Regolatori di tensione

Regolatori di tensione
Laboratorio di Segnali e Sistemi II - Regolatori di tensione
A.Nigro
Introduzione
I moderni sistemi elettronici richiedono (normalmente) una tensione di
alimentazione continua sufficientemente “costante”.
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Introduzione
I moderni sistemi elettronici richiedono (normalmente) una tensione di
alimentazione continua sufficientemente “costante”.
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Introduzione
I moderni sistemi elettronici richiedono (normalmente) una tensione di
alimentazione continua sufficientemente “costante”.
Questo schema è insufficiente:
• Vcc varia se l’alternata d’ingresso varia;
• Vcc varia se il il carico RL varia.
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Introduzione
Il sistema di alimentazione deve essere migliorato:
Il blocco di regolazione deve mantenere Vcc costante anche se Va varia, o se
RL varia.
Per ottenere questo occorre un “riferimento” di tensione.
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Introduzione
Il sistema di alimentazione deve essere migliorato:
Il blocco di regolazione deve mantenere Vcc costante anche se Va varia, o se
RL varia.
Per ottenere questo occorre un “riferimento” di tensione.
• diodo Zener;
• bandgap.
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Il diodo Zener
Il diodo Zener e’ una giunzione pn appositamente costruita per lavorare in
polarizzazione inversa nella regione di breakdown, con alte correnti (dove i
normali diodi si distruggerebbero).
Questo e’ ottenuto drogando fortemente il semiconduttore in entrambi i lati.
La regione di svuotamento ha uno spessore estremamente ridotto (< 1 µm)
e il campo elettrico in polarizzazione inversa e’ elevatissimo (∼ 500 kV /m),
anche per valori di tensione inversa molto bassa.
Con il nome diodo Zener si comprendono dispositivi (costruiti allo stesso
modo) che sfruttano due fenomeni diversi:
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Il diodo Zener
• Effetto Zener
Si ha quando il campo elettrico attorno alla giunzione raggiunge valori di
circa 3 × 105 V /cm. Questo campo provoca un’abbondante ionizzazione
degli atomi di silicio e la conseguente crezione di coppie
elettrone-lacuna. La tensione di breakdown, VZ , a cui cio’ avviene
dipende dalla concentrazione delle impurezze e dallo spessore (molto
piccolo) della regione di svuotamento. VZ diminuisce al crescere della
temperatura.
• Effetto valanga
Quando il campo elettrico e’ inferiore a 3 × 105 V /cm questo effetto
diviene prevalente. La regione di svuotamento e’ piu’ larga e n questo
caso i portatori liberi accelerati urtano altri atomi del reticolo e li
ionizzano creando piu’ portatori e quindi ulteriore ionizzazione. La
tensione VZ in questo caso cresce al crescere della temperatura.
Per tensioni VZ inferiori a circa 5 V l’effetto Zener e’ prevalente, sopra 8 V e’
invece dominante l’effetto valanga; tra 5 V e 8 V entrambi i meccanismi
contribuiscono. Regolando accuratamente il drogaggio si possono realizzare
diodi con tensione di breakdown tra 2 e 600 V , determinata con notevole
precisione.
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Diodo Zener: curva caratteristica
I parametri (VZ , IZT ), (VZK , IZK ), rZ sono forniti dal costruttore.
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Diodo Zener come regolatore di tensione
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Diodo Zener come regolatore di tensione:esempio numerico
VG = (10 ± 1) V R = 0.5k Ω
6.8 V Zener: VZ = 6.8 V per IZ = 5 mA
rZ = 20 Ω IZK = 0.2 mA
=⇒ VZ 0 = 6.7 V
In assenza di carico (RL = ∞) si ha:
Iz
=
VO
=
Notare che
∆VO =
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VG − VZ 0
= 6.35 mA
R + rZ
VZ 0 + IZ rZ = 6.83 V
rz
∆VG = 0, 0385∆VG
R + rZ
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Diodo Zener come regolatore di tensione:esempio numerico (2)
VG = (10 ± 1) V R = 0.5k Ω
6.8 V Zener: VZ = 6.8 V per IZ = 5 mA
rZ = 20 Ω IZK = 0.2 mA
=⇒ VZ 0 = 6.7 V
Con un carico RL = 2 k Ω possiamo trovare VO risolvendo l’equazione del
nodo
VG − VO
R
=⇒ VO
=
=
VO − VZ 0
VO
+
RL
rZ
6.76 V
Da cui segue IZ = 3 mA, IL = 3.4 mA e IG = 6.4 mA.
Notare che abbiamo prelevato dal generatore VG una potenza
WG = VG IG = 64 mW e abbiamo fornito al carico solo 23 mW !
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Diodo Zener come regolatore di tensione:esempio numerico (3)
Qual e’ il valore minimo possibile di RL in questo esempio? Dobbiamo
garantirci che IZ > IZK nel caso peggiore possibile, ovvero VG = 9 V .
Troviamo anzitutto
VZK = VZ − (IZ − IZK )rz ≃ 6.7 V
Poi scriviamo ancora l’equazione del nodo
VG − VO
R
9 − 6.7
0.5k Ω
=
=
VO
+ iZ
RL
9
+ 0.2 mA
RL
Da cui si ricava RL ≃ 1.5 k Ω.
Con un carico di valore piu’ basso il diodo esce dal regime Zener e non
conduce piu’. La tensione sul carico diviene allora
VO = VG
RL
R + RL
e non e’ piu’ regolata.
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Progettazione di un regolatore di tensione con diodo Zener
• Si parte dall’esigenza (valore di tensione richiesto, valore minimo del
carico previsto) e dal generatore VG che si ha a disposizione;
• Si sceglie lo Zener da adottare;
• Si definisce il valore di R in modo da garantire il funzionamento del diodo
in regime Zener (possibilmente minimizzando lo spreco di potenza!).
Esercizio:
Progettare un regolatore di tensione con V = 5.1 V in grado di fornire al
carico fino a 100 mA.
Si ha a disposizione un diodo Zener 1N5338B (VZ = 5.1 V , IZT = 240 mA,
rZ = 1.5; Ω, IZK = 1 mA, IZMAX = 900 mA), e un generatore di tensione non
stabilizzata VG = (7.5 ± 1.0) V .
Calcolare anche la massima potenza erogata dal generatore VG .
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Zener compensati in temperatura
In alcuni casi si ha bisogno di un riferimento di tensione non solo accurato
ma anche stabile, mentre, come abbiamo detto, la tensione di breakdown di
un normale diodo varia con la temperatura (di alcuni mV /◦ C). Per ovviare a
questo inconveniente si realizzano diodi compensati in temperatura
sfruttando il fatto che nei diodi polarizzati direttamente la tensione VBE ha un
coefficiente negativo di temperatura (circa −1.6 mV /◦ C). Accoppiando uno o
piu’ diodi polarizzati direttamente con un diodo Zener si puo’ avere un
dispositivo che, complessivamente, ha un coefficiente di temperatura di
frazioni di mV , quindi con variazioni percentuali della VZ estremamente
basse.
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Regolatori di tensione: caratteristiche
I parametri che definiscono le prestazioni di un regolatore di tensione sono
• Regolazione di linea:
S1 =
∆VO ∆Vi ∆IL =0
• Regolazione di carico:
S2 (%) =
VNL − VFL
× 100
VFL
• Resistenza d’uscita:
RO =
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∆VO ∆IL ∆Vi =0
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Regolatore di tensione con operazionale
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Regolatore di tensione con operazionale (2)
Vo − V
RF
Vo − V
=
V
RI
RD IZ
V
=
VZO + rZ IZ
⇒
=
RF
V = RD IZ
RI
⇒ IZ =
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(V − VZO )
rZ
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Regolatore di tensione con operazionale (3)
Infine
V (1 −
rZ RF
) = VZO
RD RI
Ora, se
rZ RF
≪1
RD RI
V ≃ VZO da cui consegue che
RF
)
RI
In sostanza otteniamo una tensione in uscita Vo costante e indipendente
dalla corrente del diodo Zener. Essa e’ anche indipendente da VCC , che
fornisce la potenza, e da RL , almeno fino alla massima corrente erogabile
dall’operazionale.
Vo = VZO (1 +
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Regolatore di tensione con operazionale (4)
In questo modo la corrente sul carico e’ fornita dal transistor Q1 ,
l’operazionale deve solo fornire la corrente di base.
Il trimmer RT consente di regolare la tensione di uscita.
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Regolatore di tensione con operazionale: simulazione con Pspice
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Regolatore di tensione con operazionale: simulazione con Pspice
Regolazione di linea
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Regolatore di tensione con operazionale: simulazione con Pspice
Regolazione di carico
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Regolatore di tensione con operazionale: simulazione con Pspice
Regolazione di carico: corto circuito
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Regolatore di tensione con operazionale (5): protezione per i corti circuiti
Se IL RSC ≃ 0.6 V Q2 entra in conduzione: a quel punto la caduta di tensione
IL RSC non puo’ ulteriormente aumentare, perche’ e’ costretta ad essere
pressoche’ costante. Quindi, la massimo valore della corrente in uscita,
anche nel caso limite di corto circuito, e’
ISC ≃
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VD
RSC
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Regolatore di tensione con protezione: simulazione con Pspice
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Regolatore di tensione con protezione: simulazione con Pspice
Regolazione di linea
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Regolatore di tensione con protezione: simulazione con Pspice
Stato del transistor Q2
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Regolatore di tensione con protezione: simulazione con Pspice
Correnti
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Regolatore di tensione con operazionale (6): foldback
Il sistema precedente non evita comunque una forte dissipazione di potenza
mentre l’uscita e’ in corto. Si potrebbe quindi essere obbligati a scegliere una
RSC grande per limitare comunque la corrente.
Il circuito di foldback e’ una soluzione per limitare la corrente di corto circuito
senza limitare quella di uso normale.
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Regolatore di tensione con operazionale (7): foldback
Il foldback si innesca quando Q2 entra in
conduzione, cioe’ quando
VB2 = VREG + 0.6
Si ha anche:
VB2
=
V1
=
R4
R3 + R4
VREG + IRSC
V1
Da cui si ricava la corrente di ginocchio
IK =
R3 + R4
VREG
(VREG + 0.6) −
RSC R4
RSC
In corto circuito VREG = 0 e si ha
ISC =
R3 + R4
(0.6)
RSC R4
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Regolatore di tensione con operazionale (8): foldback
Esempio:
VREG
=
5V
RSC
=
30 Ω
R3
=
2.7 k Ω
R4
=
5.6 k Ω
Si trova:
ISC
=
30 mA
IK
=
110 mA
Il circuito quindi puo’ fornire una corrente
fino a 110 mA, ma in caso di corto circuito
la corrente e’ limitata a 30 mA.
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Regolatore di tensione con foldback: simulazione con Pspice
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Regolatore di tensione con foldback: simulazione con Pspice
Regolazione di carico
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Regolatore di tensione con protezione: simulazione con Pspice
Andamento della corrente nel carico
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Regolatore di tensione con foldback: simulazione con Pspice
Stato del transistor Q2
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Anche gli operazionali sono protetti dai corti circuiti
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Riferimenti di tensione a bandgap
Un riferimento di tensione con diodo Zener non fornisce, in alcuni casi, il
livello di precisione e stabilita’ richiesto (per es. DAC e ADC).
In molti casi e’ preferibile il riferimento di tensione a bandgap.
L’idea e’ costruire una tensione in modo da riuscire ad annullare la sua
derivata rispetto a T .
Come?
Mettendo in competizione due termini (uno con derivata rispetto a T positiva,
l’altro con derivata negativa).
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Riferimenti di tensione a bandgap: esempio 1
I due diodi sono supposti identici,
inoltre
n > 1 ⇒ VD2 > VD1
I due ingressi dell’operazionale
sono alla stessa tensione
VR − VD2
VD2 − VD1
=
R
R1
→ VR =
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R
(VD2 − VD1 ) + VD2
R1
I
=
nI
=
VD1
Is e V T
VD2
Is e V T
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Riferimenti di tensione a bandgap: esempio 1
VD2 − VD1 = VT loge n ⇒ VR =
R
(VT loge n) + VD2
R1
Devo annullare questa derivata:
∂KT
K
R
∂VD2
R
∂VD2
∂VR
= ( loge n)
+
= ( loge n) +
∂T
R1
∂T
∂T
R1
q
∂T
(K = 1.28 × 1023 J/K q = 1.6 × 10−19 C)
Sperimentalmente:
∂VD2
= −1.6 × 10−3 V /◦ K per 1 < ID < 10 mA
∂T
Quindi devo avere:
K
R
( loge n) = 1.6 × 10−3
R1
q
⇒ (
R
loge n) = 18.55
R1
⇒ VR ≃ 1.16 V indipendente dalla temperatura
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Riferimenti di tensione a bandgap: esempio 2
Come ottenere un riferimento di valore diverso:
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La cella di Brokaw
Il transistor Q2 ha una superficie di
giunzione BE n volte piu’ grande di
quella di Q1 .
⇒ Is2 = nIs1
Ma si ha
I2 = I1
⇒ VBE2 < VBE1
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La cella di Brokaw - II
I1 = I2 = I (V+ = V− )
VBE1 = VT loge
VN
=
=
=
VPTAT
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=
I
I
VBE2 = VT loge
Is
nIs
VBE1 − VBE2
I
I
VT (loge − loge
)
Is
nIs
VT loge n
R1
2 VT loge n
R2
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La cella di Brokaw - III
VR = VBE1 + VPTAT
Calcolo la derivata rispetto a T
∂VR
∂T
=
∂VBE1
∂VPTAT
+
∂T
∂T
=
−1.6mV /◦ K + 2
R1 K
loge n
R2 q
Quindi devo imporre:
2
R1 K
loge n = +1.6mV /◦ K
R2 q
Con questa condizione
VR ≃ 1.2 V
Notare:
VPTAT = 2
R1 KT
loge n
R2 q
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⇒ Sonda di temperatura!
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Regolatori di tensione integrati
L’esigenza di disporre di sorgenti di tensione stabilizzate ha portato allo
sviluppo di regolatori di tensione integrati, disponibili in commercio a prezzi
bassi, che possono essere facilmente utilizzati con l’aggiunta di pochi
componenti passivi.
Alcuni utilizzano come riferimento di tensione diodi Zener (compensati in
temperatura), altri invece usano circuiti bandgap.
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LM723
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LM723: Diagramma funzionale
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LM723: Schema
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LM723: Caratteristiche
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LM723: Regolatore di tensione (+2 V ÷ +7 V )
L’amplificatore di errore compara la tensione VOUT con la tensione
desiderata: aumenta o diminuisce la tensione alla base di Q1 per correggere
l’errore ( le uscite Current Sense e Current Limit non sono utilizzate).
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LM723: Regolatore di tensione (VOUT > +7 V )
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LM723: Limitazione di corrente
Quando Vsense ≃ 0.6 V Q2 entra in conduzione sottraendo corrente alla base
di Q1 e limitando quindi la corrente sull’uscita.
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LM723: Foldback
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LM723: Current boost con transistor esterno
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LM723: Tensioni negative
L’integrato LM723 puo’ essere usato anche per la regolazione di tensioni
negative.
(Vedi datasheet per i possibili schemi)
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Regolatori a tensione fissa
Per molte applicazioni vengono utilizzati regolatori di tensione fissa, a 3
terminali, capaci di adeguata dissipazione di calore e utilizzabili senza (o
quasi) componenti esterni.
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Serie LM7800
La serie LM7800 consiste di regolatori di tensione fissa a 3 terminali con sei
possibili valori di tensione. Sono dotati di protezione termica e limitazione
della corrente di corto circuito.
Tipo
VOUT (V)
VIN min (V)
VIN max (V)
IMAX (A)
7805C
5
7
25
1.5
7808C
8
10.5
25
1.5
7810C
10
12.5
28
1.5
7812C
12
14.5
30
1.5
7815C
15
17.5
30
1.5
7824C
24
27
38
1.5
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Regolatori variabili di tensione
Regolatori di tensione in cui il valore di VOUT puo’ essere regolato facilmente
con due resistori.
L’integrato LM317 e’ tra i piu’ comunemente utilizzati
VOUT puo’ variare tra 1.2 e 37 V ; la corrente di uscita massima puo’ essere di
0.5 o 1.5 A (secondo il tipo).
VIN massima e’ 40 ÷ 60 V .
VOUT
=
=
≃
=
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R1 I1 + RV (I1 + Iadj )
Vref
+ Iadj )
Vref + RV (
R1
RV
Vref + Vref
R1
RV
1.25(1 +
)
R1
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Regolatori di tensione switching
I regolatori di tensione lineari hanno efficienza abbastanza bassa.
La potenza dissipata nel transistor d’uscita del regolatore e’ data da
Wd = (VIN − VOUT )IOUT
L’efficienza puo’ essere molto migliore utilizzando una tecnologia switching.
Inoltre si puo’ avere una molto maggiore densita’ di potenza (ovvero minore
ingombro a parita’ di potenza fornita)
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Regolatori di tensione switching
Confronto tra alimentatori lineari e switching:
Lineari
Switching
Regolazione di linea
0.02-0.05%
0.05-0.1 %
Regolazione di carico
0.02-0.1%
0.1-1%
Ripple
0.5 - 2 mV
10 - 100 mV
Efficienza
40 -55%
60 - 95%
Le peggiori prestazioni in termini di regolazione possono eventualmente
essere corrette con un regolatore lineare in cascata, se necessario.
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Regolatori di tensione switching: schema di principio
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Regolatori di tensione switching: modulatore
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Regolatori di tensione switching: modulatore, altra soluzione
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Regolatori di tensione step-down (buck)
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Regolatori di tensione step-down (buck)
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Regolatori di tensione step-down (buck)
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Regolatore step-down: simulazione con Pspice
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Regolatore step-down: simulazione con Pspice
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Regolatore step-down: simulazione con Pspice
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Regolatore step-down: simulazione con Pspice
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Regolatore step-down: simulazione con Pspice
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Regolatore step-down: simulazione con Pspice
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Regolatori di tensione step-up (boost)
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Regolatore step-up: simulazione con Pspice
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Regolatore step-up: simulazione con Pspice
Vout per 3 diversi valori del duty-cycle
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Regolatore step-up: simulazione con Pspice
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Regolatori di tensione buck-boost (inverting)
Produce una tensione di uscita di polarità opposta rispetto all’ingresso. La
tensione d’uscita puo’ essere maggiore o minore (in modulo) di quella
d’ingresso.
Vo =
Vin δ
(1 − δ)
δ < 50%
⇒
step down
δ > 50%
⇒
step up
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Dimensionamento del filtro
Il corretto dimensionamento del filtro e’ importante e abbastanza critico.
• Capacitore
• Induttore
• Diodo
Durante il transitorio iniziale ci sono sovratensioni e sovracorrenti.
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Diodo Schottky
E’ preferibile utilizzare i diodi Schottky in questi dispositivi.
Sono costituiti da una giunzione metallo-semiconduttore, in
genere di tipo n.
L’equazione del diodo Schottky e’ analoga a quella del diodo normale, ma:
• la corrente e’ portata solo dai portatori maggioritari (elettroni nel tipo n);
• il ginocchio e’ piu’ basso (0.15 ÷ 0.45 V );
• la velocita’ di commutazione e’ molto piu’ elevata: reverse recovery time
≃ 0 (e’ ∼ 100 ns nei diodi normali piu’ veloci) ;
• la corrente inversa e’ piu’ elevata;
• la tensione di breakdown e’ piu’ bassa.
L’uso dei diodi Schottky consente di utilizzare frequenze piu’ elevate e quindi
induttori piu’ piccoli.
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LM2575:regolatore di tensione step-down
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LM2575
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LM2575-N
Versione a tensione fissa (partitore interno)
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LM2575-ADJ
Versione a tensione regolabile (partitore esterno)
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LM2575-ADJ: scelta dei componenti esterni(1)
Partitore:
Scegliendo R1 = 1 ÷ 5; k Ω si trova poi
R2 = R1 (
Vo
− 1)
1.23
Induttore:
Va scelto in base al prodotto E · t
E · t = (Vin − Vo )
Vo 1000
V · µs
Vin f (kHz)
(Il prefisso H indica induttori adatti
per E · t = 250 V · µs )
(Il prefisso L indica induttori adatti per
E · t = 90 V · µs )
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LM2575-ADJ: scelta dei componenti esterni(2)
Condensatore COUT :
COUT ≥ 7.785 × 10−3 ×
Vin(max)
; (µF )
VOUT × L(µH)
E’ consigliato scegliere un valore di COUT molte volte superiore al valore
ricavato dalla precedente formula.
Condensatore CIN :
Non ci sono particolari prescrizioni, ma e’ opportuno metterlo per stabilizzare
la tensione d’ingresso.
Esercizio:
Progettare un regolatore con Vo = 5 V , in grado di fornire una corrente Io di
0.5 A, avendo una tensione d’ingresso Vin(max) = 8 V .
Laboratorio di Segnali e Sistemi II - Regolatori di tensione
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Regolatore buck-boost: esempio
Alimentatore −12 V partendo da una tensione positiva non stabilizzata di
12 ÷ 25 V , con LM2575-12:
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LM2577: regolatore step-up (boost)
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LM2577: schema
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LM2577: esempio
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LM2577: esempio 2 - regolatore flyback
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