Alimentatore lineare stabilizzato da 13,8V 10A con integrato LM723
Premessa
L’alimentatore stabilizzato è un dispositivo elettronico, in grado di fornire a un carico utilizzatore
una tensione costante, sia rispetto alle variazioni di carico che alle variazioni di rete. Il nostro
alimentatore stabilizzato, nonostante l’apparente semplicità costruttiva, riesce a fornire una tensione
estremamente stabile, abbinata a un bassissimo livello di ondulazione residua (ripple); le
performance del dispositivo rimangono costanti in qualsiasi condizione operativa. Il nostro
alimentatore trova impiego in tutti i casi in cui è richiesta un’elevata stabilità della tensione d’uscita
e un bassissimo livello di ripple. Il ripple è uno dei parametri che caratterizzano la qualità di un
alimentatore: si tratta del rimanente residuo della componente alternata della rete elettrica,
rettificata dai diodi e livellata dai condensatori di filtro. A questa piccola componente oscillatoria
spuria possono aggiungersi disturbi, indotti dal carico o dovuti al funzionamento interno
dell'alimentatore (presente soprattutto negli alimentatori a commutazione). Questo residuo è
costituito da una lieve oscillazione della tensione di uscita avente, nel primo caso, andamento
identico alla sinusoide di ingresso; in pratica questo piccolo disturbo si sovrappone alla tensione
continua, fornita in uscita. Per usi generici, questa componente residua risulta ininfluente sulle
prestazioni dei dispositivi elettronici alimentati; in alcuni casi invece, per esempio nel caso di
circuiti operanti con bassi livelli di tensione o circuiti con elevato guadagno, come certi
preamplificatori microfonici o amplificatori audio, un ripple relativamente alto può essere di
disturbo, pregiudicando in modo notevole le performance del dispositivo. Per questa ragione i
migliori alimentatori da laboratorio sono in tecnologia lineare, con un ripple garantito su tutto il
range di tensione/corrente, contenuto entro pochi millivolt. Per abbattere il ripple esistono delle
apposite configurazioni circuitali, che hanno un grado di reiezione del ripple, pari a ben 80dB: ciò
significa che riescono a ridurre il ripple di uscita di 10.000 volte rispetto a quello di ingresso. La
scelta di preferire l’alimentatore a commutazione nella maggior parte dei casi è dettata in parte da
motivi di carattere economico, come si può notare infatti la quasi totalità delle industrie asiatiche,
notoriamente divulgatrici della filosofia “low cost”, hanno sposato questo tipo di tecnologia.
Analizzeremo adesso, in modo approfondito, i vantaggi e gli svantaggi dell’una e dell’altra
tecnologia.
Lineare e switching analisi di pregi e difetti di entrambi le tecnologie
Uno dei motivi che ci spingono a preferire l’alimentatore lineare, risiede nel fatto che lo switching è
nella maggior parte dei casi caratterizzato da un ripple elevato e dalla generazione di componenti
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spurie ad alta frequenza, che in certi casi possono interferire nel funzionamento di alcune
apparecchiature. Proprio per questo motivo gli alimentatori da laboratorio di elevata qualità usano la
tecnologia lineare, garantendo un’ondulazione residua di pochi millivolt. Nell’alimentatore a
commutazione invece il livello del ripple è compreso in un range, che va da circa 20 mV a circa 50
mV pp. Da quanto detto si evince che l’utilizzo degli alimentatori lineari risulta indispensabile nei
casi in cui l’attenuazione dei disturbi risulti essere un elemento di primaria importanza: per
esempio, in amplificatori audio, strumenti di misura, apparecchiature elettromedicali, sismografi e
in tutti quei casi in cui ci si trova a operare con segnali di debole intensità, che quindi possono
essere facilmente influenzabili da disturbi impulsivi. Tali disturbi, come precedentemente detto, si
possono irradiare nell’etere o possono entrare nella rete elettrica, influenzando anche altri apparati
ad essa connessi. Un altro svantaggio dell’alimentatore a commutazione risiede nella maggiore
complessità circuitale; l’alimentatore a commutazione è dotato di una circuiteria molto più
complessa, rispetto a quella di un’ alimentatore lineare. Naturalmente, oltre agli svantaggi
menzionati, gli alimentatori a commutazione possiedono anche vari vantaggi: uno è rappresentato
dal minore ingombro e peso a parità di potenza; e, dulcis in fundo, da un maggior rendimento, che
quindi si “traduce” in una minore generazione di calore. In un’ alimentatore switching, di buona
qualità il rendimento si aggira sull’ 80 – 90%, rispetto al 30 – 50 % degli alimentatori lineari. Dopo
aver letto con attenzione queste brevi note, potremo decidere se la realizzazione e l’utilizzo
dell’alimentatore proposto siano confacenti alle nostre esigenze e alle nostre necessità.
Riepilogo di vantaggi e svantaggi dell’alimentatore lineare
Principali svantaggi degli alimentatori lineari:
-
maggior peso rispetto all’alimentatore switching dovuto alla presenza del trasformatore
maggior produzione di calore rispetto all’alimentatore a commutazione
basso rendimento rispetto all’alimentatore a commutazione
maggior costo rispetto all’alimentatore switching
Principali vantaggi degli alimentatori lineari:
-
minor complessità circuitale rispetto all’alimentatore switching
emissione di disturbi pressoché inesistente, rispetto all’elevata emissione dello switching
bassissimo livello di ondulazione residua, rispetto al livello dello switching
Descrizione circuito
Il cuore del nostro circuito è l’integrato regolatore LM723; tale integrato rispetto ai classici integrati
regolatori a tre terminali della serie 78 richiede un circuito di polarizzazione leggermente più
complesso. Ad esso va solitamente aggiunto un transistor esterno come finale di potenza; ciò in
virtù del fatto che l’integrato LM723 può erogare fino a un massimo di 150 mA. Nel caso del nostro
alimentatore stabilizzato, abbiamo scelto il darlinghton 3055T; esso provvederà a pilotare i due
transistor 2N3055, che costituiscono i finali di potenza. Le resistenze da 0,1 Ohm 10 watt R2 e R3
vengono impiegate per correggere le tolleranze costruttive dei due transistor finali Q2 e Q3 posti in
parallelo. La configurazione in parallelo viene utilizzata per distribuire la corrente su due o più
transistor, nel caso in cui un solo transistor non fosse sufficiente a supportare la corrente richiesta
dal carico. Nel caso dei transistor 2N3055, uno solo di essi, infatti, potrebbe erogare una corrente
massima di 5A. Nella configurazione in parallelo ai transistor vengono inseriti due resistori uguali
sugli emettitori, solitamente del valore di 0,1 Ohm, detti resistori di bilanciamento. Questo
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accorgimento viene usato perchè il guadagno (hfe) dei transistor con la stessa sigla non è
perfettamente uguale. Esso infatti è soggetto a una larga tolleranza; in virtù di queste considerazioni
un transistor avrebbe un assorbimento diverso dall’altro, ossia scorrerebbero correnti diverse, pur
essendo essi dello stesso tipo e con la stessa polarizzazione. Le differenze nel guadagno dei due
transistori posti in parallelo, potrebbero generare nel transistor con maggior guadagno fenomeni di
sovraccarico, generando un eccessivo incremento di temperatura, che potrebbe portarlo a una rapida
distruzione; subito dopo anche l’altro transistor andrebbe distrutto, in quanto si troverebbe a
supportare tutta la corrente richiesta dal carico. Il trimmer da 1K R9 consente di tarare con estrema
precisione la tensione d’uscita al valore di 13,8 V. L’abbondante sovradimensionamento del ponte
raddrizzatore conferisce al dispositivo un’elevata robustezza. Il bassissimo livello di ondulazione
residua invece viene ottenuto anche grazie al sovradimensionamento della capacità complessiva dei
condensatori di livellamento. Il circuito stampato è un doppia faccia, realizzato su FR4 da 1,6 mm
con spessore del rame di 70 micron per lato.
Note pratiche
Per un corretto funzionamento del dispositivo è necessario adoperare un trasformatore da circa
150VA, in grado di fornire una tensione a vuoto di 18 volt. Il trasformatore verrà connesso alla
scheda tramite due cavi elettrici corti, del diametro minimo di 2,5 mm. I cavi di connessione,
verranno collegati, da un lato al secondario del trasformatore d’alimentazione, mentre sulla scheda
andranno saldati nei punti P1 e P2, in prossimità della scritta “Input 18V AC”; nel punto P3 invece
andrà collegata la terra dell’ impianto domestico. Tali operazioni richiedono una notevole
competenza e vanno effettuate esclusivamente da persona esperta in montaggi elettronici; un errore
potrebbe causare danni sia al circuito che all’utilizzatore. A tal proposito ricordiamo che l'elettricità
potrebbe nuocere alla nostra incolumità, quindi se non siete assolutamente sicuri di quello che fate,
affidatevi a un tecnico specializzato. I cavi per il “prelievo” della tensione stabilizzata andranno
saldati nei punti P10 e P11, in prossimità della scritta “Output 13,8V DC”, il cavo utilizzato per
l’uscita dovrà avere un diametro minimo di 2,5 mm. Per ciò che concerne la tensione d’uscita, è
importante considerare le indicazioni della polarità stampigliate sulla serigrafia, in prossimità dei
punti P10 e P11. Nel caso in cui, per particolari esigenze, si preferisse non saldare i cavi d’ingresso
e di uscita direttamente sulla scheda, c’è la possibilità di usare le morsettiere a vite, poste sia
sull’ingresso che sull’uscita. Nel caso dell’ingresso, connetteremo i due cavi provenienti dal
secondario del trasformatore alla morsettiera CN2, mentre il cavo proveniente dalla terra
dell’impianto domestico (presente sul centrale di tutte le prese), verrà collegato a uno dei due
contatti della morsettiera CN1, contrassegnata dalla scritta GND. Per quanto riguarda le uscite,
preleveremo la tensione positiva dal contatto di sinistra della morsettiera CN3, mentre la massa
verrà “prelevata” dal contatto di destra. Le indicazioni, riportate sulla serigrafia del circuito
stampato, ci forniranno un riferimento valido, che ci permetterà di effettuare i cablaggi in tutta
sicurezza, rendendo remota di possibilità di commettere errori. Nel caso in cui l’alimentatore
venisse utilizzato per impieghi nel settore radioamatoriale, sarebbe preferibile infilare i cavi d’uscita
in due nuclei in ferrite del tipo a due fori. Per garantire una maggiore immunità ai segnali a RF
suggeriamo anche di saldare un condensatore ceramico da 100 nF in parallelo alle boccole d’uscita
e uno in parallelo ai punti P10 e P11. Un’ulteriore precauzione da adottare per rendere
l’alimentatore immune ai rientri di RF, è quello di utilizzare delle ferriti a due fori anche nei cavi
che collegano il secondario del trasformatore alla scheda. Decliniamo ogni responsabilità per
eventuali danni, causati da un uso improprio della scheda, da parte di persone con scarsa
competenza o minorenni.
Connessioni transistor 2N3055
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Per ulteriori informazioni circa il funzionamento dei nostri circuiti rivolgersi a:
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