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Alimentatore da 3 ampere

Vogliamo progettare un alimentatore con tensione di uscita fissa pari a 5 volt e corrente massima di 3 ampere.

Il circuito è alla figura seguente. Questo progetto pone un problema sulla specifica di corrente. Infatti occorre ricordare che i regolatori della famiglia 78XX, possono erogare una corrente massima di 1,5 ampere circa. Abbiamo di fronte due alternative: o scegliamo un altro tipo di regolatore o ricorriamo ad un artificio. Nel nostro progetto facciamo ricorso a questa seconda ipotesi. L’idea sostanziale è quella di inserire un transistor di potenza in parallelo al regolatore in modo che esso fornisca in uscita la corrente supplementare richiesta. In particolare faremo in modo che quando il dispositivo eroga una corrente di 3 ampere, un ampere verrà fornito dal regolatore e due ampere verranno forniti dal BJT. Esso deve essere innanzitutto un PNP: in questo tipo di transistor, infatti, si ha una corrente di lacune dall’emettitore al collettore, per cui la corrente in uscita dal collettore è positiva. La scelta del BJT è caduta sul MJ2955. La consultazione dei data sheet di questo transistor, infatti, e in particolare della sezione dei MAXIMUM RATINGS ci permette di vedere che esso sopporta una corrente di collettore continua di ben 15 ampere, per cui sarà certamente in grado di soddisfare alle condizioni di funzionamento del nostro progetto.

Consideriamo questa parte del circuito

1A

2A

Notiamo innanzitutto che la corrente di base I_B è molto inferiore alla corrente di collettore I_C avendo il transistor un h_FE compreso fra 20 e 70. Ne deriva che possiamo approssimare e considerare la corrente I_E paria alla corrente I_E. In sostanza una corrente di 2 ampere attraversa anche il parallelo delle due resistenze R₂ ed R₃. Analogamente possiamo dire che la corrente da un ampere in uscita dal regolatore, attraversa anche il diodo e la resistenza R₄.

B

A

Proviamo a calcolare la tensione V_AB . Se seguiamo il percorso che comprende il parallelo R₂-R₃ e la giunzione emettitore base del transistor si ha

V_AB = R₂||R₃*I₁+V_EB

Mentre, seguendo il percorso costituito da R₄ e dal diodo si ha

V_AB = R₄*I₂+V_D

Ricordiamo adesso che la tensione fra emettitore e base di un BJT in zona attiva è all’incirca pari alla caduta di tensione su un diodo polarizzato direttamente, per cui

V_AB = R₂||R₃*I₁+V_EB= R₄*I₂+V_Dà R₂||R₃*I₁= R₄*I_2.

Il diodo, dunque, è stato inserito per bilanciare la caduta di tensione sulla giunzione E-B. Perché sia I₁ pari al doppio di I₂ deve essere allora R₂||R₃ pari alla metà di R₄. Scegliamo R₄ pari ad 1 ohm (dovendo essere attraversato da una corrente di 1 ampere, non può essere una resistenza elevata altrimenti dissiperebbe troppa potenza) così come R₂ ed R₃ (in modo che il parallelo sia pari a 0.5 ohm). E’ per questo che abbiamo il parallelo di due resistenze: per ottenere facilmente un valore di resistenza complessiva pari alla metà del valore di R₄.

Passiamo ora al dimensionamento. La resistenza R₈ serve a limitare la corrente nel diodo led che segnala l’accensione del dispositivo. Applichiamo la legge di ohm generalizzata

V₀=V_D+R₈I_Dà

I condensatori C₁ e C₂ sono i classici condensatori consigliati dal costruttore. Dimensioniamo il condensatore di filtro. A causa della tensione di drop-out, la tensione minima in ingresso al regolatore sarà

la tensione minima sul condensatore di filtro è pari alla tensione minima in ingresso al regolatore più la caduta di tensione sul ramo costituito dalla giunzione EB del BJT e del parallelo di R₂ ed R_3.

Poniamo in parallelo due condensatori da 4.7 mF per ottenere una capacità complessiva di circa 10 mF. (Non vi offendo ricordandovi che la capacità equivalente di due condensatori in parallelo è pari alla somma delle singole capacità).

Calcoliamo ora la tensione massima sul secondario del trasformatore

Scegliamo un trasformatore 220:12. Per la potenza da erogare, posto I₀=1.8*3=5.4 A

si ha S=V_effI_eff=10,68*5.4=57 VA, per cui sceglieremo un trasformatore da 60 VA. Vediamo ora se occorrono i dissipatori di calore. Da tener presente che occorre proteggere sia il regolatore di tensione sia il BJT di potenza. Calcoliamo a ritroso le tensioni per tener conto del fatto che abbiamo introdotto un trasformatore da 12 volt. V_{max_secondario} =12*1.41-10%12*1.41=15.2

V_{max_condensatore}=15.2-2*V_D=13.2 V

V_{max_ingresso_BJT}=13.2- =13.2-1=12.2 V

V_{min_ingresso_BJT}= V_{max_ingresso_BJT}- =12.2-3=9.2 V

V_{media_ingresso_BJT}=10.7 V

La potenza dissipata sul BJT è allora

P=( V_{media_ingresso_BJT}-V₀)*I_{uscita_BJT}=(10.7-5)*2=11.4 W

Abbiamo bisogno di una resistenza termica

sicuramente inferiore a quella fornita dal contenitore TO220 del BJT. Tenendo presente che i data sheet ci informano sul fatto che la resistenza termica fra giunzione e contenitore è per il BJT

avremo che il dissipatore di calore per il BJT dovrà avere resistenza termica

Per il regolatore abbiamo

V_{max_ingresso_regolatore}=13.2- -V_EB=13.2-1-0.7=11.5 V

V_{min_ingresso_regolatore}= V_{max_ingresso_regolatore}- =11.5-3=8.5 V

V_{media_ingresso_BJT}=10 V

P=( V_{media_ingresso_regolatore}-V₀)*I_{uscita_regolatore}=(10-5)*1=5 W

B

A

Vediamo infine a cosa serve il secondo BJT con led. Il led ha la funzione di indicatore di massima corrente. Si deve accendere, cioè, in presenza di una corrente massima erogata in uscita di 3 ampere.

Il circuito sopra riportato deve fare in modo che, in presenza di tali condizioni il BJT vada in saturazione fornendo al led la corrente di collettore necessaria. Imponendo una corrente nel diodo di 10 mA, e supposto che h_FE=100

Per mandare il BJT in saturazione occorre una corrente di base molto più grande, ad esempio 1 mA.

Quando, in uscita dal regolatore abbiamo 1 Ampere, sul ramo tra i nodi A e B e quindi anche sulla serie di resistenze R₅ ed R₆ abbiamo una caduta di tensione di 1.7 volt (V_AB=R₄*I+V_D=1*1+0.7=1.7)

I_R5

I_R6

I_B

Se scegliamo I_R6=1 mA si ha I_R5=I_R6+I_B=1+1=2 mA. Se allora facciamo in modo che sia la parte di potenziometro compresa fra emettitore e base del BJT pari a 700 ohm, la V_R6 sarà pari a 700*1 mA = 0.7 V. Sulla resistenza R₅ si avrà una caduta di tensione pari a 1.7 – 0.7 =1 Volt. Essendo la corrente di 2 mA, dovrà essere R₅ = 500 ohm.