto raccomandato da Intel.
Perciò, nel valutare la potenza richiesta, metteremo in conto circa 90 W per la CPU. D'altra parte, nessun alimentatore oggi fornisce la tensione su misura per la CPU.
In passato, il processore è stato alimentato, secondo i periodi e i modelli, attraverso le uscite a 5 V e 3,3 V; in seguito la progressiva riduzione delle tensioni e la parallela crescita dell'assorbimento di corrente ha imposto soluzioni svincolate dalle tensioni fisse dell'alimentatore e basate su moduli di regolazione della tensione (VRM), che trasformano i 5 o 12 V nella bassa tensione della CPU.
Considerando un rendimento del VRM dell'80%, per fornire 100 W al processore occorre fornire 125 W al VRM. Con un VRM da 5 V, vorrebbe dire assorbire 25 A, troppi anche per la portata dei quattro cavi da 5V del connettore ATX standard a 20 pin.
Qualche anno fa, quando l'assorbimento dalle linee a 3,3 e 5 V iniziò a superare la portata dei piedini del connettore (6 A ciascuno), Intel introdusse un connettore ATX ausiliario con tre linee aggiuntive, due a 3,3 V e una a 5 V, così da fornire in totale 30 A sia sul 3,3 sia sul 5 V.
Più di recente, crescendo ulteriormente i consumi, Intel e AMD hanno ritenuto più efficace usare la linea a 12 V per alimentare le loro CPU più potenti. Infatti, a parità di potenza, per ridurre la corrente, e quindi la sezione dei conduttori e la perdita di potenza in calore, si aumenta il voltaggio, come avviene per le linee elettriche ad alta tensione.
D'altra parte, a 12 V il VRM per un Pentium 4 può assorbire oltre 10 A, ben oltre la portata dell'unico cavo a 12 V di un alimentatore ATX. Per il Pentium 4 Intel ha aggiunto quindi il connettore aggiuntivo ATX12V a quattro poli con due linee supplementari a 12 V; oggi tre linee a 12 V sono sufficienti per alimentare i motori di tutti i drive, le ventole e il più assetato dei processori
La memoria
La RAM, alimentata negli scorsi anni a 5 V, è scesa a 3,3 V (vecchia SDRAM a 168 pin), quindi a 2,5-2,6 V (attuale DDR a 184 pin) e infine a 1,8 V (la nuova DDR-2). Stando alle specifiche, i DIMM hanno un consumo assai variabile: dai pochi watt per DIMM di una DDR di prestazioni tranquille fino a un watt per chip per i moduli più veloci. Oggi il numero di chip può arrivare a 18 su un DIMM da 512 MB con ECC; mediamente possiamo calcolare 10 W per DIMM, salvo arrivare a 20 in certi casi. Possiamo quindi calcolare 5 A per DIMM a carico della linea a 3,3 V.
La scheda AGP
Se costruite una workstation di fascia alta con una scheda AGP Pro, mettete in conto un consumo massimo di 110 W, con corrente massima di 7,6 A a 3,3 V e 9,2 A a 12 V. L'AGP 3.0, che supporta fino a 8X e cederà il passo al PCI-Express, attinge a varie alimentazioni: 1,5 V (max 2 A), 3,3 V (max 6 A), 3,3 V aux (max 0,375 A), 5 V (max 2 A) e 12 V (max 1 A).
Mediamente, calcoliamo 40-50 W per una moderna scheda grafica AGP, che scendono a meno di 25 W per le schede di livello medio-basso che non hanno bisogno di alimentazione supplementare.
Altri circuiti
Un hard disk ATA o SATA può consumare fino a 20 W. Per esempio, un moderno Seagate Barracuda 7200.7 ha un consumo medio sui 13 W, quindi per semplificare si può calcolare 1 A sia per i 5 V sia per i 12 V. I dischi SATA hanno anche un pin di alimentazione a 3,3 V, ma per ora non lo usano. Per i dischi SCSI da 10.000 rpm il consumo può essere anche doppio.
Per i drive CD/DVD il consumo varia tra 10 e 25 W, mentre calcoliamo 5 W per il floppy e 10 W per gli Zip.
Per la motherboard possiamo calcolare 25-40 W di consumo, più 3 W per la ventola della CPU. Altri esempi di assorbimento sono: 4 W per una scheda di rete o per un modem, 25 W per un controller SCSI, 5 W per una scheda PCI o per un device USB, 8 W per un device FireWire, da 7 a 18 W per una scheda audio, 3 W per tastiera e mouse e 2-3 W per ogni ventola supplementare.
Il totale
Facciamo un altro esempio, supponendo di aver esaminato le specifiche elettriche dei componenti e di avere totalizzato un assorbimento di 8 A sui 3,3 V, 16 A sui 5 V e 14 A sui 12 V.
Con un consumo totale di circa 275 W potremmo pensare di farcela con un alimentatore da 300 W, o di ritenerci previdenti acquistandone uno da 350 W. Non è proprio così. Per esempio, il citato hard disk Seagate consuma 13 W, ma all'accensione assorbe fino a 2,8 A a 12 V (33,6 W) per mettere i piatti in movimento. Se tutti i componenti vengono sollecitati contemporaneamente a pieno carico, è facile superare i valori medi.
Come minimo, vogliamo tenerci un margine di sicurezza e non superare, con i consumi medi previsti, l'80% della potenza massima fornita dall'alimentatore. In tal caso dovremmo prevedere assorbimenti di 10 A a 3,3 V, 20 A a 5 V e 17,5 A a 12 V.
Ora la potenza massima sembra essere di 343 W, che sembra autorizzarci all'acquisto di un alimentatore da 350 W. Ma è così? Guardiamo le specifiche dei prodotti in commercio, fissando l'attenzione sulla corrente massima erogata su ciascuna delle linee principali: 3,3, 5 e 12 V (per ora ignoriamo le altre uscite, che sono a bassa corrente).
Un esempio di alimentatore da 350 W offre 28 A a 3,3 V, 35 A a 5 V e 16 A a 12 V. Vediamo che è abbondante a 3,3 e 5 V ma sottodimensionato sulla linea più importante, che oggi è il 12 V. Questo modello, persino se è di tipo ATX12V, sembra adatto più ai computer di qualche anno fa che agli attuali requisiti di Pentium 4 e Athlon.
Un altro modello promette 28 A a 3,3 V, 30 A a 5 V e 22 A a 12 V. Sareste tentati di comprarlo, peccato che la potenza massima supportata sia di 300 W, il che significa che non è in grado di erogare contemporaneamente alti livelli di corrente su tutte le uscite.
Quello che cerchiamo è una potenza massima non inferiore a quella calcolata e correnti massime per le linee a 3,3, 5 e 12 V non inferiori a quelle calcolate. Ora potremmo imbatterci in un anonimo alimentatore da poche decine di euro capace di erogare 450 W con corrente massima di 28 A a 3,3 V, 30 A a 5 V e 15 A a 12 V. Ancora una volta, sarebbe una scelta inadeguata, perché basta l'aggiunta di un drive o l'upgrade della CPU per raggiungere e superare il limite di corrente a 12 V.
In questo esempio, una scelta azzeccata sarebbe l'acquisto di un alimentatore Antec TruePower da 430 W, che offre 28 A a 3,3 V, 36 A a 5 V e 20 A a 12 V, lascia un buon margine di espansione della configurazione e lavora in tutta sicurezza. è vero che un alimentatore di alta qualità costa più di 100 euro, ma la sua importanza per la stabilità del sistema e la salvaguardia dei dati e dell'hardware è superiore al costo aggiuntivo da sostenere.
Altre tensioni
Finora abbiamo citato le uscite a 3,3, 5 e 12 V; le rimanenti, tutte a bassa corrente, sono -5 V (un ricordo delle schede ISA, oggi inutilizzato), -12 V (usato qualche volta per porte seriali e circuiti LAN, oggi inutilizzato) e 5V SB (Standby) che alimenta i circuiti di accensione e di risveglio del sistema via rete o via modem.
Il citato Antec TruePower da 430 W fornisce 0,5 A sul -5 V, 1 A sul -12 V e 2 A sul 5 V SB. Di questi solo il 5 V SB è importante e dovrebbe fornire non meno di 1 A.
A parità di potenza, gli alimentatori di qualità si distinguono per diversi aspetti: hanno circuiti separati per tutte le uscite (quelli economici hanno un circuito unico per 3,3 e 5 V), erogano alte correnti su ogni uscita e offrono tolleranze sui valori di tensione minori del minimo richiesto.
Per lo standard ATX12V Intel specifica tolleranze entro il 5% sulle tensioni positive e 10% su quelle negative; i modelli Antec TruePower garantiscono una precisione del 3% sui valori positivi e del 5% su quelli negativi.
Altre caratteristiche elettriche degli alimentatori includono la stabilità della tensione d'uscita al variare del carico, la capacità di assorbire sovraccarichi temporanei e la componente alternata residua (rumore più ondulazione).
Ventole
La qualità della ventilazione è un'altra peculiarità di un buon alimentatore. La soluzione migliore è con due ventole, una che aspira aria dall'interno (spesso nella zona del processore) e una che spinge l'aria verso l'esterno del telaio.
Le due ventole dovrebbero essere dotate di sensore termico e di circuito di controllo della velocità in funzione della temperatura, così da ridurre al minimo la rumorosità.
Inoltre le ventole dovrebbero usare cuscinetti a sfere per assicurare lunga durata ed evitare i problemi delle bronzine, che spesso vanno fuori uso per esaurimento del lubrificante.
Power Factor Correction
La Power Factor Correction è un'altra funzione che distingue i migliori alimentatori destinati al mercato europeo. A differenza dei carichi resistivi, dove la tensione e la corrente alternata sono in fase e la potenza in watt si misura in volt x ampere, un computer è un circuito fatto di resistenze, induttanze e condensatori, quindi ha non solo una resistenza ma anche un'impedenza (l'ostacolo al passaggio di corrente alternata).
La corrente fornita dall'alimentatore è tanto più sfasata rispetto alla tensione quanto maggiore è la componente induttiva (o capacitiva) rispetto a quella resistiva. Il coseno dell'angolo di sfasamento si chiama fattore di potenza e il suo valore vi dice quanta potenza viene sprecata.
Ad esempio, se un alimentatore ha un PF = 0,7 significa che il rapporto tra W erogati e VA (voltampere) consumati è di 0,7, quindi per fornire 400 W vengono assorbiti 571 VA. Un PF di 0,7 è la raccomandazione minima di Intel per gli alimentatori ATX12V a pieno carico.
I modelli economici sono probabilmente inferiori all'obiettivo, mentre i modelli di qualità (come la versione per l'Europa degli Antec TruePower) hanno dei circuiti di correzione del PF che avvicinano la potenza reale (in watt) a quella apparente (in voltampere).
La PFC è prescritta da una direttiva europea, ma non aspettatevi di trovarla sui modelli da poche decine di euro o su quelli non progettati per il mercato europeo.
Cavi e connettori
Man mano che cambiano le motherboard e le periferiche, gli alimentatori devono adeguarsi. Per esempio, l'Antec che abbiamo preso come modello include, oltre al connettore principale a 20 piedini e ai connettori standard per i drive, il connettore ATX ausiliario, il connettore ATX12V, due connettori per dischi Serial ATA, due connettori per ventole e un connettore da collegare alla motherboard per il monitoraggio della ventola posteriore.
I produttori
Antec, Aspire, Delta, Enermax, PC Power & Cooling, Startech, Supermicro, Tagan, Thermaltake, Vantec e Zalman costituiscono solo un elenco parziale di produttori di buoni alimentatori. Antec ed Enermax sono tra i nomi più noti e reperibili anche in Italia. In ogni caso è preferibile scegliere modelli destinati esplicitamente al mercato europeo e provvisti di PFC.


Prossimo giro,foto di interno dell'alimentatore con tentativo di spiegare le varie sezioni che lo compongono.....

 

mr.frizz

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chiudo così la completi prima di aprirla ;)
 

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Se qualcuno è interessato a quelli che sono i fenomeni elettrici, qui trova una simpatica lettura non troppo complicata...:rock:
 

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Vediamo come funziona il raddrizzatore di tensione, circuito elettronico presente in ogni alimentatore, sia di tipo lineare, sia di tipo a modulazione di ampiezza, come i nostri alimentatori del pc, i pwm acronimo del corrispettivo inglese pulse-width modulation.


Circuiti Raddrizzatori.


In molti azionamenti elettrici è necessaria la disponibilità di tensioni continue. L'alimentazione fornita dall'ENEL è di tipo sinusoidale a frequenza pari a 50 Hz. E' quindi necessario utilizzare opportuni convertitori in grado di "raddrizzare" la tensione.
Un alimentatore serve a far funzionare con l'energia elettrica di rete tutte quelle apparecchiature che non possono essere collegate direttamente alla presa a 220V, ma necessitano di una tensione diversa, in genere molto più bassa, simile a quella fornita dalle pile. Per fare in modo che la tensione alternata disponibile nelle prese di casa diventi uguale a quella di una pila, l'alimentatore utilizza diversi componenti, ciascuno con una specifica funzione
Nei raddrizzatori a diodi la tensione "raddrizzata" presenta un valore medio, diverso da zero. Il flusso di potenza avviene in una sola direzione (da AC a DC) e non viceversa. La tensione in uscita non è perfettamente costante ma possiede una significativa fluttuazione (ripple).
Per diminuire tale ripple si tende ad utilizzare raddrizzatori polifase e, in ogni caso, si inseriscono grossi condensatori in parallelo al carico finalizzati al filtraggio della tensione stessa. In questo modo la tensione sul carico può essere considerata costante e pari al valore massimo della tensione in ingresso (in condizioni di corrente assorbita nulla).
In inglese questi convertitori vengono chiamati "Line-frequency diode rectifiers".
In figura è rappresentato lo schema elementare di un circuito con diodo raddrizzatore che mette in luce il comportamento reale del dispositivo. La caratteristica reale tensione-corrente (i[SUB]D [/SUB]v[SUB]D[/SUB]) del diodo D è stata approssimata tramite una spezzata, ricondotta essenzialmente a due fenomeni: la tensione di soglia V[SUB]γ [/SUB]e la caduta di tensione diretta dovuta alla resistenza differenziale r[SUB]D[/SUB].
Nel caso di diodi al silicio la tensione di soglia V[SUB]γ [/SUB]è dell’ordine di 0.5 volt, mentre la resistenza differenziale in conduzione r[SUB]D [/SUB]è dell’ordine di 10 ohm. Talvolta, per semplicità, si approssima ulteriormente il comportamento del diodo polarizzato direttamente assumendo, per la caduta di tensione diretta v[SUB]D[/SUB], il valore prevalente pari alla sola tensione di soglia V[SUB]γ [/SUB](trascurando r[SUB]D[/SUB]).
Appare comunque evidente che, per un raddrizzatore reale, la tensione v[SUB]out [/SUB]in uscita non riproduce, durante la semionda positiva, la tensione in ingresso v[SUB]in[/SUB]; e questo scostamento è tanto più manifesto quanto più l’ampiezza del segnale d’ingresso risulta piccola e comparabile con la tensione di soglia V[SUB]γ . [/SUB]

Circuito Raddrizzatore ad una semionda








La corrente ha la stessa forma d'onda della tensione, solo quando essa è positiva. (manda in conduzione il diodo).


IL TRASFORMATORE


Il trasformatore ha il compito di abbassare la tensione di rete; esso è composto in genere da due avvolgimenti distinti: uno, di entrata, detto primario, che viene collegato a 220V; uno di uscita, detto secondario, che fornisce una tensione più bassa di quella in entrata, adatta alle esigenze dell'utilizzatore, cioè dell'apparecchio che si vuole alimentare. A seconda dei tipi, il trasformatore può avere uno o due avvolgimenti secondari; vedremo come sfruttare nel modo migliore sia un tipo che l'altro.
Trasformatore a secondario unico: la tensione di rete viene collegata ai fili 1 e 2; la tensione ridotta si ritrova ai capi del secondario (fili 3 e 4). Trasformatore a due secondari: la tensione di rete entra sui pin 1 e 2; la tensione ridotta si ritrova ai capi sia di un secondario (pin 3 e 4) che dell'altro (pin 5 e 6).

Il circuito da usare dipende dal trasformatore di cui si dispone. Se il trasformatore ha un solo avvolgimento secondario è possibile realizzare lo schema di figura 5, che usa un solo diodo, o quello di figura 6, che ne usa quattro.





Figura 5.

Figura 6.





Il circuito di figura 5 è più semplice, ma siccome sfrutta una sola semionda della tensione alternata è più adatto per utilizzatori che assorbono poca corrente (non più di 50 mA).
Quando occorre una corrente più forte è bene utilizzare lo schema con quattro diodi (figura 6), che sfrutta entrambe le semionde e quindi permette un migliore livellamento della tensione in uscita. Se il trasformatore è dotato di un avvolgimento secondario doppio, cioè con presa centrale, è possibile raddrizzare entrambe le semionde della corrente alternata usando due soli diodi (circuito di figura 7).




Figura 7.






Visualizzazione della tensione di uscita.








RADDRIZZATORE


La tensione che esce dal trasformatore non può alimentare un apparecchio fatto per funzionare con delle pile; mentre le pile hanno infatti una tensione continua, la tensione che esce dal trasformatore è ancora una tensione alternata, il che vuol dire che cambia di polarità continuamente (per l'esattezza: 50 volte al secondo). Occorre allora "raddrizzare" tale tensione, per ottenere che all'utilizzatore arrivi un flusso costante di corrente, sempre diretto nello stesso verso. Il compito di bloccare la corrente nei momenti in cui il flusso si inverte è affidato al diodo; si possono usare uno, due o quattro diodi, secondo vari circuiti che presto vedremo. I diodi vanno scelti in base alla tensione ed alla corrente che li attraversa. Per la tensione non ci sono problemi, considerato che qualunque diodo raddrizzatore può funzionare tranquillamente fino a tensioni di almeno 50V. La corrente va calcolata in previsione del fatto che, al momento dell'accensione, i diodi sono attraversati dal forte picco di corrente che va a caricare il condensatore elettrolitico completamente scarico; per tale motivo è bene utilizzare diodi in grado di sopportare correnti maggiori di quelle richieste dall'utilizzatore, e ciò tanto più quanto maggiore è la capacità del condensatore di livellamento. In particolare, nel raddrizzatore a un solo diodo, occorre considerare che la corrente passa nel diodo stesso solo per metà del tempo di funzionamento, per cui il suo flusso risulta discontinuo, con picchi di valore doppio.





IL CONDENSATORE DI LIVELLAMENTO


La tensione alternata che arriva dal trasformatore viene resa monodirezionale tramite i diodi, ma ancora non ha un valore costante: il suo valore cambia continuamente, passando da zero a un valore massimo, e questo accade, come si è detto prima, cinquanta volte in un secondo. Il condensatore che si aggiunge al circuito funziona come un serbatoio di riserva: immagazzina energia quando la tensione è massima e la restituisce quando la tensione tende a scendere. Il grafico che segue raffigura, in alto, la forma d'onda della tensione di rete a 220V applicata al trasformatore; al centro e in basso la tensione che si ottiene in uscita dopo averla raddrizzata con uno, con due o con quattro diodi. Il condensatore deve essere adatto alla tensione di uscita dell'alimentatore; in merito alla sua capacità, questa dipende sia dalla corrente richiesta dall'utilizzatore, sia dal circuito utilizzato: con un raddrizzatore ad una semionda, per esempio, occorre un condensatore di capacità doppia rispetto ad un raddrizzatore a due semionde. Il calcolo del condensatore è piuttosto complesso, e tiene anche conto della percentuale di ondulazione residua che si è disposti ad accettare in uscita.



Raddrizzatore ad una semionda con un diodo




Montiamo sulla breadboard questo circuito e iniziamo misurare le tensione al secondario e noteremo sull’oscilloscopio che la tensione è di circa 12.5 V. Nel display del nostro multimetro compare 9.78 V che corrisponde al valore efficace della tensione al secondario moltiplicando per √2 otteniamo il valore massimo (13.8 V). Il valore medio della tensione di uscita (misurata dal multimetro) è di 4.98 V. Se colleghiamo i canali dell’oscilloscopio, rispettivamente CH1 prima del diodo (onda blu) e CH2 dopo il diodo (onda rossa), vedremo sullo schermo il raddrizzamento dell’onda di ingresso con una sola semionda.







Come vediamo, in uscita “passa” solo la semionda positiva infatti durante la semionda negativa la tensione di uscita risulta nulla. Per questo il circuito viene chiamato raddrizzatore ad una semionda.



Raddrizzatore ad doppia semionda con due diodi




In questo tipo di circuito useremo il trasformatore a presa centrale in quanto ci servirà ripartire la tensione in modo uguale nei due secondari presenti. Al secondario avremo una tensione di 12 V (valore massimo) o 8.51 V (valore efficace); ripartendo la tensione nei due secondari troveremo la tensione che alimenta ogni diodo (4.25 V valore efficace). Nella figura sotto vediamo la forma d’onda delle tensioni d’ingresso nei diodi.







Con il multimetro misuriamo il valore medio della tensione d’uscita che è uguale a 3.8 V. La forma d’onda in uscita, la stessa del circuito raddrizzatore con il Ponte di Graetz, verrà rappresentata quando analizzeremo il prossimo circuito.






Raddrizzatore ad doppia semionda con ponte di Graetz






Questo tipo di circuito presenta quattro diodi, disposti in una particolare configurazione, che permettono il passaggio della semionda positiva o negativa in uscita. Nel ponte di Graetz due diodi sono polarizzati direttamente e due inversamente, questo permette sia il ribaltamento dell’onda positiva sia di quella negativa. Il valore efficace della tensione nel secondario è di 9.7 V che moltiplicato per √2 ci permette di trovare il valore massimo. Il valore efficace in uscita è pari a 7.7 V (circa il doppio del valore efficace del circuito a doppia semionda con due diodi). Il valore medio della tensione di uscita calcolato è 6.2 V questo perché si tengono conto le tensioni di soglia dei due diodi in conduzione (1.4 V).
Nella rappresentazione riportata sotto notiamo l’onda in uscita del circuito (con due diodi o con ponte di Graetz) cioè l’andamento della tensione ai capi della resistenza da 1 KΩ.











Raddrizzatore ad doppia semionda con ponte di Graetz

con condensatore di livellamento


Se in uscita colleghiamo un condensatore elettrolitico sostituendolo con la resistenza vedremo sullo schermo del nostro oscilloscopio che la forma d’onda della tensione di uscita diventa una retta con valore uguale al valore di picco della tensione misurata. La tensione quindi diventa continua in quanto il condensatore si caricherà della tensione massima (Vp) livellando così la tensione pulsante.


Forma d’onda con condensatore di livellamento.


Ora invece vedremo gli effetti con un condensatore elettrolitico messo in parallelo alla resistenza in uscita:


La resistenza in parallelo consumerà corrente fornita dal condensatore anche durante il tempo in cui non posso avere energia dal generatore, quindi il condensatore durante questo tempo si comporta come una batteria che ha immagazzinato energia. Comportandosi come una batteria quindi, se prelevo una corrente tende a scaricarsi e pertanto anche la tensione ai suoi capi scende. Più piccola è la corrente prelevata è più lento è il tempo in cui la tensione scende, e viceversa. Sull’oscilloscopio vedremo una forma d’onda simile al grafico riportato sotto:





Come si osserva la tensione d’uscita non è più perfettamente una linea costante come una vera tensione continua ma assume un andamento ondulatorio. Questa tensione prende il nome di tensione di Ripple. A parità di valore della capacità il fattore di Ripple aumenta al calare del valore della resistenza di carico. Viceversa all’aumentare della capacità, della resistenza o di entrambi, il fattore di Ripple diminuisce.
Il fattore di Ripple ci da l’idea di quanto è efficiente il raddrizzatore, quindi minore è il fattore di Ripple migliore è il livellamento cioè si avvicina ad una tensione continua. Se il condensatore si ricaricasse più velocemente vuol dire che abbiamo un fattore di Ripple piccolo quindi un raddrizzamento migliore. Per “accelerare” la carica bisogna aumentare la frequenza della tensione alternata.



Schema dei circuiti



Circuito 1




Circuito 2


La differenza fra i due circuiti sta solo nel valore dei condensatori, questo per analizzare il fattore di Ripple all’aumentare della capacità.


CIRCUITO 1: In questo circuito la componente continua della tensione di uscita (Vodc) è uguale al valore efficace; la distanza fra il valore massimo e la scarica del condensatore viene indicata con Vr che in questo caso è uguale a 110 mV. Conoscendo questi valori possiamo calcolare il fattore di Ripple % con la formula:

r % = (Vr / Vodc) * 100

Dalla formula vediamo che il fattore di Ripple è del 1.1 %.

CIRCUITO 2: Nel secondo circuito il valore della tensione di uscita è di 10 mV e il valore di Vr è di 40 mV. Utilizzando la formula precedente calcoliamo il fattore di Ripple che in questo caso è del 0.4 %. Notiamo che a parità di resistenza, ma con valore di capacità nettamente più grande, riscontriamo un valore minore del fattore di Ripple e quindi avremo un circuito raddrizzatore sicuramente migliore.
 

Blume.

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