Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. L’alimentatore da banco, insieme al saldatore e al multimetro palmare, è un componente necessario e indispensabile della strumentazione di ogni laboratorio di elettronica. Alcuni progetti richiedono un solo alimentatore a tensione costante ma in molti casi, per eseguire appropriatamente i test e la risoluzione dei problemi di un progetto, serve poter disporre di un’ampia gamma di tensioni e correnti.
I tempi di risoluzione dei problemi di alimentazione di un circuito si possono ridurre anche notevolmente impiegando un alimentatore regolabile dalle prestazioni elevate che sia in grado di variare la tensione e la corrente secondo le necessità. Sfortunatamente, i tipici alimentatori universali da banco regolabili sono (perlomeno nelle versioni che offrono prestazioni superiori) ingombranti e costosi e hanno varie limitazioni: non esiste un modello veramente portatile (palmare) a causa delle necessarie strutture di dissipazione termica. Inoltre, anche gli alimentatori più costosi non funzionano nelle condizioni di corrente o tensione nulla in uscita, né possono offrire le stesse prestazioni nella risposta ai transitori e ai cortocircuiti come quelle ottenibili con l’alimentatore illustrato in quest’articolo. Potete ridurre i costi e l’ingombro sul banco da lavoro costruendovi un alimentatore di alta qualità. Il componente essenziale è il regolatore lineare LT3081, unitamente ad un numero ridotto di altri componenti di facile reperibilità (vedere la Figura 1).
Figura 1: Didascalia della foto della scheda dimostrativa: Il circuito DC2132A è un alimentatore da banco DC efficiente, compatto e dalle prestazioni elevate
L’esclusiva combinazione del riferimento a corrente costante e dell’amplificatore di uscita a inseguimento di tensione di cui è dotato l’LT3081, permette di collegare due regolatori lineari in parallelo per ottenere in uscita correnti sino a 3A e tensioni fino a oltre 24V, entrambe regolabili. I regolatori lineari all’uscita sopprimono il residuo in alternata senza bisogno di condensatori di grande capacità; ne conseguono un’uscita DC veramente costante e dimensioni ridotte del dispositivo. Nell’alimentatore mostrato nella Figura 2, a monte degli LT3081 in parallelo c’è un convertitore in discesa sincrono dalle prestazioni elevate, in questo caso, l’LT8612 da 40V e 6A.
Figura 2: Diagramma a blocchi dell’alimentatore da banco DC a modalità mista. I componenti centrali sono gli LT3081 in parallelo, che generano l’uscita a basso ripple e stabiliscono i limiti di tensione e di corrente
Non occorrono né ventola né dissipatore di calore, contrariamente a quanto accade con gli alimentatori da banco lineari dotati di transistor di potenza, che richiedono dissipatori di calore e un flusso d’aria forzato (ventole) per smaltire in modo sufficiente il calore generato. L’LT8612 riduce con efficienza la tensione, compresa fra 10V e 40V, tanto con alte quanto con basse correnti, a un valore di uscita dinamicamente adattativo che rimane appena sopra la tensione di uscita dell’alimentatore (l’uscita del regolatore lineare LT3081). L’uscita dell’LT8612 è a basso residuo di alternata e la conversione è efficiente in tutto l’intervallo di funzionamento dell’alimentatore. La perdita di potenza attraverso i dispositivi LT3081 è ridotta al minimo mantenendone l’ingresso appena sopra la tensione di caduta. Questo alimentatore presenta anche una funzionalità singolare: è in grado di regolare fino a zero sia il limite di tensione sia quello di corrente. Nella Figura 3 è illustrato lo schema completo di questo interessante alimentatore DC da banco a modalità mista.
Figura 3: Alimentatore da banco DC completo: 0-24 V, 0-3 A
REGOLATORI LINEARI IN PARALLELO, REGOLAZIONE IN TENSIONE E CORRENTE
I regolatori lineari vengono sovente impiegati all’uscita dei convertitori in discesa per sopprimere il residuo in alternata degli alimentatori a commutazione, influendo in misura minima sull’efficienza del circuito. I regolatori lineari LT3081 in parallelo mostrati nelle Figure 1 e 2 riducono il ripple di uscita dell’LT8612 e regolano con precisione l’uscita a tensione e corrente costanti dell’alimentatore. L’LT3081 ha una funzionalità unica (per quanto riguarda i regolatori lineari): è collegabile facilmente in parallelo con un regolatore identico per ottenere delle correnti d’uscita più elevate. Le Figure 2 e 3 mostrano come due LT3081 in parallelo raddoppino, portandola a 3A, la corrente di 1,5A ottenibile con un solo integrato. Bastano alcune connessioni in parallelo e due piccoli resistori di compensazione per ripartire con precisione la corrente fra i due dispositivi senza alcuna perdita di precisione della tensione di uscita. Potenziometri da 10kΩ e 5kΩ di alta qualità, facilmente reperibili, assicurano la regolazione da 0V a 24V e da 0A a 3A quando vengono collegati ai pin SET e ILIM. Se si desidera un alimentatore un pò più fuori dell’ordinario, si possono senz’altro adoperare dei potenziometri multi giri e di maggior precisione. Il limite minimo di corrente di questo alimentatore è 0A!
L’LT3081 garantisce di poter raggiungere una corrente di uscita nulla a condizione che il resistore ILIM presenti una resistenza inferiore a 200Ω. In serie al potenziometro ILIMIT viene inserito un piccolo resistore da 100Ω per massimizzare l’intervallo di rotazione, pur garantendo una corrente nulla quando si impiegano due regolatori in parallelo. Anche la minima tensione di uscita dell’alimentatore può raggiungere il valore di 0V. L’LT3081 garantisce che ciò avvenga a condizione che dall’uscita siano assorbiti almeno 4mA; il modo migliore per realizzare semplicemente questa situazione consiste nell’uso di un alimentatore negativo per assorbire 8mA dai due LT3081. Il regolatore LTC3632 a -5V produce facilmente questo carico negativo, dissipa una potenza limitata e occupa uno spazio ridottissimo sulla scheda.
REGOLAZIONE COSTANTE DEL CARICO E CURVA V-I A GINOCCHIO
Una volta specificata accuratamente la tensione desiderata dal nostro alimentatore di precisione, questa non deve variare in funzione del carico, sia che questo aumenti o diminuisca; nelle condizioni ideali, la tensione regolata deve rimanere costante in tutto l’intervallo della corrente di carico fino al suo limite superiore (Figure 4 e 5). L’alimentatore qui illustrato soddisfa questo requisito: l’uscita dell’LT3081 rimane praticamente costante da 0A a 1,5A. Il minimo riscaldamento del circuito integrato mantiene la regolazione sotto carico dell’alimentatore entro i 50mV per qualsiasi tensione di uscita, come mostrato nella Figura 4, anche con 15mV dovuti ai resistori di compensazione da 10mΩ.
Figura 4: La curva V-I dell’alimentatore mostra una regolazione del carico < 50 mV da 0 a 3 A, con riduzione drastica oltre 3,1 A
Una caduta di 1,7 V ai capi dei regolatori lineari, mentre viene erogata una corrente di 1,5A, produce un aumento di temperatura di appena 30°C con il contenitore DD, come mostrato nella Figura 6. La manopola di regolazione del limite di corrente deve consentire una precisione pari a quella che si ottiene da quella di regolazione della tensione: se il limite viene impostato a 3,0A, l’alimentatore deve funzionare con un limite di corrente pari esattamente a 3,0A e non erogare in alcun caso valori superiori. Un alimentatore da banco ad alte prestazioni deve presentare una curva di regolazione tensione-corrente che rimanga piatta fino a collassare a 0V quando viene raggiunto il valore limite di corrente. La Figura 5 mostra che l’alimentatore funziona mantenendo questo comportamento caratteristico indipendentemente dal limite impostato per la corrente.
Figura 5: Il limite regolabile di corrente sposta il punto di caduta della Figura 4 a qualsiasi valore, da 3,1A sino a 0,0A
Figura 6: Varie scansioni termiche dell’alimentatore da banco in condizioni di alta potenza e cortocircuito mostrano che i suoi componenti rimangono a bassa temperatura senza l’uso di un dissipatore di calore o di una ventola. Da sinistra a destra: (a) VIN = 36 V, VOUT = 24 V, ILOAD = 3 A; (b) VIN = 36 V, VOUT = 3,3 V, ILOAD = 3 A; (c) VIN = 12 V, VOUT = 5 V, ILOAD = 3 A; (d) CORTOCIRCUITO ALL’USCITA, VIN = 36 V, ILIMIT = 3 A
