Alimentatori isolati e non isolati: la scelta giusta per andare a colpo sicuro

Electrical power supplies

Nella tua carriera di progettista di PCB, potresti avere la necessità di rispettare le norme di regolamentazione. Che si tratti del settore medico, automobilistico, militare o di altro, il tuo progetto sarà sicuramente esaminato e valutato in base a standard molto elevati. Spesso, quando queste normative vengono applicate, l'isolamento di potenza (o la sua mancanza) è un argomento molto attuale. 

L'isolamento di potenza è essenzialmente l'isolamento dell'alimentazione dal resto del circuito applicato. Si tratta di un argomento comune tra queste norme per ovvie ragioni, specialmente in campo medico. Con un alimentatore non isolato che alimenta il tuo PCB medico, c'è un maggior rischio che scosse elettriche pericolose si diffondano attraverso l'alimentazione e nel tuo dispositivo, potenzialmente ferendo l'utente (e forse anche il paziente!)

Grazie a una migliore comprensione degli alimentatori isolati e non isolati, di dove di si trovano i loro potenziali punti deboli e di come farli funzionare in modo ottimale, possiamo migliorare il modo in cui realizziamo dispositivi che funzioneranno senza problemi e, certamente, senza danni. È quindi nell'interesse di tutti prendere in considerazione queste normative molto prima di iniziare a operare su un altro essere umano. 

L'alimentatore isolato

Come da definizione, un alimentatore isolato è un alimentatore che è elettricamente isolato dal resto del circuito che sta alimentando. La "barriera" per la maggior parte di questi alimentatori isolati deriva dall'uso di un trasformatore. 

I trasformatori sono essenzialmente dei magneti di grandi dimensioni. Questi magneti assorbono normalmente una corrente alternata e mirano ad aumentare o diminuire la tensione a seconda delle esigenze a valle. Il vantaggio dell'isolamento è che il magnete agisce letteralmente come una parete magnetica di protezione, in quanto un'eventuale sovracorrente che potrebbe tentare di passare attraverso il trasformatore viene bloccata immediatamente. Ciò mantiene protetta, o appunto "isolata", qualsiasi cosa si trovi a valle del trasformatore.

Come detto in precedenza, questi alimentatori sono spesso richiesti nei settori regolamentati. Tuttavia, il fatto che per raggiungere l'obiettivo sia spesso utilizzato un magnete di grandi dimensioni rende impraticabile rispettare i requisiti di spazio di cui si pensava di disporre. Ma io (e come me probabilmente molti altri) preferisco un dispositivo di grandi dimensioni che sia isolato e sicuro, al rischio di scosse pericolose durante l'uso!

Un altro punto di cui tener conto, quando si utilizzano questi alimentatori isolati, è l'efficienza. Questi trasformatori di fatto non sono efficienti quanto le versioni non isolate. Questa inefficienza proviene dalle caratteristiche fisiche del trasformatore stesso. Poiché si usa il nucleo di ferro come un'immaginaria "leva", parte dell'energia si perde mentre il calore si dissipa attraverso il metallo e nell'aria mentre esce dal dispositivo.

A power transformer

Gli alimentatori isolati utilizzano spesso un trasformatore come questo

L'alimentatore non isolato

Ora che sappiamo in che modo l'alimentatore viene isolato dalla scheda, diventa piuttosto ovvio che togliendo il trasformatore dalla catena di progettazione, improvvisamente si rende l'alimentatore non isolato. Logico, no? Questi alimentatori spesso utilizzano chip per regolare la potenza.

Progettare una scheda senza isolamento di potenza è una pratica comune, soprattutto se si opera fuori dal contesto normativo. Tuttavia, è opportuno considerare l'utente finale lungo il percorso di progettazione, poiché se l'alimentatore che hai realizzato si guasta e dà al tuo cliente preferito una scossa difficile da dimenticare, potresti andare incontro a cause legali.

La realizzazione di questi progetti con alimentazione non isolata sono numerosi. In primo luogo, potrai approfittare di un aumento dello spazio disponibile (rispetto a una progettazione isolata), dovuto al fatto che non dovrai inserire un grosso magnete nell'involucro. [Dichiarazione completa: Altium da pari opportunità alle società che producono trasformatori. Accettiamo magneti di tutte le forme e dimensioni: tutti i magneti sono benvenuti!]

Overloaded circuit

Gli alimentatori non isolati comportano sempre il rischio di scosse elettriche nell'intero progetto.

A parte gli scherzi, beneficerai anche di un aumento dell'efficienza del tuo alimentatore poiché, ancora una volta, non sarai obbligato a utilizzare un magnete grande, grosso e inefficiente. Questi magneti non sono proprio molto amati, ultimamente. Molte unità non isolate rientrano ampiamente nel 95esimo percentile di efficienza.

Vale la pena notare che è pratica comune posizionare questi alimentatori non isolati a valle di un alimentatore isolato (talvolta separandoli fisicamente l'uno dall'altro). Si tratta di un design un po' più complesso, ma ha il vantaggio di fornire la protezione adeguata per la conformità ai requisiti di sicurezza. Un esempio di questa modalità costruttiva può essere un alimentatore autonomo (isolato) per dispositivi medici che alimenta diversi dispositivi (non isolati) a valle.

Quindi qual è il sistema giusto per te?

Dopo aver appreso i fatti, i vantaggi e le applicazioni, sai qual è la tipologia più adatta alla tua applicazione? Probabilmente la decisione verrà determinata da alcuni fattori concreti, ma ovviamente disponi di svariate opzioni per raggiungere il giusto compromesso.

Isolare l'alimentatore comporta l'utilizzo di spazio necessario per altri componenti e porta ad una progettazione leggermente meno efficiente ma protetta, mentre utilizzare che un alimentatore non isolato garantisce spazio ed efficienza, ma a costo (potenzialmente pericoloso) della rinuncia alla protezione. Disponi adesso di informazioni sufficienti per prendere una decisione ponderata sulla tipologia da adottare.

Programmi come Altium possono aiutare notevolmente nella progettazione e nell'instradamento di entrambe queste progettazioni. Utilissime funzioni come il PDNA offrono un'ottima analisi della distribuzione di potenza all'interno di qualsiasi parte del progetto.

Per discutere di quale tipologia di alimentazione sia la più adatta per te, parla con un esperto di Altium oggi stesso.

Informazioni sull'autore

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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