Alimentatore didattico

Alimentatore didattico
Stabilizzazione e regolazione tensione di uscita
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Nella prima parte di questo articolo abbiamo visto in
quanti modi si possa raddrizzare una tensione
alternata, come varia la tensione di uscita al variare
del carico e sopratutto i vari valori di ripple che si
ottengono. E' scontato che un buon alimentatore è
quello che, oltre che avere un basso valore di ripple
(<10mV), riesce a mantenere la tensione di uscita
pressoche allo stesso livello sia a pieno carico che a
vuoto; una differenza di 0,5 volt è ritenuta comunque
più che soddisfacente. Procedendo passo dopo passo,
con l' ausilio di questo Kit, ci renderemo conto di
come alla fine questi risultati, si possano
raggiungere.
Questo circuito lo si estrapola dall'insieme del
circuito semplicemente inserendo i ponticelli di corto
circuito ai punti 1e2 ed al punto A.
A seconda poi della tensione che si vuole avere in
uscita collegare un ponticello di corto circuito.in
corrispondenza dei relativi pin; nel nostro caso lo
abbiamo inserito su 12Volt.
Prassi corretta vorrebbe a questo punto, che il
valore della resistenza R1 sia ricavato, tenendo
presente il valore della tensione al morsetto "IN" e
quella del diodo zener D1; nel nostro caso invece,
bisognerà procedere in maniera inversa perchè
alcuni dei componenti citati, dovendo servire anche
nelle
altre
esercitazioni,
hanno
un
valore
predeterminato.
Un esempio per tutti:
- il valore del carico:
ciò di cui si può disporre è legato alle due resistenze
RP1 e RP2, pertanto, utilizzando una sola resistenza
(RP1 o RP2) si renderà disponibile un carico di10
ohm 20watt, tutte e due contemporaneamente
(parallelo), 5 ohm 40watt.
- il valore della resistenza R1:
disponibile abbiamo tre resistenze, una del valore di
330 ohm 1/2w e due del valore di150 ohm 1/2w
Potendole collegare, tramite i ponticelli 1-2-3, solo
in parallelo, si potrà avere:
il loro stesso valore inserendo il ponticello relativo
ad ogni singola resistenza;
75 ohm 1w, inserendo i ponticelli 1 e 2;
60 ohm 1,25w, inserendo tutti e tre i ponticelli di
corto circuito
Le altre combinazioni non sono
rilevanti.
- il valore del diodo zener D1:
essendo il risultato di 4 diodi zener collegati in serie,
del valore di 3volt ciascuno, può essere considerato
come un unico diodo di.12V - 1,3w (nello schema di
fig.11 e 12 viene infatti indicato con D1).
Facciamo notare che anche se spostiamo il ponte di
corto circuito su 6v, le considerazioni su D1 fatte
precedentemente rimangono, cambierà solamente il
valore della tensione in uscita, che ricordiamo sarà
pari al valore selezionato meno la caduta di tensione
introdotta dal Transistore T4 (0,6v circa).
PRIMA DI PROCEDERE NELLE ESERCITAZIONI E BENE
PERO' FARE ALCUNE PRECISAZIONI, ALLE QUALI
PREGHIAMO DI FARE MOLTA ATTENZIONE, ONDE
EVITARE DI DANNEGGIARE IRRIMEDIABILMENTE IL
CIRCUITO IN ESAME.
- NELLO SPERIMENTARE I CIRCUITI DI FIG.11 E
FIG.12 E' BENE UTILIZZARE PER L' ALIMENTAZIONE
DEL CIRCUITO UN ALIMENTATORE STABILIZZATO DA
15-20v - 5A E NON IL MODULO RADDRIZZATORE GIA
REALIZZATO; COME VEDREMO SUCCESSIVAMENTE,
SOLO AVENDO A DISPOSIZIONE UNA TENSIONE DI
ALIMENTAZIONE STABILIZZATA,
SARA'POSSIBILE
CONTROLLARE IL VARIARE DI ALCUNI PARAMETRI.
- TOGLIERE DAL CIRCUITO I TRANSISTORI T1-T2-T3
ED I PONTICELLI DI CORTO CIRCUITO DAI PUNTI 12-3 E A-B.
NEL CASO SI DOVESSE PER FORZA USARE IL MODULO
RADDRIZZATORE, SI CONSIGLIA DI CONFIGURARLO
COME IN FIG.5 (ONDA INTERA) E COLLEGARE IL
TRASFORMATORE (fig.12) COME NEL COLLEGAMENTO
"P1" , IN MODO DA AVERE UNA DISPONIBILITA' DI
DI 17-18Volt CONTINUI.
OUT +
Ib+Iz
IN +
1-2-3
Ic
T4
R1
Ib
A
D1=12v
C6
Iz
Carico
Vz
R2
Iz
fig.11- schema di filtraggio e stabilizzazione con
Transistore in serie e diodo zener; il massimo della
semplicità ed economicità quando non si richiedano
grosse prestazioni.
Tutti questi dati valgono per le esperienze che si
possono realizzare con i circuiti di fig.11 e fig.12.
Collegando un Tester con portata 2v f.s. sui testpoint ai capi della resistenza R2 (Iz), si potrà
leggere direttamente in mA, (non considerando gli
zeri e la virgola iniziali) il valore della corrente che
circola nello zener
Riportiamo ora, eliminando noiosi calcoli teorici (chi
vuole può sempre fare, almeno come controprova),
un modo pratico di procedere, ed i risultati ottenuti
in due nostre esperienze:
- Collegate, come indicato nella nota precedente, uno
strumento ai capi della resistenza R2, un' altro con
Se i valori si differenziassero notevolmente
da questi,
spegnete
immediatamente
e
controllate se ci sono errori di montaggio o
di collegamento (controllate sopratutto T4
ed il collegamento dei ponticelli).
- Collegate ora, in serie tra il morsetto "OUT+" e la
resistenza RP1 (10 ohm),un amperometro di almeno
5A f.s.. Rileggete di nuovo il valore della:
corrente di zener Iz (65mA), la corrente (1,14 A) e
la tensione sul carico (10,8v); se fosse disponibile
un oscilloscopio, misurate anche la tensione di ripple.
Con un cavetto collegate in parallelo alla resistenza
RP1 l'altra resistenza (RP2); il carico in questo
modo diventa 5 ohm 40w.
Misurate ancora la corrente di zener Iz (50mA), la
corrente nel carico (2,08A) e la tensione ai suoi capi
(10,3v).
Tutti questi dati, ci rendono possibili alcune
considerazioni:
la stabilità della tensione sul carico e la tensione di
ripple risultano legati strettamente al variare del
carico, e sono sufficientemente accettabili fin quanto
la corrente nello stesso rimane sotto i 3A.
Prendendo in considerazione i dati della seconda
esperienza, esplicitiamo, semplificandoli, alcuni
calcoli:
i dati ottenuti, ci davano a vuoto una corrente di zener
Iz = 80mA, mentre con carico di 5 ohm una Iz =
50mA
la differenza tra questi due valori (Ib=30mA),
rappresenta la corrente di base del transistor T4 al
momento di soddisfare la richiesta di corrente da
parte del carico (Ic= 2,08 A)
da ciò si deduce che:
ßeta di T4 = Ic / Ib =
2080 / 30 ≈ 70
(1)
nel caso il carico richiedesse una corrente di 5A si
dovrebbe avere:
dalla (1)
Ic = ß* Ib
(2)
da cui
Ib = Ic/ß = 5000/70 ≈ 71
mA
corrente che aggiunta a quella minima richiesta dallo
zener per svolgere ancora la sua funzione di
stabilizzazione, ci porta ad un valore di 100-110mA.
Quando non è applicato al circuito nessun carico, detta
corrente circola tutta nello zener D1, con il risultato
di rischiarne la Bruciatura:
infatti
P = Vz * Iz
(3)
da cui
Imax= P/Vz = 1,3 / 12 ≈ 108mA
valore di corrente al limite della sopportabilità, che
nel caso in cui il carico richieda ancora più corrente,
renderebbe necessario sostituire lo zener con uno di
più alto wattaggio.
Consigliamo di ripetere l' esperienza inserendo un
altro ponticello di corto circuito sul punto 3, e
aumentando la tensione di ingresso (IN+) fino a
leggere una tensione Vz di 12,6v (nella nostra
esperienza abbiamo letto una corrente di zener Iz ≈
124mA ); verificate la differenza di comportamento
del circuito al variare del carico applicato (maggiore
stabilizzazione della tensione di uscita).
Questa esperienza, sembrerebbe contraddire ciò che è
stato detto poco fa a proposito del diodo zener D1, non
è così: ricordiamo che D1 in teoria, rappresenta un
diodo zener da 12v-1,3w, in realtà è una serie di
quattro diodi da 3v-1,3W, pertanto singolarmente
ogni diodo è in grado di reggere una corrente pari a:
dalla formula (3)
Imax= P / Vz = 1,3 / 3 ≈
434mA
più che sufficiente per la nostra esperienza.
Se riguardiamo la formula (2), vediamo che c'è un
altro modo per avere una corrente di carico (Ic) più
alta pur con la stessa corrente di base (Ib); la
sostituzione del Transistore T4 con un' altro che
abbia un ßeta più alto, oppure aumentarne il valore
aggiungendo il Transistore T3 collegandolo in modo da
realizzare una configurazione darlington
IN +
OUT +
T4
Ic
R1
T3
1-2-3
B
Vz
D1=12v
C6
R2
Carico
f.s. di 20v tra la massa ed il test-point
contrassegnato con Vz, ed una tensione stabilizzata, di
almeno 16v, ai morsetti di ingresso ( il negativo a
massa, il positivo al + IN).
- Leggete la tensione di zener Vz; nel caso non fosse di
12v, variate la tensione di ingresso fino al
raggiungimento di tale valore.
Leggete e registrate il valore assunto dalla corrente di
zener e della tensione di uscita (nel nostro caso circa
80mA per la corrente di zener e 11,4v ( a vuoto )
per la tensione di uscita).
Iz
fig.12 Per adeguare il circuito a questa nuova
configurazione, non dobbiamo far altro che montare il
Transistore T3 e spostare il ponticello di corto
circuito dal punto A al punto B.
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Controllate l' esatta disposizione dei piedini di T3 con
le indicazioni di montaggio della fig.13 o della
serigrafia sul circuito stampato.
T4
OUT +
IN +
T4
R1
R1
R1
1
2
R7
R5
D1
D1
R9
R6
3
Vz
D1
R8
C1
C4
12v
A
9v
6v
T3
B
R10
T1
C3
R3
T2
R4
D1
R*
C6
R2
Iz
R11
C1
C2
D2
fig.13 - schema elettrico completo
Per la resistenza R1 e il diodo D1, valgono le stesse
note dette in precedenza.
Ripetuti tutti gli esercizi e le misure come nella
precedente esercitazione, vi sarete resi conto che la
stabilità della tensione di uscita ed il valore della
tensione di ripple sono leggermente migliorati, come
pure la disponibilità di corrente in uscita; siamo
però, ancora lontani dai valori che ci eravamo
prefissi in partenza.
Motivo principale, la ancora insufficiente sensibilità
del circuito a seguire le variazioni della tensione di
uscita, dovuta essenzialmente alla mancanza di un
collegamento più stretto tra l' uscita ed il circuito di
stabilizzazione.
Prima di procedere alla realizzazione delle prossime
esercitazioni,
è
essenziale
togliere
l'alimentazione al circuito ed i ponticelli di
corto circuito dai punti 1-2 e 3. Inoltre
collegate i
secondari
del
trasformatore
di
alimentazione ai morsetti A-B-C-D, secondo la
configurazione come al punto P3 (fig.12) ed
utilizzare questo modulo per alimentare la parte
stabilizzatrice.
L' inserimento dei transistori T1 e T2 , completa la
realizzazione dell' alimentatore (fig.13) secondo le
specifiche dette in precedenza; il Transistore T1
infatti, oltre che stabilire il valore della tensione di
uscita, ne percepisce le eventuali variazioni, le
amplifica e le passa al gruppo di transistor T2-T3T4, configurati come Triplo circuito Darlington, che
hanno il duplice compito di, correggere queste
variazioni (amplificandole in negativo) e fornire la
corrente richiesta dal carico.
Con il completamento del modulo, si ha la possibilità
di regolare tramite il trimmer R10 il valore della
tensione di uscita da un minimo, stabilito dal diodo
D2, ad un massimo, più o meno vicino al valore della
tensione di ingresso, a seconda del valore più o meno
grande della resistenza R11.
La resistenza indicata come R*, collegata tra il
centrale di R10 ed il punto di connessione di R10 e
R11, serve a rendere lineare la variazione della
tensione di Uscita.
Piano di montaggio
R9
R11
R*
R3
R4
R8
T1
R10
C1
D2
e
b
c
T2
C5
D1
Iz
C3
R1
e
b
c
2
R1
D1
D1
D1
C2
3
R1
1
Vz
R2
6V
9V
12V
B
A
b
*vedi note
R7
IN.
T3
e
c
R5
C4
b
C6
R6
T4
e
OUT.
RP1
RP2