alimentatori stabilizzati

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ALIMENTATORI STABILIZZATI CON CIRCUITI INTEGRATI

A TRE TERMINALI

Gli alimentatori stabilizzati di più semplice uso sono quelli a tre terminali con la tensione di

uscita predeterminata dal costruttore.

Circuito tipico:

Con la sigla 78XX sono contrassegnati gli integrati stabilizzatori

per tensioni positive e con la sigla 79XX quelli per tensioni

negative; la tensione di uscita del regolatore è messa al posto delle

XX (ad esempio: 7805 è un regolatore di tensione positivo con

tensione di uscita di 5V e 7912 è uno stabilizzatore con tensione di

uscita di-12V).

Si possono trovare stabilizzatori integrati con diverse tensioni in uscita, sia positive che

negative, es.: 5V, 9V, 12V, 15V, 24V le più comuni, ed altre secondo il costruttore.

Le sigle iniziali sono le più diverse: L78..., LM78..., CA78... ed altre, così per la serie

negativa 79...

La corrente in uscita dipende dalle caratteristiche del componente in relazione al

contenitore, è di circa 100mA in contenitore TO92, di 1A ed oltre in contenitore TO220 (il

più comune) e può essere da 1A a 5A in contenitore TO3.

La corrente viene limitata internamente ed il componente è protetto: per gli aumenti di

temperatura, per la massima potenza dissipabile e per il cortocircuito in uscita.

Per stabilizzare, il componente necessita di una differenza di tensione tra ingresso ed uscita

di almeno 3V ossia: Vi-Vo=3V (misurata al picco minimo del ripple e con Vs-10%).

La tensione di alimentazione non deve superare i 35V per gli stabilizzatori fino a 18V ed i

40V per gli stabilizzatori fino a 24V (misurata al picco massimo del ripple e con Vs+10%).

Nella scelta dell’eventuale trasformatore di alimentazione si userà un trasformatore con Vs

di almeno 3V maggiore della tensione di uscita dell’integrato, non scendendo sotto i 12V

(es. per uno stabilizzatore tipo 7805 si userà un trasformatore con il secondario di almeno

12V e per uno stabilizzatore tipo 7812 un trasformatore con il secondario di almeno 15V).

I circuiti successivi sono con regolatori positivi, per utilizzare quelli per tensioni negative è

necessario fare le opportune variazioni.

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Esempio di applicazioni

Le tre applicazioni sottostanti provengono dal “Linear databook National Semiconductor”

1978, e sono per il regolatore LM340XX praticamente uguale al 78XX:

Da notare i condensatori in entrata ed in uscita.

Il condensatore C1 è necessario quando il regolatore è lontano dal condensatore di filtro

dell’alimentazione (per lontano non s’intende una distanza fisica, ma quando il collegamento

al condensatore di filtro dell’alimentazione supera i 4÷5 cm).

Il condensatore C2 è indispensabile se all’uscita non è previsto alcun condensatore o per

migliorare la risposta ai transitori veloci.

(NB. I condensatori C1 e C2 sono tassativi con regolatori aventi una corrente di uscita

elevata, come per esempio con l’integrato LM323, ed è bene che siano saldati direttamente sui

terminali del componente con una filatura il più corta possibile.)

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Calcolo del circuito stabilizzatore di tensione:

Nel dimensionamento degli alimentatori di questo tipo è importante il calcolo del primo

condensatore di filtro (C1), considerando le condizioni limite.

Per calcolare il valore del condensatore si deve conoscere valore di ripple (Vrpp)

considerando che l’integrato per poter stabilizzare deve avere almeno 3V tra ingresso ed

uscita e nelle condizioni peggiori (con Vs ridotta del 10%).

Vd210%Vs)(VsminVC1 3VVominVVrpp C1

Vrppfr

IomaxC1

Vd210%Vs)(VsmaxVC1

Per C2 si sceglierà un condensatore con capacità compresa tra 10F e 220F (di solito 22F).

Per determinare la corrente di picco che scorre per ogni diodo del ponte raddrizzatore:

Iomax

maxVC1fIπ2I

C1DmDp

(NB Volendo un calcolo più rigoroso si dovrebbe tener conto anche della caduta di tensione

dovuta alla resistenza serie del secondario del trasformatore.)

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Esempio di calcolo:

Vs=16V Vo=12V Io=1A

19V1,421,6)(16Vd210%Vs)(VsminVC1

4V15193V)(VominVVrpp C1

2500μ54100

1

Vrppfr

IoC1

23,5V1,421,6)(16Vd210%Vs)(VsmaxVC1

Si userà, per C1, un condensatore da 3300F 25V (valore più comune 4700µF oppure,

volendo rispamiare, 2200FF) e per C2 un condensatore da 47F 15V.

5,05A1

23,5102200500,5π2

Iomax

maxVC1fIπ2I 6C1

DmDp

(Con un condensatore C1 da 4700F la DpI diventa 7,4A.)

Come ponte raddrizzatore si potrebbe scegliere il W04 che ha una corrente di 1,5A ed una

corrente di picco di 50A per 8,3msec o ,per essere più sicuri, il KBL04 con una corrente di 4A

ed una corrente di picco di 200A.

Calcolo il dissipatore termico in condizione di normale funzionamento:

(Con il calcolo del dissipatore termico si controlla anche di non superare la dissipazione

massima per il componente.)

1) 21,23V1,4216Vd2VsVC1

9,23W112)(21,23IoVo)(VPd C1

2) C/W3Rjc in contenitore TO220 (il più comune)

3) C/W0,5Rcd (montato direttamente con grasso al silicone)

4) C/W8,129,23

25100

Pd

TaTjRja

5) C/W4,60,538,12RcdRjcRjaRda (caratteristiche del dissipatore

termico)

6) C42,59,234,6PdRdaΔT

67,5C2542,5TaΔTTd (temperatura massima del dissipatore termico)

(N.B. più avanti c’è il “Calcolo dei dissipatori termici”.)

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ESEMPIO DI UN SEMPLICE CIRCUITO:

Il circuito serviva per alimentare circuiti autocostruiti e perciò necessitava di alcuni

accorgimenti:

Il diodo D2 nel caso in cui fosse presente una tensione all’uscita più elevata della tensione

in entrata, in particolare quando nel circuito in prova c’erano condensatori di capacità

elevata e si spegneva l’alimentatore.

Il diodo D3 per proteggere il regolatore da tensioni con polarità inversa.

Il led D4 per avvertirmi in caso di corto circuito e per dare un carico minimo quando

all’alimentatore non era connessa alcuna apparecchiatura.

Il condensatore C3 collega il -Vcc (0V) al contenitore metallico così da evitare che la

traccia di un oscilloscopio collegato all’apparecchiatura sotto prova fosse disturbata (il

circuito era del 1985 e non c’erano molti CMOS, negli alimentatori che costruisco ora oltre

al condensatore C3 aggiungo in parallelo una resistenza di almeno 1MΩ, per eliminare

l’insorgere di cariche statiche pericolose).

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Traccia dello stampato

Il circuito stampato

Notare il collegamento del ponte raddrizzatore al condensatore di filtro.

Non si deve mai dimenticare che i circuiti successivi sono praticamenre alimentati dal

condensatore e che questo è caricato ad ogni semionda dal ponte raddrizzatore.

Se le correnti di carica e scarica del condensatore si sovrappongono, a causa di una errata

progettazione dello stampato, in uscita dell’alimentatore ottengo facilmente un disturbo che

sembra una specie di ripple rovesciato e che è praticamente impossibile da togliere.

Per il condensatore C3 sono previste più piazzole per poter saldare componenti di dimensioni

diverse.

(Dato l’anno di costruzione non chiedetemi il circuito, chissà dove si trova dopo tanti anni. I

circuiti finali sono stati tutti calcolati e, negli anni, da tanti allievi costruiti e collaudati.)

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COME VARIARE LA TENSIONE DI USCITA IN UN ALIMENTATORE STABILIZZATO CON

CIRCUITO INTEGRATO A TRE TERMINALI.

Con gli alimentatori stabilizzati integrati a tre terminali la tensione di uscita è fissa e per

ottenere una tensione diversa o anche variabile si ricorre a vari accorgimenti più o meno

buoni, più o meno validi.

Circuito con partitore

È il metodo più semplice ed economico.

IqR2R1

R21VxxVo

Iq5I1 (possibilmente)

La corrente I1 deve essere maggiore di Iq poiché Iq varia al variare della corrente in uscita

dell’alimentatore ( 0,5mAΔIq ).

Dalla equazione della Vo si osserva che per variare la tensione in uscita è sufficiente variare il

valore della resistenza R2.

La tensione massima in uscita dipende dalla tensione massima ammissibile in ingresso

all’integrato tenendo conto dei tre volt necessari per poter stabilizzare, del ripple e delle

variazioni di rete.

Poiché una tensione, anche minima, di ronzio presente in uscita provoca una corrente che si

somma in fase con la Iq, è indispensabile inserire un condensatore di disaccoppiamento

(minimo 10F) in parallelo ad R2; i due componenti devono essere collegati il più vicino

possibile all’uscita dell’alimentatore, curando il ritorno di corrente dal carico ed il

collegamento del ponte raddrizzatore al condensatore di filtro.

È importante ribadire che il ponte raddrizzatore mantiene carico il condensatore di filtro e che

è il condensatore a fornire la corrente ai circuiti successivi.

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Schema completo dell’alimentatore:

Per il calcolo di C1 si procede come in precedenza considerando Vo=Vomax per il calcolo di

Vrpp.

Si è inserito il diodo D1 per evitare il danneggiamento dell’integrato, nel caso siano presenti

tensioni residue nel circuito che si deve alimentare, quando l’alimentatore è spento ed il diodo

D2 per scaricare il condensatore C2, quando si stacca l’alimentazione o in caso di corto

circuito.

In questo tipo di circuito la tensione in uscita presenta delle fluttuazioni dovute alle variazioni

di Iq al variare del carico in uscita (Iq0,5mA).

La corrente Iq, poi, è diversa da costruttore a costruttore (es. per gli integrati National

Iq=8,5mA, mentre per gli integrati SGS Iq=8mA e per gli integrati prodotti dalla Texas Iq

varia da 4,2mA a 8mA); per compensare la Iq si dovrebbe porre la corrente su R1 almeno 5

volte la Iq, con il rischio di bruciare R2 nel caso si usi un potenziometro o un trimmer, per

avere la tensione in uscita variabile.

Il problema della Iq è risolto facendo uso dell’integrato LM317 costruito

appositamente per essere inserito in circuiti con il partitore.

L'integrato LM317 ha una Vxx di soli 1,25V ed una Iq=Iadj di 50uA

(microA) ed è disponibile in diversi contenitori (il più comune è il TO220),

con caratteristiche di dissipazione e di corrente in uscita diverse da modello

a modello.

Con l'integrato LM317 usando per I1 una corrente di circa 5mA il termine Iq diventa

ininfluente:

R1

R211,25Vo

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La versione con uscita negativa ha la sigla LM337.

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Circuito con transistor

Collegando un transistor in serie al terminale comune si rende minima l’influenza della Iq e

maggiormente della Iq.

V2VdV1Vo I2R2VbeVxx IbI1R2VbeVxx

IbR2I1R2VbeVxx IbR2R1

VxxR2VbeVxx

IbR2VbeR1

R21VxxVo

Maggiore è l’amplificazione del transistor (HFE) e minore è l’influenza delle variazioni di Iq

sulla tensione in uscita.

(con IbI1 , circa 10 volte, I2I1 ) VbeR1

R21VxxVo

Il diodo D compensa la deriva termica del transistor e consentendo una semplificazione nei

calcoli ( VdVbe ); per una compensazione migliore al posto del diodo D si può inserire un

transistor collegato come diodo.

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Esempio di alimentatore con tensione di uscita variabile:

Il condensatore C6 si collega tra lo 0 dell’alimentatore ed il contenitore metallico per

eliminare eventuali disturbi indotti dalla rete; l’aggiunta una resistenza da 1M a 10M in

parallelo a C6 elimina la possibilità di accumulo di cariche statiche.

Mettendo per C2 una capacità di valore molto più alto si ottiene una partenza lenta dell'alim-

entatore; sistema preferibile quando, ad esempio, si alimentano i filamenti di valvole

termoioniche.

Circuito con amplificatore operazionale

È il sistema migliore per rendere variabile l’integrato stabilizzatore a tre terminali.

L’amplificatore operazionale è usato come inseguitore di tensione e pertanto, tutte le

variazioni di tensione al suo ingresso sono presenti in uscita.

R1

R21VxxVo

Con alimentazione singola, la tensione minima all’uscita dell’operazionale è di circa 2V per

cui all’uscita dell’alimentatore avremo una 2VxxVomin .

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Esempio di alimentatore Vo da 7 a 16V 1A

Generatore di corrente costante con stabilizzatore a tre terminali

R

VxxIqIo

Normalmente per questo tipo di circuiti si preferisce usare l’integrato LM317 che ha una Iq

molto bassa (50µA) ed avendo una Vxx=1,25V permette per R una resistenza di potenza

inferiore.

INCREMENTO DELLA CORRENTE DI USCITA DEGLI STABILIZZATORI A TRE TERMINALI

Gli integrati stabilizzatori a tre terminali hanno la corrente di uscita predeterminata, per

aumentarla si può aggiungere un transistor.

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Circuito con transistor:

R

VbeIrHIrIo FE

FEH

ItIr

VbeR

Il transistor non contribuisce alla stabilizzazione di tensione, ma fornisce corrente all’uscita in

funzione della Ir.

In questo tipo di circuito il transistor non è protetto in caso di corto circuito in uscita.

Circuito con transistor di protezione

IrItIo Rs

VbeIt

2

Ir

VVbeR

Rs1

La caduta di tensione su Rs porta in conduzione T2 che blocca T1; in questo tipo di circuito i

due transistor devono essere di potenza.

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Circuito bilanciato (con specchio di corrente)

VbeVVdV RsR ponendo VbeVd si avrà RsR VV e semplificando:

ItRsIrR R

Rs

It

Ir

Le correnti nel transistor e nell’integrato sono in proporzione con le resistenze, in questo

modo si sfrutta meglio sia l’integrato che il transistor.

Tra base ed emettitore del transistor è inserita una resistenza che migliora il funzionamento

alle basse correnti; il diodo D deve poter sopportare la corrente dell’integrato (con integrati in

contenitore TO220 si usa un diodo da 3A come ad esempio il BY255).

I circuiti per incrementare la corrente di uscita e per avere un alimentatore con tensione di

uscita variabile possono essere usati assieme.

Esempio di alimentatore completo con LM317T:

La tensione di uscita può variare da 1,25V a 16V con una corrente in uscita di circa 3A.

(Il transistor e l’integrato devono essere adeguatamente dissipati.)

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CALCOLO DEI DISSIPATORI TERMICI

I semiconduttori di potenza durante il loro funzionamento generano una certa quantità di

calore che, se eccessivo, può danneggiarli. Per evitare ciò vengono montati su dissipatori

termici che, per conduzione, sottraggono calore e, per irraggiamento, lo disperdono

nell’ambiente circostante mantenendo la temperatura della giunzione su valori non distruttivi.

(Questi appunti nascono prendendo spunto da un vecchio “Audio Handbook” della National.)

Si può costruire un modello del flusso di calore:

Nel modello sopra schematizzato vengono evidenziate le resistenze termiche “R” che si

incontrano nel trasferire il calore dalla giunzione all’ambiente esterno (oppure con il simbolo

ab ad indicare il fluire del calore da “a” verso “b”).

I simboli usati sono:

R resistenza termica [C/W]

T temperatura [C]

T differenziale termico [C]

Pd potenza dissipata [W]

Perché il semiconduttore si raffreddi è indispensabile che vi sia un certo salto termico tra

dissipatore ed ambiente.

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Procedimento per il calcolo del dissipatore termico

1) si calcola la Pd del semiconduttore nel circuito, considerando il tipo di funzionamento.

Nel caso di un alimentatore si considera la tensione tra ingresso ed uscita, ossia,

Vio=VC1max-Vo (per alimentatori da laboratorio Vio=VC1 essendoci la possibilità del corto

circuito in uscita) da cui Pd=Vio•Iomax.

Con circuiti in commutazione Pd=Vcesat•Ic.

Per gli amplificatori in bassa frequenza si deve tenere conto della classe di funzionamento con

un opportuno fattore di correzione:

> In classe A con alimentazione singola Pd=Val•Icmax•0,55;

> In classe B o AB con alimentazione singola Pd=Val•Icmax•0,23;

> In classe A o AB con alimentazione duale si sommano le due alimentazioni, ossia,

Val=(V+)+(V-) da cui Pd=Val•Icmax•0,23.

2) si rileva la Rjc dai dati caratteristici del semiconduttore oppure la si calcola:

Pdmax

TaTjmaxRjc

dove:

Tjmax da 150C a 200C per i transistor al silicio

Tjmax da 80C a 100C per i transistor al germanio

Tjmax da 120C a 150C per i circuiti integrati

Pdmax è la massima potenza dissipabile dal componente (con dissipatore infinito)

ricavata dalle caratteristiche.

Ta è la temperatura ambiente

3) si determina la Rcd tenendo conto del tipo di contenitore e di come è fissato il componente

al dissipatore:

A fissato direttamente;

B fissato direttamente e con grasso al silicone;

C fissato con isolatore di mica;

D fissato con isolatore di mica e grasso al silicone.

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Esempio di Rcd [C/W] in funzione del tipo di fissaggio e del contenitore (considerando i

contenitori più comuni):

Contenitori A B C D

TO126 1,4 1 2 1,5

TO220 0,8 0,5 1,4 1,2

TO66

1,1 0,65 1,8 1,4

TO3

0,25 0,12 0,8 0,4

TO3P

0,4 0,2 1 0,7

4) calcolare la:

Pd

TaTjRja

Dove Tj è la temperatura che prevediamo possa raggiungere la giunzione rimanendo entro i

limiti di sicurezza e Pd è la potenza trovata la punto 1.

5) determinare la:

RcdRjcRjaRda

6) con la Rda scegliere, dai manuali forniti dalle case costruttrici, il dissipatore più adatto.

Spesso viene fornito il salto termico ossia:

T=Td-Ta=Pd•Rda

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Esempio di calcolo di un dissipatore per alimentatore con LM7812:

Vac=15V VC1max=19,8V Vo=12V Iomax=0,8A

1) determino la Pd:

Pd=(VC1max-Vo)•Iomax=(19,8-12)•0,8=6,24W

2) dai dati caratteristici del LM7812 in contenitore TO220 trovo:

Rjc=3C/W

3) l’integrato è montato direttamente senza grasso al silicone:

Rcd=0,8C/W

4) calcolo la Rja considerando Tj=60C ed una Ta=25C:

8,86,24

2580

Pd

TaTjRja

C/W

5) determino la Rda per avere le caratteristiche del dissipatore:

Rda=Rja-Rjc-Rcd=8,8-3-0,8=5C/W

6) trovo il salto termico T:

T=Rda•Pd=5•6,24=31,2C

Conoscendo il salto termico determino la temperatura del dissipatore Td:

Td=T+Ta=31,2+25=56,2C

La temperatura del dissipatore risulta abbastanza elevata, pur essendo la Tj entro limiti di

sicurezza. Volendo abbassare la temperatura del dissipatore si sceglie una Tj più bassa e

quindi una Rda più piccola.

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Nel fissaggio del semiconduttore sul dissipatore, per una migliore circolazione dell’aria,

bisogna avere l’avvertenza di porre il componente al centro del dissipatore ed in posizione

verticale.

(I disegni fissaggio provengono da “Nuova Elettronica”)

Nel caso vi siano due o più semiconduttori montati sul medesimo dissipatore, questo viene

diviso per il numero dei semiconduttori che poi sono fissati al centro di ogni settore.