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Gli alimentatori stabilizzati
Scopo di un alimentatore stabilizzato è di fornire una tensione di alimentazione continua di alcuni volt (necessaria per poter alimentare un dispositivo elettronico), costante sia rispetto alle variazioni di carico sia rispetto ala variazione dell’alimentazione di ingresso che, come dovreste sapere (ma non si sa mai) è la classica tensione alternata con 220 volt di valore efficace. Nella figura seguente abbiamo uno schema a blocchi di un possibile alimentatore
IL primo blocco è un blocco trasformatore. I trasformatori sono usati per aumentare o diminuire tensioni e correnti continue in un circuito. Essi sono basati sul principio a voi certamente noto della mutua induttanza1
In sostanza il nostro blocco riceve in ingresso (chiamato anche circuito primario) una tensione alternata e fornisce in uscita una tensione alternata il cui valore efficace (o massimo) è diminuito o cresciuto. Nel nostro caso occorre un trasformatore che faccia diminuire il valore efficace della tensione in modo da avvicinarci al nostro obiettivo di ottenere una tensione da pochi volt. Il foglio excel allegato e la pagina web consentono di verificare il comportamento del blocco trasformatore.
IL secondo blocco , che abbiamo contraddistinto con un diodo, è il blocco raddrizzatore. Già abbiamo incontrato circuiti raddrizzatori2 e sappiamo che il loro scopo è quello di eliminare le parti negative del segnale alternato che si ottiene sul secondario del trasformatore. Sappiamo che vi sono circuiti raddrizzatori a singola semionda (vedi foglio excel o pagina html) in cui la parte negativa dell’onda viene semplicemente soppressa
e circuiti raddrizzatori a doppia semionda, in cui la parte
negativa dell’onda non viene soppressa ma ribaltata in modo da farla diventare
positiva.
Il blocco di filtro consiste sostanzialmente nel condensatore che, nei vari circuiti citati nella nota precedente, veniva posto in parallelo all’uscita del circuito raddrizzatore in modo da approssimare l’onda ottenuta dal circuito raddrizzatore ad un’onda continua
(vedi foglio excel o pagina html per il circuito a singola semionda)
(vedi foglio excel o pagina web per i raddrizzatori a doppia semionda).
Il blocco viene detto di filtro a causa del teorema di Fourier. Questo teorema afferma in sostanza che un segnale periodico di forma qualunque si può considerare come la somma di infiniti segnali sinusoidali, detti armoniche,
le cui frequenze sono multipli della frequenza del segnale di partenza e le cui ampiezze decrescono con l’aumentare della frequenza.
Si può dire che più un segnale varia lentamente minore è il contributo delle armoniche superiori. In sostanza il condensatore che introduciamo nell’alimentatore, addolcisce la forma dell’onda filtrando le armoniche di ordine superiore, da cui il nome di filtro.
Con un foglio excel di simulazione possiamo
verificare quanto detto. In questo foglio si suppone di utilizzare soltanto 10
armoniche sinusoidali e 10 cosinusoidali e si può vedere il segnale che si
ottiene dalla somma di queste sinusoidi. Se si attribuiscono valori elevati
alle ampiezze di tutte ls sinusoidi si ha un segnale che varia con fronti molto
ripidi
Via via che diminuiamo i
valori delle ampiezze delle armoniche di ordine superiore (quelle a frequenza
più alta), simulando così il filtraggio di queste armoniche, si nota come il
segnale risultante assuma un andamento sempre meno variabile e tenda diventare un segnale costante.
Vedi
Sappiamo
che il valore del condensatore di filtro influenza l’ampiezza dell’ondulazione
residua poiché maggiore è la capacità e maggiore è il tempo di scarica del
condensatore stesso. Teoricamente una capacità infinita darebbe un segnale
praticamente costante. Attualmente però si giunti a capacità da un farad dette
supercondensatori, molto grandi ma non infinite
inoltre,
come apparirà chiaro in seguito, usare capacità molto grandi significa ridurre
a minimo gli intervalli di tempo durante i quali le capacità verranno caricate,
il che significa dover usare per la carica impulsi di corrente di ampiezza
massima sempre più elevata se si vuole mantenere costante la corrente media
erogata in uscita. Si avrebbero dunque dei picchi di corrente che potrebbero
anche distruggere il circuito raddrizzatore. Come si può vedere dal foglio excel o dalle
pagine web
su
un esempio di corrente media di uscita di 1 ampere si passa da una corrente di
picco di 1,3 ampere se si accetta un ripple residuo di circa il 30% ad uno di 9
ampere riducendo il ripple quasi a zero.
In
definitiva si evita di utilizzare condensatori troppo grandi, accettando ripple
residui anche del 30% (cioè un delta V che sia il 30%-40% della tensione minima
di ingresso) affidando l’eliminazione dell’ondulazione residua (detta anche
reiezione del ripple residuo) all’ultimo blocco che consiste sostanzialmente
nell’utilizzo di un dispositivo integrato detto regolatore di tensione. UN
esempio di regolatori di tensione sono i regolatori della famiglia 78XX che
danno tensioni di uscita positive e quelli della famiglia 79XX che danno
tensioni di uscita negative. Un esempio è il 7805 che fornisce una tensione di
uscita di 5 volt. Il suo simbolo circuitale è il seguente
abbiamo
tre morsetti di cui il primo è il morsetto cui si applica la tensione variabile
di ingresso, il secondo è un morsetto che va collegato alla massa del circuito,
il terzo è il morsetto sul quale abbiamo la tensione stabilizzata di uscita.
Per inserire questo dispositivo in maniera corretta in un alimentatore
stabilizzato occorre conoscere alcune cose:
la corrente che il dispositivo è in grado di erogare in
uscita può raggiungere un valore superiore ad 1 ampere come si può vedere
consultando i data sheet del circuito
per ottenere circuiti alimentatori in grado di
erogare correnti superiori occorre effettuare escamotage come nel progetto di alimentatore
da 3 ampere che studieremo in seguito o utilizzare altre categorie di
regolatori3
il dispositivo contiene un circuito complesso basato su
BJT integrati. Non ci interessa qui studiare il circuito interno in dettaglio
ma basti dire che si usa il concetto di retroazione4,
cioè, usando la logica degli schemi a blocchi,
in
sostanza la tensione da stabilizzare è l’ingresso VIN del nostro
sistema, mentre la tensione stabilizzata è l’uscita VOUT. Per
mantenere la uscita stabile essa viene,
attraverso il blocco 2, riportata in ingresso e confrontata con una tensione di
riferimento VREF. Se per qualche motivo la tensione di ingresso
diminuisce, attraverso il blocco 1 diminuisce anche l’uscita , ma, fatta la
differenza con la tensione di riferimento si ha un sgenale positivo in ingresso
al blocco 1 che controbilancia la diminuzione della tensione VIN, il
viceversa avviene se la tensione di ingresso tende ad aumentare. Come si può
osservare, il sistema funziona anche se la tensione di uscita cambia non a
causa della tensione di ingresso ma a causa di variazioni del carico
il dispositivo è disponibile in due diversi tipi di
contenitore, TO-3 e TO-220
perché il dispositivo funzioni occorre che la tensione di
ingresso sia sempre superiore alla tensione di uscita. La differenza fra queste
due tensioni, detta tensione di drop-out,
VDROP OUT =VIN-VOUT
deve essere dunque positiva, ed almeno di 2 volt
la variazione possibile della tensione di uscita per
variazione dell’ingresso (line
regulation) o dell’uscita (load regolation)è dell’ordine di alcuni mV
