Con lโaggiunta di un trasformatore dotato di presa centrale, consente di fornire tensioni stabilizzate simmetriche da 3 a 15 Vcc e correnti di 1 A.
Ideale come apparato da banco, puรฒ costituire lo stadio di alimentazione di amplificatori BF.
Tra i classici circuiti dellโelettronica spicca e continuerร ad essere presente lโalimentatore stabilizzato, sia esso AC/DC (ossia capace di trasformare una tensione alternata in continua stabilizzata) che DC/DC (vale a dire un regolatore di tensione) ma comunque lineare; infatti, sebbene oggi vada per la maggiore la circuitazione switching, esistono ambiti applicativi nei quali รจ determinante utilizzare circuiti lineari per mettersi al riparo dai disturbi -irradiati e residui del filtraggio della componente continua- che gli switching malgrado tutto implicano.
Ci riferiamo, per esempio, agli amplificatori a bassissimo segnale dโingresso, a quelli per trasduttori e per lโimpiego nel settore medicale e della misura.
In generale, lโalimentazione lineare รจ da preferire quando si tratta di amplificare segnali analogici, non ultimi quelli audio, specie se di basso livello e quindi dovendo operare notevoli amplificazioni, che oltre che quello del segnale, eleverebbero anche il livello dei disturbi, rendendo inaccettabile ciรฒ che risulta poi allโuscita.
Proprio per lโimportanza che riveste lโalimentatore stabilizzato lineare, abbiamo pensato proporvene un nuovo progetto, che di fatto รจ un evergreen in quanto si basa su una circuitazione canonica, quasi scolastica (senza quasiโฆ) e su una coppia di circuiti integrati regolatori di tensione, complementari, che sono gli storici LM317 (per il ramo positivo) ed LM337 (per quello negativo).
Dalla presenza di due regolatori complementari avrete capito, prima ancora di gettare uno sguardo allo schema elettrico del nostro circuito, che quello proposto รจ un alimentatore stabilizzato duale, capace, cioรจ, di fornire una tensione simmetrica, positiva e negativa, alle proprie uscite.
E dal fatto che utilizziamo due regolatori a tensione dโuscita regolabile, avrete compreso che quello qui descritto รจ un alimentatore variabile, che si presta quindi anche a realizzare un alimentatore da banco ad uscita regolabile entro un certo range di tensioni, ma anche lo stadio dโalimentazione di un preamplificatore o amplificatore audio con uscita accoppiata in continua, dove รจ necessaria unโalimentazione simmetrica per fare in modo che in assenza di segnale lโuscita sia circa a 0 volt.
La simmetria e lโaccompagnamento dei valori di uscita negativi a quelli positivi รจ ottenuto, nel nostro circuito, mediante due trimmer, che consigliamo di sostituire con un potenziometro doppio per essere certi che la variazione sia identica, nel valore assoluto, tra le due uscite.
Schema elettrico dell’alimentatore duale
Ma andiamo dunque a vedere di cosa si tratta, analizzando lo schema elettrico del circuito, riportato in queste pagine: la presenza di un ponte raddrizzatore discreto a quattro diodi (il classico Ponte di Graetz) ci fa capire che si tratta di un alimentatore AC/DC, ossia capace di accettare allโingresso le tensioni alternate fornite da un trasformatore da rete con primario 220/50 Hz e secondario a presa centrale, di cui gli estremi vanno ai morsetti Va e Vb indifferentemente, mentre la presa centrale si connette ai punti 0.
Per quanto sia nativamente un alimentatore AC/DC, al circuito puรฒ essere applicata tensione sia continua che alternata; nel caso della continua, la presenza del ponte raddrizzatore fornisce il vantaggio di poterla applicare senza riguardo per la polaritร .
Dunque, analizziamo il funzionamento di questo circuito supponendo di alimentarlo con il secondario di un trasformatore a presa centrale: la tensione alternata viene raddrizzata dal ponte composto da D1, D2, D3, D4 in questo modo: quando il secondario ha polaritร positiva su Va e negativa su Vb, la corrente fluisce dallโanodo del diodo D4 e attraverso il catodo raggiunge i condensatori di filtro C1 (elettrolitico) e C3, caricandoli e attraversandoli per poi passare in C2 e C4; piรน esattamente, la tensione presente nella metร di secondario connessa tra Va e 0 determina il flusso di corrente attraverso C1 e C2 e la massa, mentre la componente alternata dellโaltra metร del secondario fluisce in C2-C4 e passa in Vb tramite il diodo D1.
In questa semionda, D2 e D3 sono interdetti, perchรฉ si troverebbero il catodo positivo rispetto allโanodo.
Vediamo invece cosa accade nella semionda negativa, quando la polaritร della tensione al secondario รจ positiva su Vb rispetto a Va, ovvero in metร secondario la polaritร รจ positiva su Vb e nellโaltro su 0: in questo caso ad andare in conduzione sono i diodi D2 e D3, perchรฉ lโanodo di questโultimo รจ positivo rispetto al catodo e la corrente fluisce in D3 per andare a caricare C1, C2, C3, C4 sempre con la stessa polaritร della semionda precedente (il bello del ponte raddrizzatore รจ proprio questo: rende unidirezionale la tensione in uscita) e dal negativo dellโelettrolitico C2 raggiunge lโanodo del D2 per chiudersi su Va.
Volendo ragionare sulle metร del secondario, in semionda negativa quello che ha polaritร positiva su Vb eroga corrente attraverso il diodo D3, caricando C1 e C3 e quindi chiudendo il circuito verso massa su 0 e la presa centrale; invece il mezzo secondario positivo su 0, eroga corrente da massa verso il positivo dellโelettrolitico C2, caricando questโultimo e C4, quindi la corrente si chiude attraverso lโanodo del diodo D2 verso Va.
Per effetto di quanto appena spiegato, avremo due tensioni riferite a massa: una positiva sul + dellโelettrolitico C1 (ovvero sui catodi di D3 e D4) ed una negativa sul โ dellโelettrolitico C2 (ovvero sugli anodi di D1 e D2); siccome le metร del secondario del trasformatore erogano tensioni alternate uguali in ampiezza, le componenti positiva e negativa a valle del ponte di Graetz sono, teoricamente, di pari valore e tale valore (V) รจ dato dalla formula approssimata:
V = Veff x 1,4142 โ 0,6
dove Veff รจ la tensione efficace di metร secondario, mentre 0,6V รจ la caduta di ogni diodo del ponte raddrizzatore a basse correnti dirette (puรฒ salire anche a 0,8V ad 1 ampere).
La tensione efficace รจ quella normalmente dichiarata nel trasformatore, nel senso che quando si dice che un trasformatore ha il secondario da 12V, si intende 12Veff.
Il fattore 1,4142 corrisponde al rapporto tra la tensione di picco dellโonda sinusoidale restituita dal secondario del trasformatore e il relativo valore efficace e rientra nella formula perchรฉ di fatto i condensatori, al netto delle cadute sui diodi raddrizzatori, vengono caricati con una tensione pari a quella di picco.
Ciรฒ detto, sappiamo cosa accade prima del blocco regolatore di tensione, quindi dobbiamo vedere cosa fa questo blocco, costituito dallโintegrato LM317 (VR1) per il ramo positivo e dallโLM337 (VR2) per quello negativo.
Entrambi questi circuiti integrati sono regolatori di tensione, ossia ricavano e stabilizzano la differenza di potenziale alla loro uscita (OUT) a prescindere (entro certi limiti) dallโampiezza della tensione allโingresso, applicata tra il terminale IN e massa; il valore assoluto (prescindendo dal segno) della tensione dโuscita per ciascuno, si determina in base al potenziale che un partitore resistivo applica al piedino VADJ. Piรน esattamente, la tensione di uscita (Vo) si calcola con la formula:
Vo = Vref (1 + R2 / R1) + (Iadj ร R2)
considerando che Vref รจ una tensione di riferimento ricavata internamente allโintegrato, pari a 1,25V e che tipicamente Iadj ammonta a 50 ฮผA ed รจ praticamente trascurabile.
R1 ed R2 sono le resistenze collegate rispettivamente fra il terminale Output e ADJ e tra questโultimo e massa, pertanto nel caso di VR1 (ramo positivo dellโalimentatore) sono la resistenza R1 e il trimmer RV1, mentre per VR2 (ramo negativo) sono rispettivamente R2 ed RV2.
Siccome vogliamo che il nostro alimentatore sia duale e fornisca quindi unโuscita simmetrica, i due trimmer sono di pari valore e cosรฌ รจ anche per R1 ed R2.
Quindi, sostituendo i valori della sezione positiva nella formula sopra esposta, abbiamo una Vo (tensione fra OUT e massa) dellโLM317 pari a:
Vo = Vref (1 + RV1 / R1) + (Iadj ร RV1)
Essendo RV1 un trimmer montato a reostato semifisso, il suo valore puรฒ variare tra 0 e 2,2 kohm, che nel nostro caso รจ il valore tra gli estremi del trimmer; con il trimmer tutto cortocircuitato (cursore tutto a massa) la tensione di uscita รจ pari alla Vref, ossia 1,25V.
Il drop-out minimo degli integrati utilizzati รจ 3V, quindi nel fare i calcoli considerate che la tensione da applicare al terminale Input del regolatore (indifferentemente dal ramo considerato) deve essere almeno 3V superiore a quella voluta in uscita; essendoci di mezzo un ponte a diodi, la cui caduta di tensione รจ almeno 1,2V, la componente continua complessiva agli ingressi del circuito deve essere almeno 1,2V maggiore della somma dei valori assoluti delle tensioni dโuscita, ovvero ciascuna componente alternata fornita agli ingressi del circuito deve superare in valore massimo (questo si ottiene dividendo il valore efficace, che รจ quello normalmente dichiarato per il trasformatore, per 0,707…) 0,6V+3V quella continua desiderata allโuscita del regolatore.
Se ai morsetti di ingresso si applica una componente continua simmetrica, ogni tensione deve essere 3,6V superiore a quella attesa alla rispettiva uscita.
Per fare un esempio, se vogliamo avere 5V allโuscita positiva e altrettanti a quella negativa, applicando al ponte una componente alternata, questa dovrร avere valore efficace di circa 6+6V; se partiamo da una tensione continua simmetrica, ai morsetti Va e Vb andranno applicate due tensioni, riferite a massa e chiaramente opposte di segno, di 8,6 Vcc.
Stabilito ciรฒ, procediamo con lโanalisi dello schema elettrico facendovi notare che per livellare ulteriormente la tensione disponibile a ciascuna uscita, ogni piedino di riferimento รจ filtrato da un condensatore elettrolitico, la cui funzione รจ attenuare quanto possibile eventuali disturbi e residuo di alternata che potrebbero introdursi nel piedino ADJ ed essere amplificati, determinando la sovrapposizione di una certa quantitร di disturbo alle uscite del nostro alimentatore stabilizzato, ma anche esponendo al rischio di autoscillazione del circuito interno al regolatore.
Per ciascun regolatore sono stati previsti due diodi di protezione dallโinversione di polaritร , per spiegare il cui funzionamento facciamo riferimento alla sezione facente capo allโLM317, fermo restando che quanto spiegato varrร , invertendo le polaritร di tensioni e correnti, per quella negativa, costruita intorno allโLM337: il diodo D5, connesso tra lโuscita e lโentrata del regolatore, normalmente รจ interdetto perchรฉ la tensione sul piedino IN รจ maggiore di quella sullโOUT, perรฒ quando si spegne il circuito, ovvero si toglie alimentazione al ponte raddrizzatore, lโelettrolitico C7 ed eventuali condensatori nel circuito alimentato dal nostro alimentatore potrebbero rimanere carichi e polarizzare inversamente lo stadio dโuscita del VR1; in questo caso D5 entra in conduzione fa in modo che la corrente scavalchi lโLM317.
Quanto al diodo D6, serve per fare in modo che il condensatore di filtro del piedino ADJ si scarichi rapidamente allo spegnimento del circuito.
Per completare la panoramica sui diodi, nel circuito dโuscita troviamo D8 e D9, collegati rispettivamente in parallelo alla linea positiva e a quella negativa, la cui funzione รจ proteggere i regolatori nel caso il circuito alimentato produca tensioni inverse (ad esempio se ha elementi reattivi come le induttanze, oppure se contiene motori elettrici) oppure se per errore si collegano le uscite dellโalimentatore a linee alimentate.
Tali diodi rappresentano unโutile protezione anche nel caso vada in cortocircuito un diodo del ponte raddrizzatore dโingresso, allorchรฉ una sezione verrebbe polarizzata in entrambe le semionde dellโalternata; in questa evenienza la soppressione della componente inversa si otterrebbe in collaborazione con il diodo posto a cavallo tra IN e Out del regolatore.
Ciascuna delle uscite dellโalimentatore dispone di un LED di stato (LD1 per la positiva e LD2 per quella negativa) con resistenza di limitazione della corrente assorbita: il diodo luminoso indica, accendendosi, la presenza della tensione sulla rispettiva linea.
Ciascuna uscita รจ completata da un condensatore elettrolitico di filtro del ripple e di eventuali disturbi sfuggiti alla restante parte del circuito: si tratta di C7 per la linea positiva e di C8 per quella negativa.
Le tensioni fornite dal nostro alimentatore stabilizzato sono rese disponibili su una morsettiera dโuscita tripolare (OUTPUT) che riporta quella positiva (+) e quella negativa (-) riferite a massa (0).
Realizzazione pratica
Elenco Componenti:
R1, R2: 120 ohm R3, R4: 2,2 kohm RV1: Trimmer 2,2 kohm MO RV2: Trimmer 2,2 kohm MO C1, C2: 1000 ยตF 35 VL elettrolitico C3, C4: 100 nF multistrato C5, C6, C7, C8: 10 ยตF 63 VL elettrolitico D1, D2, D3, D4, D5: 1N4007 D6, D7, D8, D9, D10: 1N4007 VR1 : LM317 VR2: LM337 LD1, LD2 LED: 3 mm rosso Varie: - Morsettiera 2 poli passo 5 mm (2 pz.) - Morsettiera 3 poli passo 5 mm - Circuito stampato FK004 (62x64mm)
Una volta acquistato il kit, iniziate il montaggio iniziando dalle resistenze e dai diodi al silicio (che dovrete orientare come indicato nel piano di montaggio, rammentando che la fascetta colorata sul loro corpo indica il catodo) quindi realizzando i ponticelli di interconnesione richiesti mediante spezzoni di filo in rame rigido del diametro di 0,5รท1 mm o avanzi di reofori tagliati da resistenze e diodi.
Proseguite il montaggio con i due trimmer e i condensatori, prestando attenzione alla polaritร degli elettrolitici, poi passate ai due LED, il cui lato smussato dovrร essere rivolto come indicato nel piano di montaggio che trovate in queste pagine.
In ultimo montate i due regolatori integrati LM317 ed LM337, da inserire nei rispettivi fori del circuito stampato, entrambi in modo che lโaletta metallica sia rivolta al bordo della basetta, come mostrato nel solito piano di montaggio.
Completate il montaggio inserendo e saldando le due morsettiere bipolari per lโingresso dal trasformatore con secondario a presa centrale e quella tripolare dellโuscita.
Per i regolatori VR1 e VR2 prevedete dissipatori ML26 TO-220 per regolatori di tensione, laddove vogliate prelevare correnti superiori a 500 mA con drop-out (ossia differenza di tensione fra ingresso e uscita) superiore a 7V.
Piรน esattamente, la potenza massima dissipabile da LM317 ed LM337 in contenitore TO-220, come quelli da noi utilizzati, รจ di circa 3,5 W a 30 ยฐC di temperatura ambiente e senza alcun radiatore di calore applicato; considerato che la resistenza termica tra giunzione e contenitore รจ di circa 4 ยฐC/W, il dissipatore, ovvero la sua resistenza termica (Tra) si calcola in funzione della potenza da dissipare, imponendo una temperatura ambiente di 30 ยฐC e conoscendo la massima temperatura di giunzione dellโintegrato, che รจ 150 ยฐC:
Tra = (150 - 30) ยฐC / Pd
dove Pd รจ la potenza da dissipare.
Questโultima รจ data dalla caduta di tensione fra ingresso e uscita del componente, moltiplicata per la corrente erogata, che con buona approssimazione possiamo ritenere pari a quella in entrata.
Supponendo di voler prelevare in uscita una tensione duale di ยฑ5V, avendo allโingresso 11V, il drop-out (caduta di tensione fra ingresso e uscita) รจ pari a 6 volt; volendo prelevare la massima corrente di uscita, ossia 1 ampere, questi valori si traducono in una potenza dissipata sui regolatori LM317 ed LM337 pari a:
Pd = 6V x 1 A = 6W
Lavorando nelle condizioni di temperatura suaccennate, ossia avendo un salto termico massimo ammissibile di 120 ยฐC tra chip e ambiente, la resistenza termica complessiva sarร di:
tja = 120 ยฐC / 6 W = 20 ยฐCW
Avendo una tjc, ossia una resistenza termica fra chip e contenitore, di 4 ยฐC/W e trascurando la resistenza termica di accoppiamento tra la parte metallica (aletta) del regolatore e superficie del dissipatore (a patto di interporre della pasta termica in silicone o a base dโargentoโฆ) si ottiene una resistenza termica del dissipatore di:
Tra = tja โ tjc = (20 โ 4) ยฐC W = 16 ยฐC/W
Con il nostro dissipatore standard ML26 a forma di โUโ, siamo al limite ma dovremmo farcela.
Naturalmente questo รจ solo un caso dโuso, ma lโesempio vale, sostituendo i valori che di volta in volta vi serviranno, per ogni condizione operativa e vi permette di fare i dovuti calcoli termici.
Per evitare eccessive perdite e dissipazioni di calore da parte degli integrati regolatori, se lโapplicazione cui destinerete il circuito prevede una tensione di alimentazione nota e fissa, raccomandiamo di scegliere un trasformatore la cui tensione efficace di ogni metร secondario, moltiplicata per 1,4142, non superi di oltre 6V la tensione che desiderate avere su ciascuna uscita.
Infine, una nota riguardante i due trimmer; se volete realizzare un alimentatore da banco per alimentare i circuiti in prova, vi conviene montare, al posto dei due trimmer RV1 ed RV2, un doppio potenziometro, possibilmente di precisione, in modo che agendo sul perno si possano variare simmetricamente le tensioni presenti allโuscita, in maniera il piรน possibile uguale.
Se utilizzate un doppio potenziometro avete anche il vantaggio di non dovervi preoccupare, prima di collegare lโutilizzatore, di equilibrare le tensioni dโuscita; questo vale principalmente se dovete alimentare un circuito che prevede unโalimentazione simmetrica con poca tolleranza.
Se invece mantenete i due trimmer, ricordatevi di regolare RV1 ed RV2 ponendo un multimetro allโuscita corrispondente (+ per RV1 e โ per RV2) e facendo in modo che le due tensioni siano uguali in valore assoluto (trascurando il segno) prima di collegare il circuito da alimentare.
Rammentate che per misurare la tensione dellโuscita positiva dovete applicare il puntale positivo (rosso) del tester sul + della morsettiera OUTPUT e il negativo su 0, mentre per quella negativa il negativo andrร sul โ della morsettiera e il positivo su 0.
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