Un alimentatore elettrico, comunemente detto alimentatore (o stadio di alimentazione), è la parte principale di ogni strumentazione elettronica, poiché funge da generatore di energia elettrica necessaria al funzionamento. In genere è posto internamente agli apparecchi di utilizzo comune (elettrodomestici e vari altri, come TV, PC, HI-FI, ecc.), ma può essere anche esterno (specifico per l'apparecchio o di tipo universale). Solitamente è costituito da tre blocchi, detti di trasformazione, raddrizzamento e livellamento, per convertire (in modo elettrico o elettronico) la comune tensione di rete, fornita in modalità alternata dagli impianti civili (in Europa è, 240 V a 50 Hz), ad una o più basse tensioni continue, a volte stabilizzate (a dei valori precisi), in base alle esigenze del apparecchio che dovrà alimentare. Ad esempio, gli alimentatori per le incubatrici forniscono solitamente tensioni di 9,3 V, ±32 V, ±100 V, mentre quelli per i computer più potenti (foto a fianco) forniscono tensioni di +3,3 V, ±5 V e ±12 V, spesso stabilizzate.

Gli alimentatori in generale differiscono ampiamente in funzione della potenza elettrica gestita (voltaggio e amperaggio) e per le caratteristiche di qualità della corrente elettrica fornita, dove la complessità e il costo aumentano in base a quanto più la tensione fornita è precisa e stabile, e quanto maggiore è l'affidabilità dell'alimentazione stessa. A questo proposito (soprattutto per gli alimentatori del PC), un crescente numero di case costruttrici ha adottato la certificazione 80 Plus, per verificare la stabilità della tensione in uscita e la quantità di energia dissipata in calore, sotto varie condizioni di carico dell'alimentatore.

Esistono anche alimentatori detti "da banco" o da laboratorio, in cui la tensione e l'intensità di corrente in uscita sono (o possono essere) regolabili a piacere in base alle necessità, e solitamente sono protetti da cortocircuiti.

Tecnologie Gli alimentatori più moderni devono poter operare correttamente entro una tolleranza minima e massima di tensione in ingresso dalla rete, e molti di questi (soprattutto gli alimentatori elettronici) accettano anche entrambi gli standard adottati nel mondo: 240 V in Europa (ed altri paesi) e 120 V in America (ed altri paesi), con le frequenze d'onda della sinusoide di 50 e 60 Hz (distribuite in base ai vari paesi).

Principalmente, esistono due tipi di alimentatore elettrico, dove i primi sono i più comuni usati nei dispositivi, mentre i secondi rappresentano tecnicamente gli alimentatori da banco, usati nei laboratori di sperimentazione e riparazione: statici: che producono uno o più valori precisi di tensione in uscita, più o meno stabilizzate; variabili: che possono modificare i valori di tensione in uscita, tramite appositi comandi manuali.

Infine, esistono due approcci tecnologici profondamente differenti, per la realizzazione degli alimentatori:

Alimentatore lineare (o elettrico)

Detto anche alimentatore dissipativo, si tratta di una tecnologia estremamente semplice ed economica, di funzioni basilari, largamente usata ove la potenza richiesta sia limitata ed il costo rappresenti un limite, ma non solo. Infatti, non mancano tuttavia esempi di alimentatori di questo tipo, in grado di erogare correnti in uscita anche di varie decine di Ampere, e viceversa. In molti casi, dove non occorra una tensione stabile e precisa, specialmente nei piccoli alimentatori a spina, non è presente la sezione di stabilizzazione.

Un generico alimentatore elettrico è idealmente (e spesso anche praticamente) composto dai seguenti elementi collegati in cascata: un trasformatore elettrico: che provvede a ridurre (o in rari casi aumentare) la tensione proveniente dalla rete elettrica, al valore richiesto dal carico/circuito da alimentare. un raddrizzatore: che trasforma la corrente alternata, fornita dal trasformatore, in corrente pulsante unidirezionale.

Può essere a diodo singolo o a ponte di Graetz (dal nome del suo inventore, il fisico tedesco Leo Graetz), il più semplice e utilizzato, composto da 4 diodi messi in serie a formare un rombo chiuso (schema a fianco), dove la disposizione è a coppie sfasate, collegati ai due cavi di corrente alternata d'ingresso (1 fase e 1 neutro) e a coppie fasate, collegati ai due cavi di uscita per la corrente continua (1 positivo e 1 negativo). Esiste anche un terzo tipo di raddrizzatore a due diodi, costituito con uno speciale trasformatore a doppia uscita e presa centrale: i due diodi sono collegati ai capi del trasformatore e accoppiati all'uscita, così la corrente esce nella stessa direzione (positivo), e la presa centrale funge da massa comune (negativo). un filtro livellatore (normalmente uno o più condensatori di grande capacità): che appunto tenta di livellare la corrente unidirezionale pulsante (e ondulata) uscente dal raddrizzatore, in una corrente continua più uniforme e di valore costante (stabile). Se sono necessarie capacità molto elevate, è comune la pratica di utilizzare più condensatori in parallelo. Il dimensionamento della capacità necessaria è orientativamente di 1000 μF per ogni ampere di corrente erogato. un circuito elettronico stabilizzatore, detto anche regolatore di tensione, che può spaziare da un semplice diodo Zener ad un circuito integrato dedicato, e che assicura che la tensione generata dall'alimentatore si mantenga costante nel tempo, entro una stretta tolleranza rispetto al valore richiesto, sia al variare della tensione della rete elettrica, che in base al carico applicato.

I principali limiti di questi alimentatori risiedono nel basso rendimento energetico, che è tipicamente inferiore al 50 %, che comporta, nel caso di elevate potenze gestite, un consistente sviluppo di calore da smaltire per evitare danni all'apparato (tuttavia, nell'uso pratico, nessuno di questi alimentatori viene mai raffreddato forzatamente con le ventole); e nell'eccessivo incremento di dimensioni e peso, all'aumentare della potenza erogata, causato dal ammasso di materiale ferromagnetico e dal rame usati nel trasformatore.

Tuttavia, questi alimentatori sono più spesso utilizzati nei circuiti Audio (amplificatori, sorgenti, effetti, mixer, ecc), poiché forniscono delle alimentazioni molto meno rumorose, rispetto agli alimentatori elettronici.

Alimentatore "switching" (o elettronico)

Detti anche alimentatori a commutazione o alimentatori elettronici, possiedono circuiti più complessi rispetto agli alimentatori elettrici, ma con diversi vantaggi, tra cui minori ingombri e pesi a parità di potenza erogata, e soprattutto maggiori rendimenti con minore calore prodotto. Tuttavia, necessitano spesso di ventilatori di raffreddamento, sono meno adatti per l'uso di laboratorio (tensioni fisse e non variabili), e sono anche caratterizzati da un ripple piuttosto elevato, e da una vasta generazione di componenti spurie ad alta frequenza, che tendono ad interferire sia con le apparecchiature che alimentano che quelle vicine, causando anche difetti vari di malfunzionamento.

Il loro funzionamento si basa sul fatto che, se viene aumentata la frequenza operativa, un trasformatore elettrico richiede un nucleo ferromagnetico più piccolo e molto più compatto, per essere più efficiente, a parità di potenza erogata. Negli alimentatori elettronici, vengono così utilizzati particolari trasformatori fatti funzionare a frequenze anche di svariate decine di migliaia di hertz (es: 200 kHz), invece dei classici 50 o 60 Hz della rete elettrica di distribuzione. Il nucleo di questo trasformatore è in ferrite, materiale realizzato con polveri metalliche incollate, invece dei tradizionali lamierini di ferro, che alle alte frequenze comporterebbero una notevole perdita di energia.

A seconda della tecnologia utilizzata, hanno anche un sistema che moltiplica la frequenza della corrente e un diodo che scarica su un condensatore, in modo tale che la corrente continua in uscita sia meno ondulata possibile. Attenzione: la tensione ai capi di questo condensatore assume valori molto elevati ed è pericolosa per l'uomo; ecco perché tale sezione è sempre ben isolata, schermata e separata dai circuiti successivi. Successivamente un circuito oscillatore di potenza modula questa corrente continua per ottenere una corrente alternata di elevata frequenza ad onda quadra con duty-cycle variabile in funzione delle esigenze del carico. Tale tecnologia è nota con il nome di PWM (pulse-width modulation, modulazione a larghezza di impulso), ed il suo pregio principale è quello di dissipare in calore una porzione molto piccola di energia, teoricamente nulla, rispetto a quella elettrica fornita. La tensione così modulata viene applicata all'avvolgimento primario del trasformatore e la tensione in uscita, presente all'avvolgimento secondario del trasformatore, viene infine raddrizzata e livellata come negli alimentatori lineari.

La funzione di stabilizzazione è solitamente ottenuta retroazionando l'errore del segnale in uscita, sul regime di funzionamento dell'oscillatore. In pratica, un circuito misura la tensione di uscita, e se questa risulta troppo alta viene ridotta l'energia inviata dall'oscillatore al trasformatore; se invece la tensione scende, viene aumentato il flusso di energia. Grazie a questo sistema, molti alimentatori switching sono in grado di accettare in ingresso un'ampia gamma di tensioni e frequenze. Per esempio gli alimentatori per notebook spesso possono essere collegati sia alla rete europea a 230 V/50 Hz, sia a quella statunitense a 115 V/60 Hz, senza presentare problemi o deficit di sorta.

L'alimentatore è reso più complesso dalla presenza dei sistemi di protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti, e dai vari blocchi di filtraggio necessari, per evitare che i rumori spuri ad alta frequenza prodotti si propaghino sul carico, oppure che ritornino verso la rete elettrica, andando a disturbare eventuali utilizzatori vicini, collegati alla stessa rete.

Ondulazione residua

Detta anche ripple, l'ondulazione residua in elettronica ed elettrotecnica, è considerata quell'ampiezza del segnale raddrizzato all'interno dell'alimentatore (visualizzabile anche all'oscilloscopio). Questa forma di segnale ondulato tende ad oscillare tra la tensione di picco e il valore di tensione continua desiderata, per cui si cerca di diminuirlo, o meglio di annullarlo, in modo da ottenere una tensione con un andamento più lineare possibile. Il modo migliore è quello di stabilizzare la tensione, oppure di aumentare la capacità di livellamento, rendendola adatta al carico. Il condensatore di filtro è una soluzione più economica, ma non efficiente. Infatti, teoricamente, per ottenere un ripple zero da questo semplice circuito sarebbe necessario un condensatore di capacità infinita, per cui il ripple è considerato un difetto dal quale è impossibile liberarsi a meno di non investire cifre irragionevoli. Un netto miglioramento si otterrebbe con un circuito che prevede più condensatori intervallati da resistori o, ancor meglio, da induttori, ma anche in questi casi l'alimentatore diverrebbe molto più complesso e, nel caso dell'induttore, avrebbe pesi, ingombri e costi proibitivi. Per questi motivi, si ricorre ormai quasi esclusivamente a circuiti elettronici, secondo la tecnologia della regolazione serie: un elemento regolatore lineare accetta in ingresso la tensione da regolare e la ripropone in uscita, pulita e stabilizzata. Questi circuiti, molto spesso racchiusi in un unico chip, sono diffusissimi, affidabili, economici e disponibili in una vasta gamma di tensioni e di intensità di corrente, di uscita. La celebre serie 78xx, è di fatto lo standard nell'alimentazione di circuiti elettronici di bassa potenza a tensione fissa, quelli più comuni. Se si desidera una tensione variabile si ricorre al chip LM317. E se serve una alimentazione di alta potenza, si ricorre a dei circuiti pilotati con varie serie di transistor regolatori in parallelo.