Ac-Dc progettati per durare a lungo

La durata di un alimentatore è una caratteristica che dipende da molti fattori: di questi, il più rilevante è lo stress a cui alcuni componenti sono sottoposti. In questo ambito la temperatura gioca un ruolo fondamentale: tutti i componenti, sia pure a livelli diversi, ne sono influenzati. Un altro fattore che può porre limite alla vita di un moderno alimentatore è costituito da quelle parti elettromeccaniche quali ventole e relè che, in diverse circostanze, possono deteriorarsi. In un tipico alimentatore gli elementi che maggiormente influiscono sulla sua durata sono i condensatori elettrolitici. Generalmente, questi componenti possono essere impiegati in tre funzioni fondamentali: come circuito di start-up, come bulk-capacitor d'ingresso o come livellamento in uscita. E a ciascuna di queste funzioni, corrisponde un diverso impatto che l'eventuale guasto di un condensatore può avere sulle prestazioni dell'alimentatore.

L’impatto dei guasti sulle prestazioni

Consideriamo per primo il caso del condensatore impiegato come start-up. Al momento dell'accensione, il condensatore inizia a caricarsi e l'energia in esso immagazzinata viene utilizzata per alimentare i circuiti integrati di controllo, mentre l'uscita si porta al valore stabilito. Una volta raggiunte le condizioni di regime è lo stesso alimentatore a fornire energia al circuito di controllo, e il condensatore non ha più alcuna funzione utile. A un eventuale degrado del condensatore, corrisponde una quantità di energia immagazzinata sempre inferiore, fino al punto in cui questa non è più in grado di garantire lo start-up. Questo meccanismo di guasto è frequente in applicazioni server in cui gli alimentatori devono funzionare costantemente a temperature ragguardevoli. Quando il condensatore di start-up va fuori servizio, la sua funzione risulta compromessa, anche se l'alimentatore continua a funzionare regolarmente: il guasto si manifesta solo dopo che l'alimentatore è stato spento per la manutenzione di routine e, una volta riacceso, non è più in grado di ripartire. Per il bulk-capacitor, ovvero quello che solitamente in un alimentatore è il condensatore d'uscita del circuito di correzione del fattore di potenza, la conseguenza del deterioramento è un ridotto tempo di hold-up. I 20 ms di un alimentatore con un condensatore nuovo si riducono a fronte di una graduale evaporazione dell'elettrolita e della conseguente diminuzione di capacità. Il problema si manifesta come un'intolleranza ai brown out, causa di “soft errors” nell'apparecchiatura. Per evitare problemi di questo tipo, è necessario che in fase di progettazione si scelgano valori di capacità più alti, in modo da tener conto dell'invecchiamento a lungo termine. Sebbene ciò aumenti il costo dell'alimentatore, è comunque giustificabile in applicazioni in cui si impone un hold-up affidabile per il salvataggio di dati importanti, o quando ci si debba destreggiare su linee disturbate o, più semplicemente, quando dall'utente finale sia richiesta una lunga vita di servizio attivo. Spostandoci sui condensatori d'uscita, è da ricordare che quando questi iniziano a deteriorarsi, si riscontrano livelli più alti di ripple, di rumore e una perdita di stabilità del loop di controllo. In applicazioni di imaging o di test e misura, dove spesso si ha a che fare con piccoli segnali, un basso livello di rumore è essenziale. Con l'invecchiamento dei condensatori di uscita il ripple e il rumore in genere aumentano, riducendo drasticamente il rapporto segnale-disturbo, portando gravi conseguenze sul funzionamento dell’apparecchiatura finale. In tutti i casi illustrati l'alimentatore, pur non presentando guasti gravi, ha comunque cessato di funzionare in maniera corretta, causando problemi all'apparecchiatura che lo contiene.

Margini di progetto

Per quanto riguarda il condensatore di start-up, è opportuno scegliere un dispositivo con temperatura di lavoro di 105°C, assicurandosi che venga collocato in una zona con temperatura relativamente bassa. Tale condensatore infatti non è soggetto a significative correnti di ripple e quindi deve soltanto essere protetto dal riscaldamento proveniente dall'esterno. Ad esempio, se la temperatura massima dell'ambiente che circonda il condensatore è di 75 °C, la sua vita operativa potrà essere fino a 8 volte quella garantita a 105 °C. Lo stesso vale anche per il bulk-capacitor, ovvero il condensatore del circuito di correzione del fattore di potenza. Anche in questo caso è consigliabile orientare la scelta verso componenti di categoria 105 °C. Adottando un buon margine di tensione e curando il progetto dell'alimentatore dal punto di vista termico, ponendo attenzione a mantenere una temperatura attorno al condensatore di 75°C o meno, ci si può aspettare una vita operativa ragionevolmente lunga. È chiaro che usando condensatori a 85°C si può ottenere un vantaggio economico: la contropartita sarà però la possibilità che tali componenti gettino la spugna più velocemente: prova è che, in generale, i condensatori con il più basso livello di temperatura sono riservati ad applicazioni consumer di basso costo. Per finire, i condensatori di uscita devono avere un basso valore di Esr (resistenza serie equivalente) per far fronte alle alte correnti interne di ripple e possibilmente, nel caso di progetti che contemplano correnti di ripple molto alte, con un prefiltro costituito da condensatori ceramici abbinati a piccole induttanze. È proprio sui condensatori di uscita che spesso l'impatto sulle correnti di ripple è trascurato, specialmente quando si devono progettare alimentatori con alta densità di potenza e a basso costo. Ma non solo: spesso anche il prefiltro è sacrificato alle esigenze di spazio e di costo. All'interno di un alimentatore, altri componenti come dispositivi con connessioni a filo, fusibili, e persino i terminali dei componenti per montaggio superficiale, sebbene meno sensibili alle alte temperature, possono comunque vedere la propria vita ridursi a causa delle implicazioni meccaniche di altri effetti termici quali dilatazione e contrazione. È pertanto buona prassi tenere sotto controllo la temperatura operativa di un alimentatore limitando la temperatura dei singoli componenti nelle diverse posizioni e non soltanto quella dei condensatori elettrolitici. Per il progettista di alimentatori, il controllo di queste temperature diventa particolarmente importante qualora sia necessario prevedere un flusso d'aria per il raffreddamento.

Aspettative di un lungo servizio

In conclusione, per garantire una vita più lunga all'apparecchiatura finale, è necessario attenersi scrupolosamente alle istruzioni per l'installazione fornite dal fabbricante, soprattutto per evitare che vengano superate le temperature di lavoro di componenti critici. Un buon venditore di alimentatori deve poi essere in grado di fornire un adeguato supporto tecnico e tutte le misure relative alla validazione dei propri prodotti, per garantire che l'Oem soddisfi le aspettative del cliente per una lunga vita di servizio attivo sul campo.

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