Alimentatore lineare con LM317 o 78xx e transistors BJT

Un alimentatore lineare è un dispositivo essenziale per molte applicazioni elettroniche poiché fornisce una tensione e corrente stabili, prive di disturbi, a differenza degli alimentatori switching che per costruzione producono armoniche in un ampio spettro di frequenze. La bassa rumorosità lo rende fondamentale in molti ambiti, quali ad esempio nel campo audio, medicale, apparecchiature a radiofrequenza ed aerospaziale. In questo articolo descriveremo passo dopo passo il progetto di un alimentatore basato sui famosi regolatori di tensione LM317 ed i regolatori della famiglia 78xx, ma in grado di erogare correnti elevate grazie all’aggiunta di un ulteriore stadio di potenza a transistor.

Figura 1: Alimentatore lineare con LM317 o 78xx e stadio di potenza a transistors BJT

Schema a blocchi dell’alimentatore

Con riferimento alla Figura 2, l'alimentatore è costituito dalle seguenti principali sezioni:

Trasformatore: ha il compito di abbassare la tensione di rete in ingresso dal valore di 230 V RMS ad un valore inferiore, ad esempio 24 V RMS ed inoltre crea una barriera di isolamento galvanico che separa l'alimentatore dalla rete elettrica.
Raddrizzamento: converte la tensione alternata (AC) in una tensione continua pulsante (DC).
Filtraggio: riduce l’ondulazione residua derivata dal raddrizzamento (ripple) in modo da avere una tensione continua stabile.
Regolazione: effettua il controllo dello stadio di potenza per ottenere in uscita una tensione stabilizzata indipendentemente dalle variazioni della tensione in ingresso, del carico e della temperatura. L’uscita può essere impostata ad un valore di tensione fisso o regolabile tramite potenziometro.
Stadio di potenza: aumenta la massima corrente disponibile in uscita, rispetto all'utilizzo di un solo regolatore di tensione, grazie all'impiego di 6 transistor BJT posti in modalità current sharing.
Protezioni: questi componenti proteggono l’alimentatore da eventi di cortocircuito in uscita, inversione di polarità, sovratensioni o sovratemperatura.

Figura 2: Schema a blocchi

Sezione 1: Trasformatore

Il trasformatore deve essere dimensionato per la massima potenza che si intende utilizzare, nel caso di questo progetto è stata selezionata una potenza massima di 500 VA. Il suo compito è quello di ridurre la tensione ad un valore adeguato per ottenere in uscita una stabilizzazione a bassa tensione, ad esempio con un rapporto di trasformazione 230:24. La tensione a 230 V RMS viene abbassata al valore di 24 V RMS, al fine di ottenere una tensione di picco di circa 34V DC a valle dello stadio di raddrizzamento e di filtraggio. Difatti, la tensione sinusoidale in uscita dal trasformatore ha un valore efficace di 24V RMS, che moltiplicato per la costante 1,41 (radice di 2) porta ad un valore di picco di 34V.

Per questo progetto è stato selezionato un trasformatore con nucleo a lamierino in grado di sostenere la massima potenza di 500 VA. Si può ricorrere alla geometria toroidale, come mostrato nelle Figure 3 e 4, per una maggior compattezza ed all’utilizzo di materiali amorfi per una maggior efficienza, perché a parità di potenza questi mostrano minor perdite e sopportano una maggior induzione. La geometria toroidale permette di mantenere un'altezza contenuta per la selezione del contenitore dell'alimentatore.

Figura 3: Nucleo toroidale in materiale amorfo

Figura 4: Esempio di trasformatore toroidale

La sezione dei conduttori deve essere calcolata per la massima corrente prevista in modo da avere una densità di corrente J che non superi i 5 A / mm², per limitare la sovratemperatura.

In particolare, nel nostro caso per gli avvolgimenti è stata selezionata una sezione di:

PRIMARIO: sezione di 1 mm²per una massima corrente di 2 A

SECONDARIO: sezione di 4 mm²per una massima corrente di 18 A

Sezione 2: Raddrizzamento e filtraggio

Il raddrizzamento viene eseguito ad onda intera tramite un dispositivo a ponte di diodi con una massima corrente nominale pari a 30 A. Nello schema sono presenti due ponti raddrizzatori posti in parallelo, montati sullo stesso dissipatore per garantire un maggior margine nei confronti della massima temperatura di giunzione dei diodi. Per garantire un buon bilanciamento della corrente tra i due ponti posti in parallelo si devono verificare le seguenti condizioni:

I ponti raddrizzatori devono essere dello stesso costruttore e stesso modello per minimizzare le potenziali differenze che potrebbero sbilanciare la conduzione.
I ponti raddrizzatori devono essere montati sullo stesso dissipatore per avere una distribuzione omogenea della temperatura e quindi condividere le stesse sorti termiche.
La resistenza serie offerta dalle piste del circuito stampato agisce come elemento di equalizzazione, introducendo una piccola retroazione negativa. Infatti, se ad esempio un ponte raddrizzatore conducesse maggiormente rispetto all’altro, si avrebbe una maggior caduta di tensione lungo la pista che porta l'uscita del ponte al collegamento in parallelo e questo fa in modo di riequilibrare la corrente, con idealmente metà della corrente totale gestita da ogni ponte.

Il ponte raddrizzatore è selezionato in base ai seguenti criteri:

Massima corrente RMS continuativa, considerando un margine operativo dato dalla taglia del dissipatore, che nel nostro caso garantisce una resistenza termica R_th < 3 °C/W.
Massima corrente di picco, che deriva dal valore di capacità dello stadio a condensatore. Si veda a questo proposito la Figura 6.
Massima tensione in inversa sopportata dai diodi, che in questo caso siccome ci troviamo al secondario a bassa tensione del trasformatore sarà sufficiente una tensione di 100V.

Nella Figura 5 è mostrato il ponte raddrizzatore selezionato, modello KBPC350.

Figura 5: Ponte raddrizzatore KBPC350

Sezione 3: Filtraggio a condensatore

Il condensatore esegue il livellamento della tensione raddrizzata, limitando l'ondulazione residua (ripple). ll calcolo del valore di capacità totale necessaria tiene conto della massima corrente di picco nei diodi del ponte raddrizzatore e della massima ondulazione che si vuole ottenere in uscita. Questo valore di capacità solitamente viene distribuito su più condensatori per ottenere un oggetto più compatto. Esistono diversi metodi di calcolo per stimare il valore di capacità necessario e diverse forme empiriche. Di seguito vengono mostrate le equazioni che fanno riferimento ad un calcolo approssimato, che tiene conto dell'energia accumulata nel condensatore, considerando la frequenza della tensione di forma sinusoidale a 50Hz. Viene ricavata una formula che fornisce il valore di capacità in base all’ondulazione massima ammessa (ripple) e alla massima corrente prevista. Per comodità, in Figura 6 sono poi stati tabulati i valori di capacità per alcuni valori tipici di ondulazione e potenza.

Il condensatore durante un periodo T della sinusoide a frequenza 50Hz viene caricato due volte e l’energia Ec immagazzinata nel condensatore vale:

Da questa formula possiamo esprimere la capacità come il rapporto tra l’energia immagazzinata nel condensatore E_C e la differenza dei quadrati della tensione di picco Vpk e la tensione minima Vmin. Il ripple per definizione è infatti dato dalla differenza fra V_PK e V_MIN.

La potenza collegata ai cicli di carica del condensatore P_C la si può esprimere come rapporto fra l'energia E_C e la frequenza f:

Quindi, il valore di capacità C si può esprimere in funzione della potenza P_C, della frequenza f e dell’ondulazione V_PK - V_MIN come:

La tensione minima V_MIN vale:

E quindi il tempo di carica T_C vale:

La seguente tabella mostra il valore di C e T_C per diversi valori di P_C, f e ondulazione (ripple):

Figura 6: Calcolo del valore di capacità di livellamento

La seguente figura (Figura 7) mostra il condensatore selezionato per il progetto in quantità due con valore di 33.000 uF e massima tensione di lavoro 35V per ottenere una capacità totale pari a 66.000 uF.

Figura 7: Condensatore 33.000 uF 35V

Sezione 4: Stadio di controllo

Lo stadio di controllo può essere configurato nei due casi di regolazione a tensione variabile e tensione fissa con un diverso montaggio della scheda.

Caso A) Regolazione della Tensione con uscita variabile (da 1.25 a 30V)

Si faccia riferimento allo schema elettrico riportato in Figura 11. In questo caso viene impiegato il regolatore LM317, per ottenere un’ uscita variabile da 1.25 a 30V secondo la formula:

dove:

R1 = 220Ω (valore consigliato a datasheet di LM317).

R2 = Potenziometro del valore 5kΩ per regolare la tensione in uscita.

La tensione minima come si vede dalla formula di V_OUTè pari a 1,25 V, che è il valore del riferimento di tensione presente all'interno del regolatore LM317.

Per migliorare la stabilità si possono aggiungere condensatori di bypass con valore 0,1µF tra ingresso e massa e 1µF tra uscita e massa. Il regolatore deve essere montato su aletta di dissipazione con R_th < 20°C/W.

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