LM317: tensione positiva

Gli stabilizzatori, appunti del corso di Sistemi del Prof. A. Celentano, Itis Galileo Ferraris a.s. 2004/2005
L’integrato stabilizzatore LM317
L’integrato LM317 è uno stabilizzatore di tensioni positive variabili, semplice da usare. Una
documentazione completa e dettagliata è possibile scaricarla dal sito dell’industria National
Semiconductor, sito www.national.com . Due resistenze esterne all’integrato, opportunamente
dimensionate, permettono di ottenere un qualunque valore di tensione in un range tra 1.2 e 50 volt,
fornendo una corrente massima di 1.5 ampere e con un abbattimento del ripple di 80 dB (che equivale
a dire un livello di 5 mV di ripple su una tensione di 5 Volt). Queste sono per grosse linee le
caratteristiche fondamentali di questo integrato. Il
package, figura a lato, si presenta come se fosse un
semplice transistore dotato di una spallina in ferro
che ne permette il fissaggio ad una aletta di
raffredamento. Ha tre piedini: il pin Regolatore; il pin
di Entrata; il pin di Uscita. Il pin regolatore permette
di detrminare l’uscita semplicemente facendo variare la tensione a cui
è sottoposto.
Uno dei possibili schemi di base è quello riportato qui a lato.
L’industria costruttrice ci fornisce la relazione matematica che
permette di determinare la tensione di uscita Vout. La relazione è:
Vout = 1.25 x ( 1 + R2/R1 ) + R2 x IREG
Dove IREG è la corrente che esce dal pin Regolatore e attraversa la
resistenza R2 , che è una resistenza variabile che può assumere un
valore tra 0 e 5000 Ohm. La resistenza R1 è di 250 Ohm. La relazione
matematica è valida se la caduta di tensione ai capi dell’integrato non
è inferiore a 3 Volt (tensione di Dropout) e, quindi, il livello di
tensione in ingresso sia almeno di 3 volt superiore alla tensione di uscita. Il condensatore in ingresso deve essere
almeno 10 volte più grande di quello messo in uscita. Poiché la corrente che esce dal pin Regolatore è in genere
trascurabile, è dell’ordine dei micro-ampere, la relazione che permette di calcolare l’uscita diventa di tipo lineare, ossia
Vout = 1.25 x ( 1 + R2/R1 ). Da questa relazione si vede che variando il valore della resistenza R2 si ottiene una
variazione della tensione di uscita. Lo schema proposto non
protegge l’integrato da eventuali ritorni di sovratensione. A tal
fine l’industria propone il seguente schema elettrico, che
permette di proteggere l’integrato da tensioni di ritorno
negative ed anche dal ritorno di sovratensioni positive.
Osserviamo lo schema riportato qui a lato. Rispetto al
precedente sono stati introdotti due diodi: a) un diodo a ponte
tra l’ingresso e l’uscita D1; b) un diodo tra l’uscita ed il
terminale di regolazione D2. Vediamo la funzione di questi
due diodi. Il diodo D1 permette di proteggere l’integrato da un
ritorno di tensione positiva. Infatti se Vout per un qualunque
motivo diventa maggiore di Vinp, allora il diodo D1
risulterebbe polarizzato direttamente e l’integrato risulterebbe
cortocircuitato, la tensione di dropout scenderebbe a zero
annullando l’uscita e proteggendo l’integrato. Mentre se in
uscita si presenta una tensione negativa, allora il diodo D2
risulta polarizzato direttamente e, quindi, il condensatore C3 si
scarica subito portando il pin regolatore a zero, proteggendo
l’integrato.
Un altro possibile schema elettrico, pure molto usato in pratica, vede
l’integrato come generatore di corrente costante, utilizzato nei circuiti
che permettono di ricaricare le batterie. Osserviamo lo schema
riportato di seguito. Lo schema visualizza una batteria ricaricable
alimentata dalla corrente I che attraversa la resistenza R. L’uscita
dell’integrato si porta alla tensione di circa 1.25 Volt poiché il
regolatore è come se stesse a potenziale nullo. Di conseguenza la
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Gli stabilizzatori, appunti del corso di Sistemi del Prof. A. Celentano, Itis Galileo Ferraris a.s. 2004/2005
corrente I che attraversa la resistenza R è data dalla formula I = 1.25 / R . Questa corrente è costante perché la d.d.p. tra
l’uscita dell’integrato ed il regolatore è sempre la stessa ed è costante. Pertanto questa corrente è quella che passa nella
batteria da ricaricare e che determina la carica della batteria. Ovviamente se vogliamo che una batteria sia alimentata
con una corrente costante di 25 mA, la resistenza R è determinata dalla relazione R = 1.25 / I = 1.25 / 25 mA = 50 Ohm.
Spesso in pratica abbiamo bisogno di più
corrente per il nostro circuito. L’integrato può
erogare al massimo 1.5 Ampere, se dotato di
opportuna aletta di raffreddamento e quindi
abbiamo bisogno di un circuito che mantenga il
livello di stabilizzazione richiesto e però ci
permetta di dispoorre di una corrente maggiore
di 1.5 Ampere.
Vediamo qualche schema elettrico che permette
di ottenere più corrente in uscita. Osserviamo il
circuito riportato qui di seguito. Rispetto al
primo schema analizzato è stato aggiunto un
transistore PNP ed una resistenza Ro tra la base e
l’emettitore del transistore ed in serie
all’integrato
LM317.
Quest’ultimo
fatto
comporta che la corrente che entra nell’integato è
la stessa che passa per la resistenza Ro, che deve
essere dimensionata opportunamente. Supponiamo che il carico R L non assorba molta corrente. In questo caso la
tensione ai capi di Ro non è sufficiente ad accendere il transistore per cui quest’ultimo è costretto a lavorare in zona di
interdizione. Man mano che il carico assorbe più corrente, anche la tensione ai capi di R o aumenta e, di conseguenza,
anche la tensione VBE del transistore che man mano passa dall’interdizione alla zona attiva e può raggiungere la
saturazione. In questo passaggio la corrente di collettore aumenta progressivamente con la richiesta del carico di avere
più corrente. Si osservi che in questa situazione al carico giungono due corrente: una attraverso il collettore del
transistore e l’altra attraverso l’uscita dell’integrato LM317. La conseguenza di tutto ciò è che la tensione di uscita pur
mantenedo il livello di stabilizzazione assicurato dall’integrato LM317 può erograre una corrente maggiore di 1.5
Ampere che l’integrato stesso può sopportare.
Vediamo adesso come è possibile trasformare un’informazione binaria in
un livello di tensione. Osserviamo lo schema riportato di seguito. Il
segnale logico, Bit di ingresso (0/1), attraverso l’inverter NOT manda in
saturazione in modo alterno i due transistori. In particolare se il Bit vale
0, e cioè 0 volt, il primo transistore è interdetto mentre il secondo
transistore è in saturazione. Le resistenze Rs assicurano la saturazione dei
transistori. Se il Bit di ingresso vale 1, ossia +5 Volt, allora è il primo
transistore ad essere in saturazione, mentre il secondo è in interdizione.
Questo fa sì che in uscita avremo due livelli di tesione. Precinamente:
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BIT
Tesnsione
0
1.25 x (1 + R2/R0)
1
1.25 x ( 1 + R1/R0)