Politecnico di Torino – DU Ingegneria Elettronica - AA. 2000-2001
Elettronica Applicata II - Workbook / Note per appunti - Gruppo argomenti 1
E2.1. ALIMENTATORI
Tutti i circuiti e sistemi elettronici richiedono energia per funzionare; tale energia viene
fornita tramite una o più alimentazioni, generalmente in forma di tensione continua di
valore ben definito. I parametri che definiscono le richieste energetiche sono la tensione
(di alimentazione) e la corrente assorbita. Questi valori possono avere variazioni nel breve
termine (ronzio e rumore sulla tensione di alimentazione) e nel medio-lungo termine (per
la tolleranza sulla tensione di alimentazione, o per variazione della corrente assorbita).
La tensione di alimentazione può essere fornita da batterie primarie, da accumulatori
ricaricabili, o tramite circuiti che trasformano opportunamente la tensione di rete
(normalmente 220 V AC a 50 Hz). Tra la sorgente di alimentazione e il circuito da
almentare è spesso interposto un regolatore, con il compito di portare a valori ben definiti
e stabili la tensione di alimentazione. Queste lezioni identificano i parametri che
caratterizzano il comportamento dei sistemi di alimentazione, e descrivono i circuiti che
permettono di adattare tali parametri alle esigenze dei moduli e circuiti da alimentare.
E2.1.1 Parametri di un alimentatore
Il modello di riferimento per lo studio funzionale di un alimentatore è in figura E2.1.1.
Fig. E2.1.1 - Modello funzionale di alimentatore
La tensione all'uscita presenta una componente continua Vdc e una componente variabile
alla frequenza di rete (o a frequenza doppia) detta tensione di ondulazione o di ripple Vr.
Tali valori dipendono dalla corrente Il assorbita dal carico in uscita, e dalle caratteristiche
della tensione di ingresso Val. I parametri più importanti sono:
Coefficiente di stabilizzazione Sv =
(indica come varia la tensione di uscita al variare della tensione di ingresso)
Resistenza equivalente di uscita Ru =
(indica come varia la tensione di uscita al variare della tensione di ingresso)
Nel caso ideale la tensione di uscita deve essere quanto più possibile costante, quindi sia
Sv che Ru devono essere piccoli.
Un altro parametro significativo è il rendimento, definito come rapporto tra potenza
utilizzata in uscita e potenza fornita in ingresso:
η=
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E2.1.2 Alimentatori da rete
Vediamo adesso la struttura interna di un alimentatore che fornisce tensioni continue
partendo dalla tensione di rete. Esistono due tipi base di alimentatore:
-
lineare o dissipativo
a commutazione.
I due tipi presentano parti comuni; gli alimentatori a commutazione hanno un rendimento
più elevato e la loro diffusione è in aumento, ma in linea generale l'alimentatore lineare è
più semplice, e viene qui utilizzato come modello di riferimento. I circuiti a
commutazione verranno presentati come esempio di applicazione dei transistori in
commutazione.
Fig. E2.1.2 - Schema a blocchi di alimentatore da rete
Procedendo da sinistra verso destra:
Il trasformatore ha il compito di abbassare la
tensione di rete a valori prossimi a quelli
richiesti in uscita, e di isolare galvanicamente i
circuiti di uscita da quelli di ingresso (per
garantire la sicurezza elettrica).
L'elemento raddrizzatore trasforma la
tensione alternata in tensione unipolare o
pulsante.
Il filtro elimina parte delle componenti
variabili e aumenta la componente continua
della tensione in uscita.
Il regolatore porta la tensione di uscita al
valore desiderato e la stabilizza rispetto a
variazioni della corrente nel carico e della
tensione di ingresso.
Le tensioni presenti nei vari punti sono indicate nella figura E2.1.3.
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Tensione di ingresso
e raddrizzata
Tensione all'uscita
del filtro
Tensioni di ingresso e
uscita al regolatore
Fig E2.1.3
Il raddrizzatore può essere un semplice diodo (raddrizzatore a singola semionda) , oppure
un circuito raddrizzatore a doppia semionda (ponte di Graetz o trasformatore con doppio
secondario).
Fig E2.1.4 – Raddrizzatori a doppia semionda
Il filtro è un condensatore inserito direttamente all'uscita del raddrizzatore. Il condensatore
si carica durante i picchi positivi della tensione raddrizzata, e si scarica continuamente sul
carico (a corrente costante pari a Ia). La tensione all'uscita del filtro ha andamento
approssimativamente triangolare, con ondulazione Vr e valor medio Vdc:
Vr =
Vdc =
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Esempio E2.1.1
Calcolare ondulazione e componente continua all'uscita di un gruppo raddrizzatore-filtro
con ingresso 15 Veff, frequenza 50 Hz, corrente nel carico Ial = 20 mA, C = 100 microF.
Esempio E2.1.2
Quale condensatore occore per avere una ondulazione pari o minore a 1 Vpp con una
corrente nel carico di 100 mA ?
Esempio E2.1.3
Come esempi precedenti, con raddrizzatore a doppia semionda.
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E2.1.3 Corrente e tensione nel diodo raddrizzatore
La corrente scorre nel diodo solo per una frazione del periodo; il diodo quindi lavora in
regime impulsivo, con picchi di corrente anche molto superiori (da 5 a 20 volte) alla
corrente media assorbita dal carico. Per questo motivo la caduta sul diodo è di circa 1-1,5
V (per il silicio), ben superiore agli 0,6 V utilizzati come valore convenzionale.
L'intervallo di tempo per cui il diodi conduce, riferito al periodo complessivo, è l'angolo di
conduzione. Da questo è possibile valutare la corrente di picco, eguagliando il valore
medio della corrente in entrata e in uscita (Ial).
Ial =
Fig E2.1.5 – Corrente nel diodo e nel carico
Aumentando la capacità diminuisce l'ondulazione, e diminuisce l'angolo di conduzione dei
diodo, facendo crescere la corrente di picco, e di conseguenza aumenta la caduta sul diodo.
Per ridurre l'ondulazione a valori particolarmente bassi, anzichè aumentare la capacità di
filtro, occorre usare circuiti di regolazione.
La corrente inversa del diodo è molto più bassa della corrente assorbita da carico, e quindi
non contribuisce in modo significativo alla scarica del condensatore.
Durante il semiperiodo negativo ai capi del diodo si localizza una tensione inversa che
dipende dalla configurazione di raddrizzatore utilizzata (figura E2.1.6).
Fig E2.1.6 – Tensione inversa sui diodi
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E2.1.4 Circuiti di regolazione con diodo zener
Il modulo di regolazione o stabilizzazione opera in modo da rendere la tensione di uscita
costante al variare della tensione di ingresso (in questo modo riduce anche l'ondulazione) e
al variare della corrente nel carico (questo si ottiene abbassando la resistenza equivalente
Ru). Tutti i circuiti di regolazione utilizzano un riferimento di tensione, ottenuto ad
esempio con un diodo zener.
La caratteristica e il modello di un diodo zener sono in figura E2.1.7. Il modello vale per la
parte di caratteristica utilizzata nel funzinamento come regolatore.
Fig. E2.1.7 - Caratteristica e modello di diodo zener
I parametri di un diodo zener sono:
La tensione "a vuoto" Vzo (la tensione effettiva ai capi del diodo è leggermente superiore a
questo valore).
La resistenza dinamica rz
La massima potenza dissipabile Pd
Il diodo zener agisce direttamente come regolatore di tensione nella rete di figura E2.1.8.
Fig. E2.1.8 - Regolatore con resistenza e diodo zener
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Per valutare la tensione di uscita e l'effetto di regolazione al variare dell'ingresso Va e della
corrente di uscita Iu occorre sostituire allo zener il circuito equivalente. Per calcolare la
tensione continua di uscita si può usare il metodo di sovrapposizione degli effetti,
sommando i contributi della componente continua di ingresso e del generatore Vzo (figura
E2.1.9a). I circuiti equivalenti per valutare l'ondulazione e la variazione di tensione sul
carico sono in figura E2.1.9b) e c).
Fig E2.1.9 - Calcolo di componente continua e ondulazione in uscita, e della regolazione.
Esempio E2.1.4 - calcolo di Vudc, Sv e Ru
Data la tensione di ingresso al regolatore (Vadc + Var) calcolare la componente continua
Vudc e l’ondulazione Vur in uscita.
Vudc =
Per la Vur conviene calcolare l’attenuazione delle variazioni di tensioni all’ingresso.
Vur/Var =
Ru =
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E2.1.5 Campo di funzionamento del regolatore
Per il corretto funzionamento del regolatore nello zener deve circolare una corrente minima
Izmin di alcuni mA.
Il limite superiore di corrente nello zener è determinato dalla massima potenza dissipabile:
Izmax =
La corrente nel diodo zener deve restare in questi limiti al variare della tensione di ingresso
e della corrente nel carico. La verifica fa fatta per le condizioni che determinano nello
zener la corrente massima e la corrente minima.
Fig E2.1.10 – Correnti nel regolatore R-Dz
La corrente minima nello zener si ha per:
- tensione di ingresso minima
- resistenza R massima
- corrente nel carico massima
La corrente massima nello zener si ha per:
- tensione di ingresso massima
- resistenza R minima
- corrente nel carico minima
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E2.1.6 Circuiti di regolazione con transistori
Nel regolatore con resistenza e Zener quest'ultimo è collocato in parallelo al carico verso
massa, e deve essere in grado di assorbire tutte le variazioni di corrente nel carico. Questo
è uno schema di regolazione parallelo, come evidenziato in figura E2.1.11a). Per forti
variazioni di corrente sarebbero necessari zener di elevata potenza, ed è preferibile passare
a meccanismi di regolazione serie, come in figura E2.1.11b).
Fig E2.1.11 – Regolatore parallelo e regolatore serie
Nel regolatore serie l'elemento variabile è un transistore (bipolare o FET), che può essere
anche visto come come un emitter (o source) follower dallo zener verso il carico (figura
E2.1.12). La variazione di corrente nello zener è ridotta, rispetto a quella nel carico, di in
fattore pari al guadagno di corrente del transistore.
Fig. E2.1.12 - Variazione di corrente nel carico e nello zener
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Esempio E2.1.5 –Regolatore con zener e transistore
Dimensionamento di massima
Tensione di uscita Vu =
Calcolo di Sv
Calcolo di Ru
Usando il modello per piccolo segnale (il circuito è un emitter follower):
Confronto con regolatore zener-transistore
Come migliorare Sv
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E2.1.7 Circuiti di regolazione con Amplificatore Operazionale
Il regolatore serie può usare come elemento di controllo un amplificatore operazionale, che
comanda l'elemento di regolazione (transistore serie). L'operazionale confronta la tensione
di uscita (o una parte di essa) con una tensione di riferimento.
Fig E2.1.13 – Schema a blocchi di regolatore serie con AO
Tutto il regolatore può essere realizzato in forma integrata, con solo 3 morsetti di
connessione (Ingresso, Massa, Uscita). Questa è la struttura dei regolatori integrati
commerciali.
Fig. E2.1.14 – Regolatore integrato (3 terminali)
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E2.1.8 Potenza dissipata
Nello Zener
Nella resistenza serie
Nel transistore o nel regolatore serie
Limitazione di corrente
Per evitare danni al regolatore la corrente massima in uscita viene limitata. La corrente
viene valutata misurando la caduta di tensione su una resistenza. Nel circuito di figura
E2.1.15 quando la tensione supera il valore di 0,6 V, il transistore Q2 drena corrente di
base da Q1, limitandone la corrente di collettore.
Fig. E2.1.15 - Limitatore di corrente
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Esempio E2.1.6
Dimensionamento completo di un alimentatore con regolatore a 3 terminali commerciale.
Dati:
- tensione nominale richiesta sul carico
- corrente minima e massima assorbita dal carico
- tensione del secondario del trasformatore, frequenza
- valore del condensatore di filtro
- regolatore della serie 78xx
Scegliere il regolatore
Calcolare:
- tensione continua e ondulazione all’uscita del filtro
- tensione continua e ondulazione all’uscita del regolatore
- variazione della tensione di uscita al variare della corrente nel carico
- potenza massima dissipata dal regolatore
- fusibile da inserire sul primario
- rendimento complessivo dell'alimentatore
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