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.
IL CONVERTITORE SINCRONO MANTIENE UN’ELEVATA EFFICIENZA COMPLESSIVA
L’alimentatore portatile da banco DC può generare da 0A a 3A a qualsiasi tensione compresa fra 0V e 24V quando in ingresso è applicata una tensione compresa fra 10V e 40V, con l’ingresso ad almeno 5V sopra la tensione di uscita desiderata. L’ingresso può essere applicato da un convertitore primario AC/DC, facilmente reperibile con tensioni di 19V, 28V e 36V. Si può utilizzare anche un semplice trasformatore a 24V AC, un ponte raddrizzatore e un condensatore da 10.000μF per ottenere circa 34V con un ripple di 1-2V. Il convertitore in discesa a commutazione LT8612 riduce la tensione del convertitore di tensione AC/DC (compresa tra 10V e 40V) a qualsiasi valore compreso fra 0V e un valore appena inferiore alla tensione d’ingresso. Il basso ripple in uscita del convertitore LT8612 viene ridotto ulteriormente di 1,7V attraverso i regolatori lineari LT3081 in parallelo per ottenere una tensione finale stabilizzata che presenta un residuo AC quasi nullo. L’elevata efficienza assicura un’efficace dissipazione del calore. Il convertitore in discesa sincrono LT8612 funziona agevolmente a 3A e riduce con efficienza la tensione da un valore d’ingresso di 40V max a un valore di uscita di 1,7V min, anche alla frequenza di commutazione relativamente alta di 700kHz, grazie al basso valore di 40ns del tempo On minimo. L’efficienza è mostrata nella Figura 1.
Figura 1: Efficienza e perdita di potenza dell’alimentatore da banco DC per le varie condizioni d’ingresso e di uscita
Un’elevata efficienza ad un’alta frequenza di commutazione permette di realizzare un convertitore con pochi componenti di piccole dimensioni, che rimangono a bassa temperatura anche a potenze elevate.
Retroazione differenziale
L’LT8612 impiega uno schema di retroazione differenziale, mostrato nelle Figure 2 e 3, per regolare la propria uscita (l’ingresso della coppia di LT3081) a 1,7V oltre l’uscita dell’alimentatore (l’uscita della coppia LT3081). L’LT3081 funziona in modo ottimale quando il suo ingresso è ad un valore superiore di almeno 1,5V rispetto a quello di uscita, con 1,7V utilizzati in questo caso come margine per i transitori. La retroazione differenziale continua ad operare anche durante i cortocircuiti e i transitori di uscita, come mostrato nelle Figure 2 e 3. Quando l’uscita è in corto verso massa, l’uscita dell’LT8612 la segue. Quando l’uscita aumenta bruscamente a causa della rimozione di un cortocircuito o di una regolazione effettuata con il potenziometro, l’LT8612 segue l’aumento dell’uscita dell’LT3081, cercando di rimanere a 1,7V oltre le rapide variazioni dell’uscita. Un condensatore di uscita di capacità ragionevole, ad esempio 100μF, è sufficiente per assicurare stabilità all’LT8612 in un’ampia gamma di condizioni, mantenendo al tempo stesso una risposta relativamente veloce ai transitori, sebbene non possa mai variare tanto velocemente quanto fanno i regolatori lineari. Questa configurazione potrebbe essere espansa per ottenere una corrente di uscita di 4,5A mediante il collegamento di tre regolatori lineari LT3081 in parallelo. Il regolatore a commutazione non avrebbe comunque bisogno di alcuna modifica, poiché l’LT8612 offre una corrente di commutazione di picco pari a 6A.
Figura 2: La risposta al transitorio con uscita a 5 V, da 1 a 3 A mostra (a) un basso ripple di uscita, e (b) che l’uscita dell’LT8612 segue VOUT dell’LT3081 durante un transitorio
Figura 3: Un transitorio a sovraccarico(a), e un transitorio a cortocircuito(b) con uscita a 5 V sono ben tollerati dall’alimentatore
IL GENERATORE DI CORRENTE CONTRO IL COEFFICIENTE DI TEMPERATURA ISET
La tensione di uscita dell’alimentatore è facilmente regolabile manualmente con un potenziometro collegato ai pin SET della coppia LT3081. Sembra abbastanza semplice che ciascuno dei pin SET generi 50μA e che la somma delle loro correnti, moltiplicata per una resistenza regolabile, possa generare l’appropriata tensione di uscita senza componenti aggiuntivi. Ma tale corrente potrebbe non essere sufficiente per un alimentatore che debba offrire una soluzione affidabile, poiché può essere soggetta a una certa deriva in funzione della temperatura dell’LT3081. Un modo per contrastare la deriva di corrente consiste nell’applicare al pin SET del potenziometro un valore di corrente più elevato. L’LT3092 è un preciso generatore di corrente che funziona sino a 40V e viene impiegato per applicare una corrente costante di 2,4mA per ottenere un’uscita di 24V con un resistore da 10kΩ. La sua corrente di uscita è facilmente regolabile modificando il valore dell’apposito resistore quando è necessaria una diversa tensione massima di uscita. Quest’ultima deve essere pari a 5,5V o 15V o 24V quando si usa, rispettivamente, un generatore a 12V, a 15V o a 24V. Nel circuito si utilizza un interruttore per scollegare l’ingresso dell’LT3092 quando viene aperto l’interruttore di alimentazione. Scollegando questo circuito integrato da VIN si impedisce che la sua corrente costante carichi un’uscita dell’alimentatore a vuoto, prevenendo circostanze potenzialmente dannose.
TENSIONE E CORRENTE FACILMENTE REGOLABILI MEDIANTE LA ROTAZIONE DI MANOPOLE
Le funzioni dei pin SET e ILIM dell’LT3081 consentono di programmare agevolmente la corrente e la tensione di uscita a qualsiasi livello mediante un semplice potenziometro rotativo. Gli LT3081 in parallelo condividono la stessa tensione e connessione del pin SET nonché le stesse connessioni dei pin ILIM+ e ILIM-. I potenziometri da 10kΩ e 5kΩ sono scelti in modo da offrire intervalli di uscita da 0V a 24V e da 0A a 3A (o a valori leggermente superiori per avere un lieve margine). I potenziometri sono reperibili facilmente e possono essere selezionati secondo una gamma di parametri prestazionali e di costo. L’alimentatore illustrato è dotato di potenziometri a un solo giro, con alberi facilmente ruotabili e connessioni ad angolo retto alla scheda di circuiti; nel caso si decida di racchiudere la scheda di circuiti in un involucro protettivo possono essere fissati a un foro laterale di un contenitore. Alcuni modelli sono dotati di elemento resistivo in cermet, che previene la deriva in funzione del tempo e della temperatura con un valore nominale di 150 ppm/°C (rispetto alle 1000 ppm/°C di versioni standard con elementi di plastica). Anche i potenziometri di plastica meno costosi sono comunque adatti per l’uso in un normale alimentatore; in alternativa, si possono impiegare potenziometri di precisione a dieci giri per una regolazione accuratissima dei limiti di tensione e di corrente. Se la deriva di VOUT dovuta al coefficiente di temperatura ISET non rappresenta un problema, è possibile rimuovere il generatore di corrente LT3092 e sostituire il potenziometro da 10 kΩ con uno da 250 kΩ di tipo equivalente.
CONVERTITORE NEGATIVO PER LA REGOLAZIONE A 0V
Sebbene sia banale regolare il potenziometro SET a 0V con un cortocircuito verso terra, occorre assorbire 4mA dall’LT3081 affinché la sua tensione scenda a 0V. Un precarico resistivo da VOUT a massa assorbe corrente solo quando VOUT è diversa da zero, per cui si utilizza invece un alimentatore negativo per assorbire corrente anche da un’uscita a 0V. Il regolatore negativo LTC3632 è un piccolo generatore a -5V che impone una corrente di -8mA attraverso un piccolo resistore inserito ai capi di -5V e di una VBE inferiore al livello di terra (-0,6V). Sebbene l’LTC3632 si disinserisca quando si apre l’interruttore di alimentazione, continua a funzionare quando il circuito di alimentazione è collegato, anche quando la tensione di uscita è maggiore di 0V. È necessario scegliere con attenzione il transistor a corrente negativa poiché il prodotto di -8mA e una caduta di tensione pari a 24,6V può generare una quantità notevole di calore se l’impedenza termica del transistor è maggiore di 250 °C/W o se la corrente negativa viene aumentata a oltre -10mA.
CORTOCIRCUITO E REGOLAZIONE A 0A
L’LT3081 assicura anche la regolazione del limite di corrente 0A indipendentemente dall’impostazione della tensione di uscita. Quando la corrente è regolata al massimo, il limite di corrente dell’alimentatore da banco è stabilito drasticamente a 3,1A. Se si aumenta il carico oltre questo punto, la tensione collassa a zero. Un semplice giro della manopola di regolazione della corrente ne sposta il punto di caduta a qualsiasi altro valore sino ad arrivare a 0A. La condizione di sovraccarico più estrema è un cortocircuito, che porta l’uscita non solo oltre il punto di intervento, ma sino a terra. L’alimentatore da banco mantiene costante senza problemi il proprio limite di corrente anche in queste condizioni, regolando l’uscita dell’LT8612 a 1,7V e generando la corrente limitata attraverso l’LT3081 ed il cortocircuito stesso. I risultati di un transitorio da cortocircuito sono mostrati nella Figura 3, dove si possono osservare la regolazione in cortocircuito del circuito integrato e il brevissimo picco di scarica del condensatore di uscita. La durata del picco di cortocircuito (<10 μs) è pari a 1/500 di quella misurata in altri comuni alimentatori da banco in modalità mista ad alta potenza (con impostazioni analoghe), come mostrato nella Figura 4. A causa della bassa velocità dei transistor di potenza e/o della maggiore capacità in uscita, il picco di scarica a lunga durata mostrato nella Figura 4 può danneggiare i dispositivi sotto test: questo è uno svantaggio presentato dai ben più costosi e diffusi alimentatori da banco universali comunemente utilizzati.
Figure 4 (a e b): Risultati di un transitorio con il costoso alimentatore da banco in modalità mista XH100-10, che presenta una risposta lenta al transitorio e al cortocircuito in confronto all’alimentatore da banco DC descritto nel presente articolo con impostazioni simili. (c) L’alimentatore da banco Sorenson XHR100-10 in condizioni di cortocircuito con limite di 1,5 A
Figura 5: L’alimentatore da banco DC ha un basso ripple di uscita per un alimentatore in modalità mista con piccola COUT (60 μF)
CONTROLLO DELL’USCITA
Per ottenere una lettura precisa della tensione, è sufficiente collegare un multimetro o un semplice display analogico all’uscita; aggiungendo un altro multimetro o display in serie all’uscita si ottiene una lettura precisa della corrente. Se si vuole evitare di aggiungere altri strumenti di rilevazione in serie all’uscita, si può utilizzare anche il terminale IMON per la conversione da tensione a corrente.
INGRESSO AC/DC
Questo alimentatore DC è uno strumento comodo per allestire rapidamente in laboratorio tutte le prove che richiedono la disponibilità di una sorgente di tensione o corrente costanti; è sufficiente alimentarlo a 10-40V DC, chiudere l’interruttore e girare le manopole. Poiché questi alimentatori portatili sono compatti ed economici, è possibile alimentarne più di uno utilizzando lo stesso generatore d’ingresso DC, in tutti i casi in cui siano necessarie correnti e uscite da più circuiti. È altrettanto facile creare un alimentatore da banco completamente autonomo aggiungendo un semplice convertitore AC/DC al suo ingresso. La Figura 6 mostra un semplice trasformatore da 120V AC a 24V AC (5:1), un ponte raddrizzatore e un condensatore di uscita da 10.000μF, che combinati producono 34V DC con basso residuo di alternata. Questo semplice convertitore AC/DC consente all’alimentatore di produrre un’uscita massima di 22V. Il ponte raddrizzatore deve impiegare diodi Schottky da 3A o più; se questi raggiungono temperature eccessive, si può ancora evitare di aggiungere un dissipatore di calore sostituendoli con un controller di raddrizzatori a ponte di diodi tipo LT4320 e quattro MOSFET per ridurre il riscaldamento del dispositivo. La capacità del condensatore di uscita da 10.000μF può essere modificata per regolare il residuo di uscita; alla massima potenza, un condensatore da 10.000μF produrrà un ripple di circa ±1V con l’ingresso DC di 34V. È possibile anche realizzare questo alimentatore collegando un qualsiasi convertitore universale “scatola nera” AC/DC con tensione e corrente nominali di 12-36V e 3A. Qualsiasi convertitore AC/DC ricavato da un vecchio laptop o acquistato in un negozio di elettronica dovrebbe funzionare; l’unica limitazione è che la tensione di uscita massima dell’alimentatore da banco deve rimanere a circa 5V sotto il minimo valore nominale del generatore di tensione d’ingresso.
Figura 6: La semplice combinazione di un trasformatore da 24 V CA (RMS), un ponte raddrizzatore e un condensatore costituisce un convertitore da 34 V AC/DC che offre una soluzione completa
CONCLUSIONE
È possibile autocostruire un alimentatore da banco ad alte prestazioni con regolazione di tensione e corrente costanti negli intervalli 0-24V e 0-3A utilizzando una coppia di regolatori lineari LT3081 in parallelo, un convertitore in discesa sincrono LT8612, un generatore di corrente LT3092 e un piccolo alimentatore negativo LTC3632. L’alimentatore così concepito presenta un basso residuo AC di uscita pur richiedendo basse capacità di filtro, offre una risposta eccellente ai transitori e permette la regolazione limite sino a 0V e 0A; mantiene la regolazione anche durante i cortocircuiti e rimane a basse temperature senza bisogno di adottare voluminosi e costosi dissipatori di calore. È accoppiabile facilmente con un convertitore AC/DC o può essere direttamente alimentato da un generatore DC. Questo alimentatore da banco rappresenta una soluzione completa dal prezzo accessibile, è compatto e facile da costruire nonostante le sue elevatissime prestazioni.
