GUIDA Interpretazione dei VRM tramite l'analogia idrico-elettrica

Avets · 10 Maggio 2021

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I VRM VISTI COME IMPIANTO IDRAULICO

INTRODUZIONE

Con il seguente testo ci si propone di offrire una interpretazione alternativa e forse più vicina al "senso comune" dei sistemi elettrici.

Successivamente si procederà ad applicare questa interpretazione al funzionamento dei VRM (voltage regulator module) presenti nelle schede madri.

L'ANALOGIA IDRICO-ELETTRICA

Acqua ed elettricità non funzionano per nulla bene assieme nella pratica. Tuttavia, meno banalmente, si dimostrano essere due facce di una stessa medaglia dal punto di vista teorico, e cioè per quanto riguarda le leggi fisiche/matematiche che ne governano i relativi sistemi.

Proprio come gli elettroni viaggiano vincolati nei fili di rame, così anche le molecole d'acqua scorrono nei tubi. Questa semplice affermazione costituisce il primo, fondante e necessario parallelismo tra i due sistemi (idrico ed elettrico) a cui poi seguono le successive corrispondenze:

ELETTRICITA'	IDRAULICA
POTENZIALE (Volt) Determina da quale parte scorre la corrente (dai luoghi a maggior potenziale verso quelli a minore potenziale). Si puo semplicisticamente intendere come l'energia (potenziale) di una carica.	PRESSIONE / PREVALENZA (Pascal / Metri) Determina da quale parte scorre l'acqua (dai luoghi a maggior pressione verso quelli a minore pressione). Si puo semplicisticamente intendere come l'energia (potenziale) di un fluido.
CORRENTE (Ampere) Rappresenta la quantità di elettroni che passano attraverso un filo (o altro componente).	PORTATA (m^3 / s) Rappresenta la quantità di acqua che passa attraverso un tubo (o altro componente). Volume di acqua, massa di acqua e numero di molecole di acqua sono tutte grandezze univocamente collegate.
GENERATORE/BATTERIA Crea una differenza di potenziale alle sue estremità che fa muovere le cariche.	POMPA Crea una differenza di pressione alle sue estremità che fa muovere il fluido.
CONDENSATORE Accumula cariche elettriche. Può caricarsi o scaricarsi e facendolo mitiga la variazione di potenziale.	SERBATOIO Accumula acqua. Può riempirsi o svuotarsi e facendolo mitiga la variazione di potenziale.
INDUTTORE Si oppone alla variazione della corrente che lo attraversa esercitando un potenziale atto a mantenere il flusso di corrente costante.	INERZIA (della massa del liquido) Si oppone alla variazione della portata esercitando una pressione atta a mantenere il flusso di acqua costante.
RESISTENZA (elettrica) Si oppone alla corrente rallentandola con un optenziale contrario.	RESISTENZA (idraulica) Si oppone al flusso di liquido rallentandolo con una pressione contraria.
INTERRUTTORE Interrompe il passaggio di corrente.	VALVOLA / RUBINETTO Interrompe il passaggio di fluido.
DIODO Permette il passaggio di corrente in una sola direzione.	VALVOLA DI RITEGNO Permette il passaggio di acqua in una sola direzione.

Una breve nota: questa analogia tra sistemi idraulici ed elettrici si fonda sulla perfetta sovrapponibilità delle equazioni matematiche che descrivono la dinamiche dei fenomeni (o dei componenti) sopracitati. Questo legame è molto più di una semplice "somiglianza".

I VRM (VOLTAGE REGULATOR MODULE)

Il fondamenteale compito assegnato ai VRM nelle schede madri è quello di trasformare la corrente continua 12v dell'alimentatore in corrente continua a 1,2v (valore medio preso come esempio).

Qui, però, considereremo la necessità di abbassare la pressione (pressione = voltaggio nella analogia sopracitata) di un flusso d'acqua da 12m a 1,2m (la pressione coincide con la prevalenza che si misura in metri, comunque è bene ricordare come le unità di misura, per gli scopi propostisi, possano essere ignorate dal lettore).

Inoltre, invece di proporre subito la soluzione al problema, essa verrà costruita passo passo in modo tale da facilitarne (sperabilmente) la comprensione.

Durante tale processo ci si rivolgerà in seconda persona ai lettori.

1-SITUAZIONE INIZIALE: POMPA - UTILIZZATORE

Abbiamo una pompa che genera una prevalenza (pressione) di 12m ed un utilizzatore che però necessità di soli 1,2m per il suo funzionamento.

2-AGGIUNTA VALVOLA

Aggiungiamo una valvola o rubinetto in modo da poter arrestare il flusso d'acqua all'occorrenza.

Questa valvola (dovendo mantenere l'analogia di funzionamento con un interruttore) può essere in posizione completamente aperta o completamente chiusa.

Aprendo la valvola per un decimo del tempo in cui rimane chiusa possiamo dire che la pressione media che arriva all'utilizzatore è di circa un decimo di quella iniziale e quindi 1,2m.

Tuttavia, trascorrere 1 secondo con pressione 12 e 9 secondi con pressione 0 non è quello di cui ha bisogno l'utilizzatore (cioè 1,2 costanti per tutto il tempo).

3-SFRUTTAMENTO DELL'INERZIA

Come detto, aprendo e chiudendo il rubinetto alternavamo periodi di eccessiva pressione a periodi con pressione nulla.

Per mitigarli decidiamo di sfruttare l'inerzia del liquido inserendo una tubazione particolarmente larga che possa quindi contenere una grande massa di liquido (in alternativa si poteva immaginare una tubazione estremamente lunga, non ci stava nel disegno ma sarebbe stato più corretto dal punto di vista pratico).

A differenza di prima, quando ora apriremo la valvola, il fluido dovrà accelerare tutta la colonna d'acqua a valle per poter poi scaricare la sua pressione sull'utilizzatore che quindi vedrà quest'ultima salire linearmente nel tempo. Allo stesso modo, una volta chiuso il rubinetto, la massa di acqua dovrebbe (il condizionale è d'obbligo e si spiegherà poco più avanti, se non avete già intuito il perché) continuare a spingere fluido attraverso l'utilizzatore per un po' di tempo.

4-TORRETTA PIEZOMETRICA (SERBATOIO IN ALTEZZA)

Per mitigare ulteriormente la flutuazione di pressione del liquido prima dell'entrata nell'utilizzatore possiamo inserire un serbatoio posto a 1,2m di altezza.

In questo modo quando la pressione scenderà sotto gli 1,2 il liquido del serbatoio si riverserà parzialmente nelle tubature esterne andando a compensare questa caduta. Quando invece la pressione supererà gli 1,2 una parte dell'acqua si riverserà dalle tubature esterne nel serbatoio, riducendo questo picco di pressione.

Notiamo come il serbatoio mitighi le variazioni di pressione diversamente dall'inerzia del liquido, in esso l'acqua è ferma e non possiede pertanto inerzia. Viceversa il tubo con "grande inerzia" mitiga le variazioni di flusso ma non di pressione.

5-CIRCUITO DI COMPENSAZIONE

Ai più attenti non sarà sfuggito che con la chiusura repentina della prima valvola nei circuiti precedenti, si avrebbe un istantaneo blocco di tutto il circuito che, nella pratica, si risolverebbe nella creazione di una "bolla di vuoto" tra la valvola chiusa ed il liquido a valle che cerca di mantenere il suo stato di moto.

Per evitare questa deleteria e pericolosa situazione, aggiungiamo una seconda valvola come rappresentato sotto. In questo modo il liquido che avanza con tutta la sua inerzia verso l'utilizzatore, al momento della chiusura della valvola in alto a sx può "tirarsi dietro" il liquido proveniente dalla valvola più in basso che, opportunamente aperta, permette di andare a colmare la suddetta "bolla di vuoto".

6-RICAPITOLANDO IL FUNZIONAMENTO

- si apre la valvola in alto a sx (quella in basso è chiusa)

- il liquido comincia ad accelerare e la pressione nell'utilizzatore sale

- anche il livello del serbatoio sale

- si raggiunge la pressione massima (1,3 per esempio)

- si chiude la valvola in alto e si apre quella in basso

- il fluido per inerzia continua a circolare ma deve "tirarsi dietro" il fluido dal lato basso e spingersi attraverso l'utilizzatore

- la pressione all'utilizzatore cala e raggiunge il minimo (1,1 per esempio)

- si apre la valvola in alto (si chiude quella in basso) e si riparte da capo

Sostituendo i componenti idraulici con i rispettivi elettrici nell'ultimo schema si ottiene quello di un VRM monofase.

Ecco come esempio lo schema di un VRM monofase:

Si noti come ogni* componenete elettrico dello schema qui sopra trovi corrispondenza nell'analogo componente del istema idraulico precedente secondo la tabella proposta in apertura.

*Manca solo il diodo che sarebbe corrisposto ad una valvola di ritegno, tralasciato per~~ché mi sono dimenticato~~ semplicità.

Sperabilmente, ragionare su inerzia di un liquido piuttosto che di induttanza, oppure di serbatoi invece che condensatori, o ancora, bolle di vuoto piuttosto di picchi di potenziale negativo, sarà risultato di più facile comprensione trattandosi di fenomeni più vicini al senso comune (sebbene di semplicità certamente non assoluta per i "non addetti ai lavori").

Avets.