Varie Soluzioni per Alimentatori Stabilizzati

NE555   Qui di Seguito Vengono Proposte Varie Soluzioni per Ottenere dei Semplici Schemi di Alimentatori Lineari Con e Senza Regolatore di Tensione…


 
 
 
 




 
INTRO

Per il funzionamento degli schemi elettrici servono delle tensioni stabili, il più possibili precise, e in base al circuito da alimentare, il circuito di alimentazione deve avere delle determinate caratteristiche. Ad esempio per un amplificatore ad alta fedeltà serve una tensione con meno ripple possibile e con elevata corrente, per un circuito digitale invece servono basse correnti ma tensione con valore stabile per non bruciare i dispositivi mentre per circuiti meno precisi e con problemi di alimentazione basta utilizzare un semplice raddrizzatore. Il ripple deve essere il più piccolo possibile, e il ripple è definito come la tensione tempovariante che si somma alla tensione continua desiderata. In particolare si definisce in percentuale e questo valore deve essere intorno al 5%, questo vuol dire che se voglio 5V in uscita con il ripple al 5% si avrà in realtà una tensione che oscilla tra 5V+(0,05*5/2)=5,125V e 5V-(0,05*5/2)=4,875V. Di seguito sono presentate varie soluzioni per alimentatori lineari, se si vuole realizzare un alimentatore switching si può consultare l’artico sull’integrato LTC1771.

 




 

ALIMENTATORI LINEARI SENZA REGOLAZIONE, RADDRIZZATORE A SINGOLA SEMIONDA

Lo schema è il seguente:

NE555   Per abbreviare il discorso verranno espressi solo i concetti fondamentali e verranno fatte ipotesi semplicistiche e approssimate che in ogni caso sono valide e ottime per una rapida progettazione.

Il trasformatore T1 serve per passare da una tensione a 220V a una tensione minore, ne esistono migliaia in commercio, ognuno con una sua caratteristica, bisogna scegliere quello adeguato in base a tensione corrente desiderata. Conoscendo la tensione rms in uscita dal trasformatore si può conoscere la resistenza in uscita. La caduta di tensione sul diodo è di circa 1V (Vdiodo), per conoscere il valore preciso bisogna consultare il datasheet, quindi il valore della tensione media in uscita (ipotizzando un condensatore bel dimensionato) sarà:

NE555   Per quanto riguarda il dimensionamento della capacità si avrà:

NE555   Dove f è la frequenza, ovvero 50Hz, r è il ripple, ad esempio 0,05 per un ripple del 5% mentre Vout e Iout sono tensione e corrente assorbita dal carico. Il diodo deve avere una tensione inversa il quadruplo della tensione di uscita (in realtà il diodo vede una tensione inversa doppia rispetto Vout, ma per sicurezza si raddoppia ancora questo valore), in particolare il diodo 1n4007 ha una tensione inversa di 1000V. La corrente media del diodo deve essere minore di quella massima; il diodo nello schema supporta 1A.

Questo schema si utilizza nel caso di tensione in uscita bassa e correnti elevate per non avere elevate perdite di potenza sul diodo, lo svantaggio è che serve un condensatore molto grande per avere un ripple basso e inoltre una semionda della tensione V1 non viene utilizzata.

 

ALIMENTATORI LINEARI SENZA REGOLAZIONE, RADDRIZZATORE A PRESA CENTRALE

Lo schema è il seguente:

NE555   Questa volta si utilizza un trasformatore diverso,  detto a presa centrale, inoltre si utilizzano due diodi, in modo tale di avere due semionde sull’uscita, quindi meno tempo di off e di conseguenza serve una capacità minore per avere un ripple basso, in particolare la metà di quella del caso precedente. Si utilizza quindi la formula precedente e si divide ala fine per due. Per la tensione in uscita vale la formula precedente, e V1 e V2 devono essere uguali. Questo circuito garantisce una bassa perdita di potenza dovuta alla caduta di tensione sui diodi, permette l’uso di un capacitore di dimensioni minori a parità di ripple, però richiede un trasformatore più grande visto il doppio avvolgimento. La tensione inversa nei diodi è uguale al caso precedente, quindi si sceglie un diodo con tensione massima il quadruplo di Vout mentre la corrente questa volta è un pò minore.

 

ALIMENTATORI LINEARI SENZA REGOLAZIONE, RADDRIZZATORE A PONTE DI GREATZ

Questa soluzione prevede due possibile implementazioni, una è l’alimentazione duale, ovvero si ha una tensione positiva e una negativa, l’altra è con alimentazione singola, rispettivamente gli schemi sono:

NE555   Queste soluzioni permettono di calcolare il condensatore come nel caso del raddrizzatore a presa centrale, quindi permettono di avere condensatori di taglia minore a parità di ripple. La tensione del condensatore in tutti i casi deve essere almeno il doppio di quella d’uscita. La corrente nei diodi è uguale al caso precedente solo che questa volta la tensione inversa massima è solo pari a Vout quindi la tensione inversa massima deve essere solo il doppio di Vout. Il trasformatore deve essere a presa centrale se si vuole tensione duale e a singolo secondario se si vuole tensione singola, quindi si ha un risparmio di rame del trasformatore.

L’inconveniente di questo schema è che la corrente scorre in due diodi, quindi si avrà il doppio della potenza dissipata sui diodi, inoltre, la tensione di uscita sarà:

Quindi si perde una caduta doppia sui diodi, che pesa però molto poco se la tensione è molto alta, ovvero ad esempio, visto che si perdono circa 2*1V=2V sui diodi, pesa poco su una tensione con valore >15V. questo schema si può usare anche con tensioni minore, però si ha perdita inutile di energia.

 

PERCHE’ USARE I REGOLATORI DI TENSIONE?

Tutte le soluzioni viste sopra sembrerebbero perfette, ma presentano una serie di problemi. Prima di tutte hanno un ripple che per alcuni circuiti è elevato, abbattere il loro ripple richiederebbe condensatori enormi con un costo di soldi, ingombro e peso. Un altro problema è che la tensione di rete ha delle fluttuazioni in percentuali, questo vuol dire che cambiando zona invece di avere 220Vrms posso avere 210Vrms, oppure 230Vrms, questo vuol dire che anche la tensione in uscita varia di una certa percentuale, e se questa è troppo elevata e lo schema da alimentare poco sensibile a variazioni, potrebbe causare gravi danni.

Si utilizzano quindi i regolatori lineari e switching. I regolatori lineari sono molto più semplici ed economici ma di contro assorbono la potenza in eccesso e la trasformano in calore, quindi sono poco efficienti dal punto di vista energetico. I regolatori switching invece arrivano ad efficienze molto vicine al 100% solo che richiedono componenti esterni e sono più costosi, inoltre hanno un ripple maggiore dei lineari. Vi sono anche soluzioni ibride, ovvero si utilizzano regolatori switching per passare da tensioni elevate a basse tensioni e poi si utilizza un lineare per eliminare il ripple e altre possibili variazioni. Ad esempio dopo il raddrizzatore con filtro capacitivo ho una tensione di 20V ma ho bisogno di una tensione a 5V; utilizzo un regolatore switching per passare da 20V a 6V e poi utilizzo un lineare per passare da 6V a 5V ottimizzando l’efficienza. Con il regolatore switching non posso arrivare propri a 5V perché devo considerare il ripple, inoltre i regolatori lineari hanno un parametro detto tensione di drop-out, ovvero la minima differenza tra ingresso e uscita per garantire l’uscita voluta. Questo vuol dire che se il regolatore lineare ha un drop-out di 1V e voglio 5V in uscita, la tensione in ingresso deve essere almeno 6,5V, un volt di tolleranza per il drop-out u 0,5V di tolleranza per il ripple. Inoltre bisogna considerare anche le fluttuazioni della tensione di rete, quindi conviene considerare un 10% in più del valore ottenuto, in questo caso il 10% di 6,5 è 0,65, quindi in ingresso devo avere una tensione di circa 7,2V per essere sicuro di avere in uscita 5V anche nella situazione peggiore.

Se si decide di passare da una tensione elevata a una bassa, ad esempio da 20V a 5V , bisogna considerare anche il criterio termico, ovvero quanto riscalda  il dispositivo e se serve un dissipatore. Se il circuito assorbe 100mA e la differenza tra la tensione in ingresso e quella di uscita è 10V verrà dissipato 1W, in base al regolatore lineare utilizzato, potrebbe essere richiesto un dissipatore o di utilizzare un regolatore in un package differente.

Esiste una famiglia di regolatori molto conosciuta, usati ed economici; è la famiglia L78xx dove la xx indica il valore della tensione di uscita, ovvero ad esempio, se ho il dispositivo L7805 questo avrà una tensione di uscita di circa 5V. ovviamente il processo costruttivo non è perfetto, quindi si potrebbe avere una tensione diversa da dispositivo a dispositivo, in ogni caso non è una escursione tempovariate (dipende solo da temperatura, tensione di ingresso media, corrente in uscita e altri parametri indicati sul datasheet).

Ricordate che per misurare le correnti massime, le tensioni massime e altri parametri si possono usare simulatori come multisim, psice o altri.

 




 

L7812 CON TENSIONE DI USCITA NOMINALE

Questo dispositivo esiste con varie tensioni d’uscita, come potrete leggere sul datasheet, in questo esempio si utilizza la versione per ottenere 12V in uscita. Lo schema è il seguente:

NE555   Per ottenere una uscita di 12V in ingresso si deve avere una tensione di almeno 16V, questo perché si hanno 2,5V di drop-out massimi più una tolleranza di almeno altri 1,5V. Quindi si avrà una differenza di tensione minima di 4V e conoscendo la corrente si può calcolare la potenza. Nel datasheet c’è scritto che la tensione può variare tra i 11,5V e i 12,5V inoltre la tensione massima in ingresso è 35V e la corrente massima può essere fino a 1,5A. dispone di protezioni termiche e dei cortocircuiti che abbassano la tensione se vi sono problemi. Se si usa un case TO220, questo ha una resistenza termica senza dissipatore di 50°C/W questo vuol dire che essendo la temperatura massima 150°C può dissipare al massimo 3W se la temperatura ambiente è di 0°C. Ovviamente non bisogna farlo lavorare alla temperatura massima. Il calcolo della potenza massima è semplice, P=(150-Ta)/Rtc dove Ta è la temperatura ambiente e Rtc è la resistenza termica del case. Se si usa il dissipatore la formula diventa P=(150-Ta)/(Rtjc+1+Rtd) dove Rtj è la resistenza termica tra la giunzione e il case, indicata nel datasheet mentre Rtd è la resistenza termica del dissipatore a disposizione.

Il test effettuato su questo dispositivo ha prodotto il seguente risultato:

NE555   Ovviamente usando un L7805 avrei avuto una tensione intorno i 5V, utilizzando un L7809 avrei avuto una tensione intorno i 9V e così via.

 

L7812 CON TENSIONE DI USCITA MAGGIORE UTILIZZANDO DEI DIODI

I 12V nominali in uscita sono riferiti rispetto al terminale di massa, quindi se inserisco una tensione diversa dalla massa sul terminale di riferimento potrei prelevare una tensione tra l’uscita e la massa maggiore di quella nominale. Come sappiamo un diodo ha una caduta ai suoi capi di circa 0.7V quando vi scorrono correnti basse, quindi ponendolo tra il pin di riferimento e la massa posso ottenere in uscita una tensione di circa 12,7V. lo schema è il seguente:

NE555   La stessa cosa la posso ottenere inserendo un diodo Zener che mi permette inoltre, variando il modello, di variare la tensione ai suoi capi, ottenendo ad esempio con uno Zener da 3,3V una tensione in uscita di 15,3V circa. La corrente di polarizzazione giunge dal pin di riferimento, indicato nello schema come COMMON.Lo schema è il seguente:

NE555   Il risultato ottenuto nel caso della soluzione con semplice diodo è la seguente:

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L7812 CON TENSIONE DI USCITA MAGGIORE O VARIABILE UTILIZZANDO UN PARTITORE RESISTIVO

Un altro metodo per aumentare la tensione d’uscita, oppure ottenere tensioni non nominali è quello di utilizzare un partitore resistivo per fornire una tensione diversa da 0 sul pin di riferimento. Ci sono due soluzioni, usare due resistenze che prelevano parte della tensione d’uscita e forniscono una tensione al pin di riferimento, oppure utilizzare un trimmer e un buffer di tensione per avere una tensione variabile. Gli schemi sono i seguenti:

NE555   Nel primo caso la corrente che scorre in R1 deve essere >= 50mA quindi la resistenza nominale R1 sarà uguale a Vxx/0,05 dove Vxx è la tensione nominale del regolatore. La relazione che lega Vout alla resistenza R2 invece è Vout = Vxx(1+R2/R1) + Id*R2, dove Vxx è sempre la tensione nominale, R1 si è calcolata prima mentre Id è assimilabile a 6mA. L’unica incognita è R2 oppure Vout se conosco già R2.

Questo circuito ha l’inconveniente che la rete resistiva assorbe corrente e quindi vi sarà una parte di potenza dissipata dal regolatore per colpa del partitore resistivo, inoltre non esistono tutte le resistenze con i valori voluti, quindi non si otterrà mai il valore di uscita voluto in modo preciso. Le resistenze R1 e R2 devono avere una potenza adeguata. Si potrebbe pensare di usare R1 e R2 di valore elevato, ma vista la corrente che esce dal contatto di riferimento, questo non è possibile.

Il secondo schema è simile al primo solo che come partitore si utilizza una resistenza di valore elevato e inoltre è una resistenza variabile. La corrente del pin di riferimento viene assorbita dall’operazionale che si comporta come buffer di tensione, quindi è assimilabile a un generatore di tensione con in serie una resistenza molto bassa. Si riesce quindi ad avere una tensione non di valore nominale, la si riesce a tarare o a variare e inoltre non si sovraccarica l’uscita. L’operazionale può essere alimentato con una tensione a ripple non basso visto che al suo interno ha un circuito per la reiezione del ripple.

 

REGOLATORE DI TENSIONE DUALE

Il 7812 o in generale il 78xx serve per regolare tensioni positive, per tensioni negative vi è la versione 79xx. Per ottenere +12V e -12V si utilizza un 7812 e un 7912. Lo schema è il seguente:

NE555   E misurando la tensione negativa si ottiene:

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DOWNLOAD

Nel datasheet sono presenti altri schemi per altre applicazioni, come ad esempio: lo schema per ottenere correnti elevate, lo schema per creare un riferimento di corrente, lo schema da usare quando si hanno elevate Vin e altri ancora. Consiglio quindi la lettura del datasheet.

Il datasheet può essere scaricato dal seguente LINK!!!





 

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Varie Soluzioni per Alimentatori Stabilizzati ultima modifica: 2016-04-26T10:00:30+00:00 da ne555

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