Alimentatore Lineare da 20A Massimi con Basso Drop Out, Tensione Regolabile o Tarabile da 2.5V a 30V e con Protezione da Corto Circuito…
INTRO
Lo schema seguente sfrutta un amplificatore operazionale per mantenere costante l’uscita di inseguitore di tensione realizzato con un mosfet, grazie a una tensione di riferimento il più stabile possibile. Il principio di funzionamento è il seguente:
Il mosfet è di tipo P in modo tale da avere Vds pari solo alla corrente per la resistenza interna, quindi basso drop out vista la resistenza interna molto piccola. Per il principio del corto circuito virtuale, se l’amplificatore operazionale è ben connesso, sul pin non invertente ci sarà la stessa tensione del pin invertente, questo fa si che all’interno del partitore ci sia una tensione pari a Vref. Visto che il partitore ha rapporto 1/2 (R6/(R6+R4)) la tensione d’uscita sarà il doppio di Vref. Ad esempio se Vref è 5V allora la tensione d’uscita sarà 10V se la Vin è maggiore di 10V.
Il principio di funzionamento della protezione dai corto circuiti è il seguente:
Supponiamo per semplicità che la corrente in ingresso sia uguale alla corrente in uscita, cosa vera se non è attiva la protezione dal cortocircuito. Per essere attivo il transistor bisogna avere una Vbe di almeno 0.6V per il transistor BC558. Se attivo allora la Vg è uguale a Vin mentre la Vs sarà Vin-0.6, quindi la Vgs sarà minore della tensione di soglia del mosfet e quindi il mosfet è spento. Per conoscere la corrente bisogna dividere la tensione 0.6 diviso la resistenza R7. Nel caso di figura si ha una protezione di 2A (0.6/0.3 = 2A), se invece si vuole una protezione da 1A bisogna usare una resistenza da 0.6ohm.
La resistenza R8 serve come protezione per l’operazionale che genera la tensione di controllo.
La corrente massima dipende dalla tensione di ingresso e di uscita, dipende inoltre dal mosfet utilizzato e da quanti mosfet si usano in parallelo.
SCHEMA
Lo schema è il seguente:
Partiamo dal trasformatore. In uscita si vogliono 5V, considerando che il sistema R5 e mosfet creano un drop out di circa 1V, bisogna avere un minimo di 6V ai capi del condensatore C2. Considerando che il ponte di diodi in media ha una caduta di tensione di 2.5V, la tensione di picco sul trasformatore deve essere maggiore di 8.5V. Quindi il trasformatore deve avere sempre una tensione almeno 3.5V maggiore della tensione d’uscita per corrente basse (circa 2A) mentre di almeno 4 per correnti maggiori.
Parliamo ora del ponte di diodi. Si può realizzare a diodi oppure comprarne uno pre assemblato. Se l’uscita è 2A come in questo caso, si deve usare un ponte di diodi da 3A oppure 4 diodi da 3A come ad esempio i diodi 1N5400, 1N5401 o simili, bisogna controllare anche la tensione inversa massima, deve essere almeno il doppio di quella massima del trasformatore. Se si usa un trasformatore da 9V il diodo 1N5400 è perfetto perché ha tensione inversa di 50V. Se si ha in uscita un massimo di 4A si usano diodi da 5A come il diodo 1N6079 o 1N6080.
Per la tensione di riferimento in questo caso si utilizza un TL431. Con la configurazione di figura si ha una tensione di riferimento di 2.5V. Per generare una tensione di riferimento si può utilizzare anche un diodo Zenner del valore che si vuole, però il valore del diodo Zenner è la tensione minore che si può ottenere in uscita dall’alimentatore. Si possono usare anche due diodi o uno solo per avere una tensione di riferimento di 1.4V o 0.7V circa. Con il TL431 si ha un riferimento più preciso e stabile. Il condensatore C3 garantisce un riferimento stabile.
L’integrato LM358 funge da operazionale e ha una tensione massima di 32V, di conseguenza la tensione massima ai capi di C2 è circa 32V e la tensione massima in uscita sarà 30V.
Le capacità C1 e C2 garantiscono un ripple basso.
La resistenza variabile R3 serve per settare il valore di uscita della tensione. Se si usa una resistenza variabile l’uscita diventa variabile da una tensione 2.5V fino ad un massimo della tensione in uscita dal ponte di diodi. Se invece si usano delle resistenze fisse, il valore in uscita dipende dall’inverso del rapporto delle resistenze, come visto nella parte precedente.
POTENZA E CORRENTE MASSIMA
La corrente massima dipende dal mosfet utilizzato e dalle tensioni di ingresso e uscita. Ovviamente dipende dalla resistenza R5, però si è un limite massimo al di sopra della quale non si può settare una resistenza R5 per avere una corrente superiore. La corrente massima dipende anche dall’aletta di raffreddamento usata.
Supponiamo di avere una tensione di ingresso Vin di 10V e in uscita si hanno 5V. Se la corrente è 1A allora si ha una potenza di 5W assorbiti da R7 e dai mosfet, di cui 0.6W dalla resistenza e quindi 4.4W dal mosfet. Il mosfet senza dissipatore può dissipare 2.4W quindi serve un dissipatore.
Il valore della potenza massima dissipabile è Pmax = Tmax/(Rdissipatore +1). Se uso un dissipatore da 10°C/W allora essendo Tmax=175°C, avrò Pmax = 16W circa. Per avere una potenza doppia dissipata si possono usare due mosfet. Il dissipatore di figura è da 10°C/W.
Se si usano due mosfet, con un drop out di 3V e due dissipatori da 10°C/W si può avere una corrente massima di 10A circa. Se si usa invece un dissipatore da 5°C/W la corrente massima è 20A.
La potenza della resistenza deve essere circa uguale al doppio della corrente, ovvero se si hanno 2A in uscita la potenza della resistenza R5 deve essere 4W.
Per altri dubbi sulla potenza e corrente massima scrivete un commento.
Il circuito montato su breadboard ha il seguente aspetto.
DOWNLOAD
Potete scaricare la simulazione del circuito al seguente LINK!!!
Ciao, mitica la configurazione, ma ho una domanda riguardo l’uscita con 20A, come funziona il sistema di protezione da cortocircuiti in questo caso? Non credo esista una resistenza del valore di 30mOhm
Come funziona la configurazione di protezione corto circuito regolato su 20A ? il resistore deve davvero essere 30mOhm?
Ciao Giustino, grazie per il commento.
Per avere in uscita i 20A vanno modificati il MOSFET, il ponte di diodi e la resistenza, bisogna usarne una da 30mOhm e non da 300mOhm. Queste resistenze sono un pò costone ma esistono in commercio: http://www.ebay.com/itm/5pcs-Ceramic-Cement-Power-Resistor-5W-0-03-ohm-/132187543868?hash=item1ec6fdd93c:g:eAQAAOSwYlRZEYII
Ah ottimo! Scusa per il doppio commento, ma credevo ci fosse stato un problema di caricamento sul sito, ad ogni modo grazie mille!! 🙂
Per qualsiasi altra domanda non esitare a scrivermi per email o nei commenti 🙂
Configurazione molto interessante e semplice, ma mi pare che la tensione del mosfet tra drain e gate non deve superare i 20V quindi dopo il ponte non deve superare tale valore, o sbaglio qualcosa ?
Ti ringrazio fammi sapere
Si è giusto, però considera che sul drain vi sono sempre 5V e sul gate una tensione che va da 0 a VCC, quindi VCC (ovvero la tensione in uscita dal ponte) può essere anche 25V, ovviamente vi è una certa tolleranza prima che il mosfet si bruci che se non sbaglio è del 10%
buona soluzione per correnti medio piccole, preferisco però per correnti più grandi usare un comparatore con operazionale ed un relè in autoritenuta, in questo modo quando la caduta di tensione sul resistore in serie supera una tensione di riferimento manda tensione ad un transistor che pilita un relè che toglie tensione a valle del ponte raddrizzatore, e grazie alla sua autoritenuta le uscite sono disalimentate fino a quando non viene spento e riacceso l’alimentatore…
Ciao, questa è un ottima soluzione. se hai qualche schema con breve descrizione sarei felicissimo di pubblicarlo a nome tuo sul sito 🙂
Ciao,
mi complimento – come ho fatto in altra pagina – per lo spirito didattico-pratico che hai nello spiegare il funzionamento dei circuiti che proponi.
Vorrei trarre spunto da questo circuito per realizzare un alimentatore da installare in un ricetrasmettitore, che richiede 13,8 V e 16 A (ai picchi di trasmissione). La mia applicazione nasce con l’obiettivo del basso drop-out, perché determina una minore dissipazione degli elementi di potenza e una maggiore compattezza dell’insieme (che deve prendere posto all’interno della radio, dove era previsto in opzione l’alimentatore SMPS): a tale scopo avevo già fatto realizzare un trasformatore toroidale con secondario 15 V, quindi circa 19-20 V raddrizzati. L’uso dei MOSFET migliora l’obiettivo. Ciò premesso, ti chiedo:
1) per arrivare a un’erogazione di 16 A, dovrò dimensionare R5 per 33 mOhm / 12,5 W (= intervento a circa 18 A) e la potenza dissipata dal/dai MOSFET sarà di 88 W circa (96,2 W – 8,45 W di R5). Sono nel giusto?
2) Potrei utilizzare un solo MOSFET: il diagramma SOA non è chiarissimo, ma con Vds = 6 V e Id = 16 A, sarei tranquillamente dentro la curva di funzionamento in DC. Salvo optare per due MOSFET, solo allo scopo di distribuire meglio il calore sul dissipatore. Condividi?
3) in caso di guasto del regolatore (OP-AMP o MOSFET) la tensione raddrizzata potrebbe trasferirsi all’uscita. Consigli un circuito in particolare, quale protezione? Un circuito crow-bar con un fusibile all’uscita del MOSFET?
Grazie in anticipo.
Alberto, IZ2EWV
Ciao Alberto.
se hai un toroide 15V allora in DC avrai 18.5V ((13 – 2V)*1.41) dove i 2V sono la caduta sul ponte.
Per farlo intervenire a 18A ti serve un resistore da 38 mOhm (0.7/18) dove 0.7 è la tensione di accensione del transistor. la potenza assorbita dal resistore è circa 13W (0.7*18) quindi deve prendere un resistore bello grande, almeno 15W.
sul mosfet vi sarà una caduta di 1.8V circa quindi una potenza assorbita di 33W circa. su usi un mosfet solo e un buon dissipatore è tutto ok. in ogni caso con due crei un alimentatore migliore e più robusto, sono semplicemente due mosfet in parallelo, quindi gate con gate, source con source e drain con drain.
Se si rompe l’operazionale interviene Q2 a bloccare possibili sovra tensioni. Se si brucia il mosfet e drain e source vanno in corto circuito l’uscità non sarà protetta. per questo forse è meglio usare due mosfet in parallelo. L’unica cosa che può causare tale guasto è che i mosfet si rovinano per una temperatura elevata