Alimentatori a caduta

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TEORIA
RISORSE
SPECIALE
Alimentatori
a caduta
A
FARE ELETTRONICA - GENNAIO 2005
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limentatori a caduta
capacitiva, ovvero: come
risolvere elegantemente ed a
poco costo, tutti quei piccoli
problemi d’alimentazione a
bassissima potenza e
rinfrescare le conoscenze sui
condensatori.
Quante volte vi sarà capitato di dover alimentare spie di segnalazione, luci di cortesia o piccoli
carichi direttamente dalla presa di corrente ed
esservi imbattuti in un assurdo: l’alimentatore
risulta più grosso e complesso del carico stesso!
Certo, una bella resistenza, un paio di diodi, un
condensatore e magari uno Zener possono aiutare ma la potenza da dissipare sul resistore
costringe all’utilizzo di grossi componenti da
tenere ben sollevati dallo stampato con tanti
saluti alla compattezza del circuito...
Un trasformatore?
Si, certo... peccato che il suo costo sia incomparabile rispetto al Led che deve alimentare.
E allora?
Allora ecco che dove non arriva la forza bruta,
gli studi scolastici stravincono: un bel condensatore ed è tutto risolto!
IL CONDENSATORE
Spesso bistrattato, il condensatore copre un
ruolo fondamentale nei circuiti elettronici.
Usualmente si legge nelle liste componenti dei
vari progetti, solo il valore capacitivo e la tensione di lavoro ma quasi mai la tecnologia costrut-
tiva (plastico, ceramico od altro). Questo risulta
molto strano, visto che la tecnologia influisce
pesantemente sul comportamento del componente. Ad esempio, provate a costruire un lampeggiatore usando un ceramico con dielettrico
Y5V: ammettendo di volere un lampeggio al
secondo, ci troveremmo con un tempo più
lungo quando fa caldo e più corto quando rinfresca! Ebbene si, pensavate di soffrire solo voi
di metereopatismo?
Tecnologie costruttive
Partiamo dalla nozione base: un condensatore
è costruito da due conduttori chiamati “armature” separati elettricamente da un isolante
detto “dielettrico”. Tutto qui. Tutto qui?!? Col
cavolo! Se le armature sono dei conduttori,
usando del rame oppure alluminio o addirittura oro si risolve il problema, ma per il dielettrico il discorso cambia in quanto la sua caratteristica o costante “dielettrica” influenza il comportamento in temperatura, frequenza e perdita. Quindi ci troviamo davanti ad una scelta:
cosa piazzare in mezzo alle armature per ottenere la caratteristica cercata? Oggi i condensatori più comuni si dividono in tre grandi famiglie: ceramici, plastici ed elettrolitici.
Successivamente ogni famiglia è composta da
sotto insiemi dalle diverse caratteristiche. Ad
esempio i plastici vantano dielettrici di tipo
Teflon e vari polimeri. I ceramici si dividono in
“Alta costante dielettrica” (X7R e Y5V sono i
più comuni) e “Compensati” (C0G e U2J). Gli
elettrolitici possono essere “Tantalitici” o ad
altri elementi solidi, semisolidi e liquidi. In più,
i condensatori possono essere costruiti in tecnologia a “disco” oppure “avvolti” o ancora
“multistrato”.
A questo punto ci rendiamo conto che il “sem-
di Massimiliano Premoli
[email protected]
capacitiva
plice” condensatore non è, in verità, tanto semplice... In effetti il circuito equivalente è composto da diversi elementi quali resistenza, induttanza e capacità.
Analisi in bassa frequenza
Vista la presenza di componenti reattivi nel
circuito equivalente, si rende necessario
affrontare l’analisi in due parti distinte: bassa e
alta frequenza.
Il circuito equivalente di un condensatore in
bassa frequenza diventa quello di figura 2.
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dove R è il valore della resistenza equivalente,
F è la frequenza applicata e C è il valore nominale della capacità. Per un condensatore di
buona qualità, R è molto bassa (nell’ordine del
milliOhm) quindi l’impedenza coincide con
buona approssimazione alla reattanza cioè un
valore “resistivo” dipendente dalla frequenza.
In figura 4 è mostrato il comportamento tipico della reattanza per una capacità da 100nF.
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La capacità C, ovviamente, rappresenta la componente capacitiva; la resistenza R e l’induttanza L i componenti parassiti chiamati rispettivamente “Resistenza Equivalente” e “Induttanza
Equivalente”. Sotto questa nuova luce, notiamo che il condensatore è alla fine un circuito
con una sua determinata funzione di trasferimento che dipende dalla frequenza, dalla temperatura e anche dalla tensione applicata.
continua o bassa frequenza è un semplice
conduttore) nel range di frequenze dalla continua alle decine di KHz. L’analisi si limita
quindi a definire un’impedenza caratteristica
del dipolo data da:
Analisi in alta frequenza
In alta frequenza – dalle decine di KHz in su – il
circuito equivalente da considerare è quello
completo mostrato in figura 1. La sua impedenza ad una determinata frequenza è data da:
La differenza rispetto al precedente è la mancanza dell’induttore in quanto il suo apporto è
trascurabile (ricordiamo che un induttore in
Figura 2 Circuito equivalente del condensatore in BF
Figura 3 Reattanza di un condensatore da 100nF
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Figura 1 Circuito equivalente del condensatore
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Alimentatori a caduta capacitiva
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dove R è sempre la resistenza equivalente, C la
capacità nominale e L l’induttanza equivalente che è costituita dai terminali del componente e dalle sue connessioni interne.
Analizzandone il comportamento in frequenza
notiamo un andamento lineare e la presenza
di un ginocchio: questo punto si chiama “frequenza di auto risonanza” o SRF (Self
Resonant Frequency) e stabilisce la massima
frequenza di utilizzo di quel particolare condensatore; anzi, per stare nel giusto, è meglio
considerare come punto limite la SRF meno
un 10% circa. Con questo semplice accorgimento, saremo sempre certi di far lavorare il
componente come capacità e non come
induttore o risonatore...
UN SEMPLICE ALIMENTATORE
Dopo la teoria è venuto il momento di un po’
di pratica. Nel precedente paragrafo abbiamo capito il concetto di reattanza ed ora lo
metteremo al nostro servizio. Poniamo di
voler costruire una luce di cortesia per illuminare debolmente un passaggio, in modo che
di notte non si sia costretti ad accendere la
Figura 4 Impedenza e SRF di un condensatore da 100nF
Figura 5 Schema elettrico della luce di cortesia
luce principale. Vista l’applicazione desideriamo che il circuito sia semplice, affidabile ed
economico. In più, deve essere sufficientemente piccolo da essere inserito in un tappo
cieco di dimensioni standard.
Essendo una luce di cortesia, sappiamo che
sarà alimentata 24 ore il giorno per sette
giorni alla settimana... Quindi deve consumare lo stretto indispensabile! Il seguente
schema, allocabile in un tappo cieco risolve
elegantemente il problema.
Elenco componenti
Sigla
Valore
R1
470 Ω 1/2 W
C1
150 nF tensione maggiore di 400V
tipo GRM55DR72J154K (Murata SMD ceramico) oppure A50PH2150
(Arcotronics – Tradizionale poliestere)
D1, D2
Led 5mm rossi o verdi
Come si può vedere il circuito è composto da
solo quattro componenti. L’analisi risulta
molto semplice: la resistenza R1 da 1/2 Watt
serve per limitare la corrente in caso si alimenti il circuito nell’istante di massimo del semiperiodo positivo o negativo della tensione di
rete: la capacità scarica offrirebbe una resistenza pari a zero e questo potrebbe far scattare il salvavita.
I due Led montati in opposizione si accendono
alternativamente ad una frequenza di 50Hz.
L’utilizzo di due Led offre una luce maggiore e
più stabile che una soluzione a singolo emettitore. Ed eccoci alla capacità. La sua funzione è
quella di produrre la necessaria caduta di tensione in modo da alimentare i Led; ricordiamo
che questi semiconduttori necessitano di circa
2Volt e una decina di milliaAmpere per illuminarsi adeguatamente. Vediamo quindi come
calcolare Il valore di questa capacità:
1. Calcolare la resistenza necessaria alla caduta di tensione voluta partendo dai seguenti
dati:
■
■
■
Tensione di rete = 220V +/- 20%
Caduta sui Led = 2V
Corrente di alimentazione = 10mA
2. Calcolare il valore di capacità che offre una
reattanza a 50Hz uguale alla resistenza calcolata:
Costruzione della luce di cortesia
Io ho utilizzato, come supporto per i compo-
BIBLIOGRAFIA
Molti spunti sono stati recuperati dai seguenti siti Internet: www.murata.com per informazioni sui condensatori ceramici e su software
di simulazione, www.arcotronics.it per quelli
elettrolitici ed in plastica. Per le immagini di
prese e mascherine www.bticino.it
Figura 6 Luce di cortesia montata
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che possiamo tranquillamente arrotondare al
valore commerciale di 150nF.
Molto importante notare che a parità di servizio reso (la caduta di tensione) la capacità ha
una dissipazione di potenza praticamente
nulla rispetto ad una eventuale resistenza
(circa 3W!) visto che sul condensatore tensione e corrente sono sfasati di 90° e quindi un
massimo di tensione equivale ad un minimo
di corrente.
Attenzione: il condensatore DEVE avere una
tensione di lavoro maggiore di 400V in quanto i picchi di rete possono superare i 370V.
Circa la tecnologia, consiglio o ceramiche di
tipo X7R o plastici tipo Poliestere, visto che
entrambi hanno una modesta variazione di
capacità rispetto alla temperatura e quindi
assicurano una luminosità stabile in tutte le
condizioni climatiche.
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Notare che è stata considerata la condizione più
gravosa per il circuito: la tensione di rete al massimo della tolleranza.
Questo serve a due scopi: il primo è quello di
dimensionare il circuito in modo da evitare rotture in caso di sovratensione, il secondo è poter
permettere la scelta dei valori dei vari componenti senza preoccuparsi troppo se si discostano
dai valori calcolati.
nenti, una basetta preforata delle dimensioni
interne di un tappo cieco serie Living
International della BTicino.
Ho forato la plastica in corrispondenza dei
due Led ed eliminato i piccoli supporti plastici interni per avere più spazio possibile. Una
volta assemblati i pochi componenti, ho inserito il circuito nella plastica fissandolo sui
bordi con del silicone.
La basetta è fissata in modo da lasciare spuntare solo di un paio di millimetri le teste dei
due Led. Infine, ho assemblato la luce posizionandola di fianco ad una presa elettrica
dalla quale prendo l’alimentazione.
Visto il consumo esiguo e l’assenza di calore
dissipato (!!!) si può lasciare il circuito indefinitamente sotto tensione, sia di giorno che di
notte. Come ultima nota desidero ricordare
che il circuito NON è isolato e quindi deve
essere maneggiato con estrema attenzione sia
quando è sotto tensione sia quando lo si
disconnette per eventuali misure: il condensatore da 150nF è caricato a più di 300V ed è
in grado di dare una bella scossa, non letale,
ma sicuramente fastidiosa.