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Alimentatore switching regolabile - prima parte

Alimentatore switching regolabile

Alimentatore switching regolabile completo, piccolo ed affidabile, impiega l’integrato LM2576 in versione ADJ per regolare a piacimento la tensione raddrizzata e livellata prelevata da un trasformatore con primario da rete; eroga fino ad un massimo di 5 ampère, ha un rendimento molto elevato rispetto ai tradizionali regolatori lineari serie, è adatto per alimentare ogni tipo di carico da 1,5 a 15 volt in continua.

Chi monta o ripara circuiti e dispositivi elettronici difficilmente può fare a meno di un alimentatore stabilizzato ad uscita regolabile, utilissimo in laboratorio ma anche “in campo” per testare qualsiasi tipo di circuito. Per questo più volte abbiamo proposto progetti destinati alla realizzazione di powersupply sia ad uscita fissa che variabile, ma finora ci siamo limitati a circuiterie tradizionali; le eccezioni sono state i converter DC/DC da 12/24V, 24/12V, e quello pubblicato di recente che dà 5 volt stabilizzati.

Proprio quest’ultimo ci interessa particolarmente, perché è stato realizzato utilizzando un nuovo circuito integrato: l’LM2576-5 della National Semiconductors, un prodotto che contiene un completo regolatore switch-mode disponibile in diverse versioni, anche ad alta tensione di ingresso.

Attualmente esistono i tipi con uscita a 3,3V, 5V, 12V e 15V, ma anche quello a tensione regolabile (versione ADJ) il cui valore in uscita può essere selezionato semplicemente con un partitore resistivo: è questo che descriveremo in seguito, vedendo come si usa. L’LM2576 accetta in ingresso al massimo 40 volt, mentre in versione HV (ad alta tensione) sopporta fino a 60 volt, pertanto può funzionare tranquillamente in svariate applicazioni senza farsi troppi problemi di adattamento con la sorgente di alimentazione a cui è collegato.

Le sue ottime prestazioni sono dovute essenzialmente alla regolazione serie “Simple-Switcher” che è in pratica una via di mezzo tra quelle note: più semplice del sistema a trasformatore impulsivo, simile a quello a carica e scarica di induttanza; in pratica all’interno dell’LM2576 troviamo un oscillatore ad onda triangolare il cui segnale entra in un comparatore di errore al cui secondo ingresso giunge parte della tensione di uscita, quindi gli impulsi rettangolari che ne derivano pilotano un transistor di potenza interno che fa passare corrente a tratti dall’ingresso all’uscita.

schema blocchi lm2576

Alimentatore switching regolabile schema elettrico

Alimentatore switching regolabile schema elettrico

La tensione offerta ai capi del carico dipende pertanto dal valore medio degli impulsi prodotti dal transistor di commutazione, ed è tanto maggiore quanto più essi sono larghi, e minore quanto più tendono a restringersi (è un PWM). In serie al punto di uscita dell’integrato va posto un filtro ad induttanza e condensatore (un L/C passa-basso) che serve per ricostruire una tensione continua livellando gli impulsi forniti dal piedino “OUTPUT”.

All’interno dell’LM2576 troviamo anche una rete di Shutdown, ovvero un commutatore elettronico azionato dal piedino ON/OFF (5) che permette di spegnere il regolatore anche se all’ingresso è normalmente presente la tensione di alimentazione: il controllo si effettua con livelli logici TTL/compatibili al pin 5, ovvero con 1 si disabilita il chip (che si pone in standby assorbendo 50 µA) mentre con lo zero si ottiene il funzionamento normale. A differenza del precedente progetto pubblicato nel fascicolo n. 29, stavolta usiamo l’LM2576 nella tipica configurazione consigliata dalla Casa costruttrice per la versione regolabile, con la sola variante che invece di porre un partitore resistivo fisso tra uscita e Feedback mettiamo un potenziometro, così da poter scegliere e variare liberamente durante l’uso la tensione erogata, fra 1,5 e 15 volt circa.

Abbiamo così un completo alimentatore switching adatto a svariate prove di laboratorio, con il quale alimentare autoradio, registratori portatili e walkman, schede di vario genere, booster, ecc. Il tutto con qualcosa che ingombra pochissimo e scalda poco, grazie al fatto che il componente National Semiconductors funziona in tecnologia switching e quindi dissipa pochissima potenza garantendo un rendimento medio dell’88%.

Insomma, vi proponiamo un alimentatore regolabile che presenta una differenza sostanziale rispetto ai tradizionali circuiti lineari con transistor in serie: perde pochissima potenza e permette pertanto di utilizzare solo quella che serve, riducendo il consumo, le dimensioni del trasformatore principale, e ovviamente quelle del dissipatore di calore, dato che avendo un rendimento molto alto si scalda pochissimo. Il tutto a vantaggio non solo del risparmio energetico, ma anche e soprattutto dell’ingombro e del peso.

Pensate soltanto che per dare in uscita 5 volt ed 1 ampère con 22V all’ingresso sono richiesti solamente 300 mA, contro 1 ampère di qualunque regolatore lineare serie: davvero niente male! Vediamo dunque il circuito al completo partendo dall’alimentazione principale, prelevata da un trasformatore con primario da rete (220V/50Hz) il cui secondario eroga 16Veff. ed una potenza di circa 60 VA; il ponte a diodi PT1 provvede a raddrizzare l’alternata ricavando impulsi che caricano l’elettrolitico C1, il quale realizza un ottimo livellamento ottenendo circa 22 volt in continua.

Si accende pertanto il led LD1, alimentato tramite la resistenza R3, indicando la presenza della rete. Incontriamo poi il regolatore vero e proprio, cioè l’integrato LM2576-ADJ che provvede da solo, con pochissimi componenti di contorno, a determinare il valore della tensione di uscita. Riceve all’ingresso (Vin-GROUND) i 22 volt e restituisce tra il pin 2 (Output) e massa una serie di impulsi ad alta frequenza che vengono poi livellati e convertiti in una grandezza pressoché continua dal doppio filtro L1/C2/L2/C3, che garantisce un’ottima pulizia dagli spikes sfuggiti al livellamento. La resistenza R4 permette la scarica dei condensatori in un tempo ragionevole quanto si toglie tensione all’ingresso.

Notate il diodo D1, che è uno Schottky e serve per tagliare la tensione inversa che si produce ai capi della L1 al termine di ogni impulso rettangolare prodotto sul piedino 2: in pratica siccome il transistor switching interno all’integrato lascia passare corrente dal pin Vin all’Output ad impulsi, cioè apre e chiude la connessione, l’induttanza che ha un comportamento inerziale nei confronti della corrente- ogni volta che si stacca il collegamento tende a mantenere le condizioni precedenti, ovvero a far scorrere ancora la corrente che prima l’attraversava; di conseguenza al termine di ogni impulso produce ai propri capi, per un breve istante, una differenza di potenziale opposta, il che determina picchi di tensione negativa sul piedino 2 dell’LM2576.

Il diodo provvede proprio a spegnere tali impulsi, mettendoli in cortocircuito. Si noti altresì che abbiamo preferito uno Schottky ad uno tradizionale perché innanzitutto ha una caduta di tensione diretta di circa 0,2 Volt rispetto agli 0,7 Volt di una giunzione al silicio, quindi limita al minor valore possibile l’ampiezza dei picchi di tensione inversa dovuti alla reazione dell’induttanza, e poi si ripristina in un tempo ridottissimo, il che significa che segue senza troppi problemi la commutazione sull’induttore anche alle frequenze elevate (tipicamente 52 KHz) a cui opera il nostro switch-regulator. Osservate ancora che, analogamente a quanto fatto nel progetto dell’alimentatore a 5 volt, il piedino di ON/OFF è collegato a massa e pone il rispettivo ingresso di controllo a zero logico, lasciando funzionare l’integrato a pieno regime.

Alimentatore switching regolabile - Per variare la tensione

Vediamo adesso la parte forse più importante del progetto, cioè la retroazione: diversamente dai modelli a tensione fissa nell’LM2576-ADJ è stata realizzata retrocedendo parte della tensione ai capi dell’elettrolitico C2 verso il piedino 4 (FeedBack) mediante un potenziometro lineare montato a partitore con R1 ed R2, che ne limitano l’escursione del cursore; la particolare connessione ci permette di variare agevolmente il rapporto Vout/Vfeedback e pertanto la differenza di potenziale prodotta all’uscita dell’intero circuito.

 

 

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ritratto di metafisico46

modifica alimentatore

 Volendo realizzare un alimentatore duale da 50 + 50 volt 3A, partendo da un'alimentazione da rete 220 V c.a., quali modifiche apportare al circuito?

Grazie

ritratto di Emanuele

Alimentatore Duale

Con l'integrato LM2576 non è possibile ottenere 50V. Questo, e la richiesta duale, porta a riscrivere interamente il circuito.
Dai un occhiata anche a questa semplicissima soluzione
http://it.emcelettronica.com/alimentatore-mosfet-220-watt

Se invece pensavi ad una soluzione switching, ti consiglio il sito della OnSemi oppure della National Semiconductor. Ad esempio potresti usare il tool online Webench

ritratto di Vicus

Sicurezza

Io non userei un alimentatore che non offre un isolamento tra rete elettrica e utilizzatore per ragioni di sicurezza.

Utilizzerei quindi un trasformatore, sia esso ad alta o bassa frequenza.

ritratto di Emanuele

Viper

Questo commento mi ha fatto venire in mente anche i Viper della ST. Sono molto semplici da utilizzare, ci sono molte applicazioni sia per soluzioni isolate che non. Anche se a memoria mi sembra che le migliori soluzioni con Viper non sono isolate.

ritratto di sorex

alimentatore duale

L'integrato LM2576 in versione HV permette di ottenere tensioni regolabili fino a 57V in uscita con una tensione di alimentazione fino a 60V. Con due circuiti identici è possibile realizzare un alimentatore switching con tensione di uscita duale 50-0-50.

Ovviamente occorrerà un trasformatore con due uscite.

ritratto di Emanuele

Versione HV

Hai ragione, ora mi ricordo che National fornisce spesso le versioni High Voltage degli integrati.

ritratto di dom

Con il valore di 47KOhM per il potenziometro e 2,2 KOhm per R1 e

Con il valore di 47KOhM per il potenziometro e 2,2 KOhm per R1 e R2, si ottengono valori di tensione di uscita paria e 1,285Vmin e 28,73Vmax. Mi pare quindi che il valore del potenzionemetro debba essere rivisto. Un valore consono mi sembra invece essere 25 KOhm (da cui si ottiene Vmin=1,33V e Vmax=16,43V)

ritratto di mussaldi

Condensatori

Più che un commento una domanda:

l'uso di condendatori non a Low ESR  renderebbe critico il circuito presentato?

ritratto di fabio8v

ups

salve

volevo usare questo alimentatore, mi occorre solo 5v per cui prenderei quello senza regolazione, come micro ups...l'assorbimento non passa mai i 2A...si può modificare affinchè carichi anche una batteria (nichel cadmio) che intervenga in caso di mancanza di tensione?

grazie

 

 

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