Gli alimentatori di tipo comune sono oggi diffusissimi, e anche i modelli destinati al laboratorio sono disponibili in vari formati e dimensioni. Questi dispositivi si adattano alla maggior parte delle applicazioni, ma se sono richieste caratteristiche di elevata qualità, stabilità, e precisione della stabilizzazione, occorre spendere parecchio denaro, spesso per un alimentatore con una ridotta potenza di uscita. Un'alternativa esiste: è quella di costruirselo da soli. Se realizzate progetti elettronici con una certa regolarità, vi sarà probabilmente sufficiente un piccolo alimentatore con corrente di uscita massima pari a 1 A, e tensione di uscita regolabile tra 1 V e 12 V. Questi piccoli alimentatori stabilizzati con tensione di uscita variabile possono essere reperiti online a prezzi molto contenuti, e la maggior parte di essi è equipaggiata con un display in grado di visualizzare contemporaneamente sia la corrente che la tensione in uscita.
Introduzione
Tuttavia, per progetti più complessi occorre qualcosa in più. Ciò vale in particolare per gli appassionati di elettronica ambiziosi che intraprendono progetti di una certa complessità, e per i laboratori professionali, dove dei buoni alimentatori costituiscono un componente fondamentale della strumentazione di base. E' lecito a questo punto chiedersi quali siano le caratteristiche più importanti e rilevanti di un alimentatore. La risposta a questa domanda non è immediata, poichè i requisiti dipendono strettamente dalla particolare applicazione. Tuttavia, vale sicuramente la pena dare un'occhiata alla vasta gamma di alimentatori da laboratorio disponibili sul mercato, alcuni anche a costi relativamente contenuti.
Per meno di 100 euro è infatti possibile acquistare degli alimentatori con tensione regolabile (tipicamente) tra 0 e 30 V, corrente in uscita compresa tra 0 e 3 A, display digitale, controllo remoto, e altro ancora. Aggiungendo altri 50 euro, si può persino acquistare un alimentatore switching con potenza di uscita di circa 600 W. Non occorre tuttavia essere dei geni per capire che a questi prezzi non è possibile combinare delle buone caratteristiche di base con altrettanto importanti caratteristiche, quali efficienza, buona stabilizzazione della tensione, e durata. Per un alimentatore stabilizzato, la qualità implica una certa complessità, che a sua volta implica un certo costo. Anche se l'alimentatore descritto in questo articolo non può competere con alimentatori professionali del valore di migliaia di euro, le sue caratteristiche elettriche sono ottime e di alto livello.
Il progetto
Gli alimentatori stabilizzati da laboratorio presentano due caratteristiche comuni: durante il funzionamento si mantengono ad una temperatura relativamente bassa, e forniscono una tensione di uscita stabile. La prima caratteristica richiede l'utilizzo della tecnologia switching, che, riducendo il calore generato all'interno dell'alimentatore, allunga la vita utile del componente e riduce le variazioni sulla tensione in uscita. La seconda caratteristica implica che la tensione mantenga un valore stabile e costante su tutto il range ammissibile del carico e della temperatura (si parla in questo caso di "stabilità statica"). Per "stabilità dinamica" si intende, invece, la capacità di contenere il più possibile le variazioni (sia verso l'alto che verso il basso) della tensione in uscita prodotte da repentine variazioni del carico. Altre caratteristiche fondamentali sono rappresentate da un basso ripple e da un rumore tendenzialmente nullo nel caso di tensione in uscita pari a 0V. Quando si utilizza la tecnologia switching, non è tuttavia così semplice tenere sotto controllo il rumore di alta frequenza in uscita. Inoltre, se l'alimentatore deve fornire tensioni in uscita multiple, le uscite dovranno essere isolate galvanicamente, in modo tale da poter essere utilizzate senza incorrere in alcun tipo di problema.
In base a queste considerazioni, potremmo concludere che i requisiti di basso costo ed elevata qualità (basso rumore e buona stabilizzazione) sono mututamente esclusivi tra loro. La soluzione più logica a questo problema è quella di combinare tra loro le tecnologie switching e lineare, in modo tale da sfruttare i benefici offerti da entrambe, anche se ciò comporta un progetto di maggiore complessità.
Il circuito che ne deriva prevede uno stadio di uscita composto da un comune stabilizzatore lineare, che permette di regolare in modo rapido e preciso sia la tensione che la corrente, e garantisce un basso rumore. A monte di questo stadio lineare è presente un regolatore switching in grado di fornire la tensione di ingresso per lo stadio di uscita, tensione che è leggermente superiore a quella effettiva di uscita, ma con una qualità inferiore. La dissipazione di potenza dello stadio lineare di uscita è bassa, anche nel caso di basse tensioni ed elevate correnti di uscita, in quanto la caduta di tensione su questo stadio è molto ridotta. Ciò richiede un maggior numero di componenti rispetto a un progetto più semplice, con una conseguente maggiore complessità e maggiori costi. Gli autori hanno tenuto in considerazione questo aspetto, ponendo una particolare cura nel progetto. Lo sviluppo ha avuto inizio presso l'Isituto ISEA (Institute for Rectifier Technology and Electrcal Drives) dell'università di Scienze Applicate di Aachen (Germania), ed è stato successivamente perfezionato dallo studente Arne Hinz come progetto applicativo per i propri studi. Lo schema a blocchi di Figura 1 mostra il risultato ottenuto. Al fine di agevolare l'autocostruzione del progetto, lo stadio di ingresso del regolatore switching è stato concepito per un funzionamento con tensione di ingresso pari a 12 Vcc. Questo piò essere fornito, con un sufficiente livello di qualità, potenza, e un costo molto contenuto, da un comune alimentatore per PC, facilmente reperibile con potenze comprese tra 200 W e 1 kW. Strettamente parlando, ciò equivale a dire che siamo di fronte al progetto di un alimentatore a tre stadi. Nella parte superiore dello schema a blocchi, procedendo da sinistra verso destra, è visibile il primo stadio, rappresentato da un alimentatore standard ATX. Il suo compito è quello di alimentare il regolatore switching visibile al centro, che agisce come una specie di pre-regolatore per lo stadio di uscita lineare, collocato sulla destra. Nella parte inferiore dello schema si possono invece osservare il blocco relativo alle tensioni secondarie (± 15V e -5V), e il blocco relativo al modulo di visualizzazione e controllo. Il vantaggio di questo progetto modulare a tre stadi è la possibilità di ottenere diverse tensioni di alimentazione galvanicamente isolate connettendo più moduli ad uno stesso alimentatore ATX. L'isolamento galvanico è garantito dal trasformatore di potenza dello stadio di regolazione switching, collocato al centro dello schema a blocchi. Ne consegue che tutte le tensioni di uscita possono essere collegate in ogni combinazione possibile.
Figura 1: schema a blocchi dell'alimentatore
Il circuito
Abbiamo visto come questo alimentatore per laboratorio ad elevate prestazioni consista di uno stadio di ingresso con regolatore switching e isolamento galvanico, e di [...]
ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 4006 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.
Ti potrebbe interessare anche:
L’eterna sfida tra BJT e MOSFET
A che punto siamo con l’Intelligenza Artificiale?
L’integrato Si4703: come realizzare una radio FM con pochissimi componenti
Progetto per il monitoraggio delle risorse della catena del freddo
IoT è chi IoT lo fa: dall’idea al prototipo
Veramente un bel alimentatore. Si potrebbe pensare di inserire altre opzioni di controllo come l’ethernet per avere una piena gestione.
Un bel progetto (tratto mi sembra da Elektor, vista la grafica); dovrei fare però un appunto veloce per quanto riguarda il livello di pubblicazione di immagini-schemi dei vari articoli.
Visto che non è la prima volta che mi capita, vorrei sottolineare l’importanza della chiara leggibilità delle immagini-schemi che nel nostro campo rivestono un’importanza fondamentale. La loro non chiara leggibilià (come in detto articolo) costringono spesso l’utente a “indovinare/intuire” i componenti oggetto della discussione, distraendolo quindi dal contesto e aumentando quindi i tempi di apprendimento fino anche a “perdere il filo del discorso”.
Questo è solo un contributo per migliorare la pur ottima rivista….
Salve French,
si il progetto è stato pubblicato a fronte di una collaborazione con la rivista Elektor
(qui trovi gli altri: http://it.emcelettronica.com/tag/elektor)
Purtroppo le immagini degli schemi non sono ad alta risoluzione e quindi questo è stato il massimo che siamo riusciti fare per poterli pubblicare sul blog.
Fortunatamente invece, ci sono i commenti, dove è possibile chiedere info sulle parti meno leggibili.
Grazie comunque della segnalazione, cercheremo di migliorare al massimo la risoluzione per una migliore leggibilità.
e si gli schemi non si possono ingrandire, sono illegibili. Ma se la collaborazione e’ ufficiale non basta chiedere semplicemente immagini ad alta qualita’ ? per stampare la rivista le devono avere per forza.
Un altro consiglio, secondo me e’ piu’ professionale che la documentazione allegata sia scaricabile da EOS stessa, e non dai server elektor. Semmai i server chiudono o altro si rimane con un articolo senza piu’ il firmware. Sono pochi kB di materiale ma fondamentali.
Si certo che la collaborazione è ufficiale.
Abbiamo lavorato con il grafico in questi giorni per ottenere il massimo della risoluzione dai PDF originali e diciamo che gli schemi sono al limite della leggibilità. Però ancora alcuni componenti non si leggono bene. Stiamo quindi cercando di ottenere delle immagini ad una risoluzione più alta. Fortunatamente ci sono i commenti per sciogliere e/o discutere di eventuali dubbi.
Ho appena inserito in allegato gli schemi in alta risoluzione.
P.S. c’e’ qualcosa che non va con il download dei master, mi sembra ci sia solo il doppia faccia della sezione display ?
confermo la mancanza dei master per i pcb. Nello zip c’e’ solo il display, inganna il fatto che siano 4 immagini, ma sono sempre le stesse due immegini ruotate.
Mancano sia i pcb della parte di potenza/driver, sia il trasformatore planare. Il quale pero’ essendo 4 facce non serve avere la sola immagine, servirebbero i file eagle o altro cad usato.
Fatevi dare il tutto e pubblicatelo qui, visto che elektor chiede sulle 100€ solo per i pcb
Non abbiamo disponibili i gerber ma solo le immagini che ci ha messo a disposizione Elektor.
Allora si deve aggiungere a fine articolo una chiusura del genere:
“Gli accordi con Elektor non prevedono la fornitura dei file necessari alla stampa dei PCB, né in formato gerber, né in formato PDF per quanto riguarda la sezione di potenza.
Ce ne scusiamo fin d’ora con i lettori paganti ed in futuro saranno pubblicati solo progetti con tutti i file annessi.
Ho guardato con interesse questo progetto ma molte cose mi lasciano perplesso, sempre ottima l’idea ma dispendioso, provo ad esprimere alcuni punti da discutere:
1> costo dei circuiti stampati secondo Elektor costano 69€ “regulator”, 25€ “front panl”, 32€ “Planar coil”, 18€ “programmed atmel”: fin qui abbiamo raggiunto quota 144€ piu’ spedizione, mancano tutti gli altri componenti che non sono poi cosi’ trascurabili quindi oltre 200 euro di materiale piu’ l’assemblaggio e una scatola.
2> analisi commerciale, sono i prodotti in vendita inferiori a questo a pari prezzo?
http://www.spinelectronics.eu/site/index.php?module=ecatSite&method=cat&filters:categoris=1&filters:categories=1&filters:subcategories=43&page=N
3> analisi del circuito: prima cosa apprezzabile il voler aver isolato l’alimentazione dal primario ma usa in ingresso un alimentatore da PC che di solito e’ di dubbia qualita’ senza spendere ingiustificate cifre per prodotti che hanno corrispondenti migliori nel settore industriale.
4> il circuito regolatore lineare usa per accoppiare il finale una sorta di traslatore di tensione a base comune, questo transistor di bassa potenza potrebbe comunque essere inadeguato e limita la corrente massima al valore di uscita dell’operazionale moltiplicato per Hfe del finale…
Avrei preferito seppure piu’ critico uno (o piu’) mosfet (in parallelo)
5> conffigurazione corrente tensione: il diodo doppio e’ per bassissime correnti, la circuitazione quando interviene il regolatore di corrente fa scorrere corrente tra i due operazionali per chiudere il regolatore di tensione. Meglio un sistema da ambo i rami possa spegnere indipendentemente il finale, da cui si puo’ capire se lavora in corrente o tensione costante.
6> trasformatore planare, tecnologicamente bello ed istruttivo, 150Kz per questo tipo di circuito a meno che non si lavori a potenze molto elevate sono pochi ed in particolare inadeguate alla ferrite 3E4 che comincia a lavorare degnamente intorno ad 1MHz. Infatti i mosfet sono tutti su un dissipatore immenso per una potenza insignificante, ovvero rendimento scarso, un avvolto o una scelta piu’ oculata darebbe rendimenti molto elevati con mosfet su pcb senza dissipatore.
7> vista anche la proposta di Maurizio, attualmente un ARM ed un LCD grafico sarebbero molto piu’ adatti IMHO ad un progetto del genere.
8> visto il dispendio almeno un canale doppio/triplo sarebbe stato meglio e piu’ adatto alle attuali esigenze digitali “mixed signal” o “small power”.
Sperando di aver contribuito in modo utile attendo commenti e suggerimenti, e’ da molto che avrei voluto costruire qualcosa di simile a scopi didattici ma deve avere costi ragionevoli e non troppo superiori ad alimentatori blasonati.