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Progetto nel cassetto: un alimentatore switching 5V, 3A

La maggior parte degli schemi di alimentatori sfruttano la collaudata serie 78xx (e 79xx) per generare le tensioni che verranno poi utilizzate dai circuiti a valle. Anch'io ho sempre nel cassetto qualcuno di questi regolatori di tensione, facili da utilizzare, semplicissimi da montare e veloci da installare. Ma si tratta di regolatori di tipo lineare per i quali un importante aspetto è quello legato alla dissipazione termica dovuta alla caduta di tensione. Con questo articolo voglio mostrare una alternativa al 7805, impiegando un regolatore di tensione di tipo switching, non giovanissimo ma che può dare buone soddisfazioni.

Indice

Gli switching

Non è mia intenzione fornire una trattazione completa sugli alimentatori switching, con le varie configurazioni e quant'altro. Per questo genere di approccio ci vogliono specifiche competenze. Gli alimentatori switching stanno ormai prendendo piede in moltissime applicazioni, dai caricabatterie dei vari dispositivi in uso (smartphone, lettori mp3, ecc) ai computer (a dire il vero, già da diversi anni) per non parlare delle applicazioni industriali.

Ma cos'hanno di tanto bello gli switching? Il pregio di questo tipo di alimentatori è che, a parità di caratteristiche con un alimentatore lineare, gli switching riescono a dissipare molta meno potenza in termini di calore, aumentando così il proprio rendimento. Ciò ha permesso la riduzione delle dimensioni di talune parti elettroniche. Di contro questi alimentatori non sono proprio così immediati nel loro impiego. Gli stadi di alimentazione switching vanno dimensionati bene, altrimenti c'è il rischio di portarli ad avere un comportamento instabile. Inoltre, aspetto non trascurabile, essendo dispositivi che lavorano con commutazioni a frequenze elevate, si possono presentare fastidiose armoniche sulla linea di alimentazione, disturbi che a volte necessitano di filtraggi specifici.

Lo schema

Il cuore del circuito è LM2576-05, regolatore di tensione switching con le seguenti caratteristiche principali:

Tensione di uscita: 5V (disponibile anche in versione 3.3V, 12V, 15V) Tensione di ingresso: 40V (fino a 60V nella versione High Voltage) Corrente di uscita: 3A Frequenza switching: 52kHz

Come si vede, è possibile spingersi fino ai 3A, avendo cura di apporre un adeguato sistema di raffreddamento (la superficie di dissipazione dei LM2576 è pur sempre quella di un TO220). Inoltre sono ammesse tensioni di ingresso non regolate/filtrate e fino a valori molto alti rispetto a quella di uscita. La famiglia LM2576-xx è commercializzata con diversi valori di tensione regolata in uscita: 3.3V, 5V, 12V, 15V.

Lo schema è quello che si può desumere dal datasheet ed è il seguente:

Il regolatore richiede che induttanza, condensatori e diodo vengano dimensionati in modo specifico: questo è uno sforzo che il progettista è tenuto a fare.

Dimensionamento dei componenti

Ma come si fa? Niente paura, il datasheet viene in aiuto! Ecco come ho proceduto io per dimensionare il mio alimentatore da 5V, 3A. Prima di tutto le specifiche:

Vin = 15V - 40V Vout: 5V Iout = 3A

Per prima cosa, noto il carico massimo e la tensione di alimentazione in ingresso, per ciascuno dei tipi di LM2576-xx disponibile, il datasheet propone una figura che permette di incrociare i dati in ingresso ed ottenere il valore di induttanza. Nella immagine seguente, il tratto rosso è contenuto nella fascia "L100" che indica un valore di induttanza di 100uH.

Scelta dell

Scelta dell'induttore

Per la scelta del condensatore elettrolitico in uscita, il datasheet riporta due osservazioni. La prima è relativa al fatto che i valori di L e di Cout determinano i poli dominanti della funzione di trasferimento del regolatore. Per avere una uscita con ripple accettabile (nell'ordine del 1%) va scelto un valore di capacità che stia nell'intervallo da 100uF a 470uF. In un punto più avanti del datasheet, considerando il calcolo della capacità di uscita nel caso di LM2576-ADJ, il calcolo risulta con valori maggiori di quelli appena riportati. Il secondo aspetto riguarda invece la tensione di isolamento del condensatore la quale, per buona norma deve essere almeno una volta e mezza superiore alla tensione regolata in uscita. Per questi motivi ho utilizzato un condensatore da 1000u, 100V.

Il diodo da impiegarsi deve avere due caratteristiche: essere in grado di sostenere una corrente almeno una volta e mezza superiore a quella di specifica e di essere in grado di sostenere una tensione inversa pari almeno a 1.25 volte la tensione massima in ingresso. Guardando nei miei cassetti ho trovato un SR560, un diodo Shottky da 5A (e per la corrente ci siamo) ma che ha una tensione massima inversa pari a 42V. Questo fatto mi obbliga a ridurre il range di alimentazione in ingresso a 25V.

Il condensatore in ingresso impiegato è un condensatore elettrolitico da 100uF, 100V posto vicino al pin di ingresso.

Il prototipo che ne è venuto fuori è quello riportato nelle fotografie seguenti, facilmente realizzabile su piastra millefori.

L

L'alimentatore switching

L

L'alimentatore, visto dal morsetto di ingresso

L

L'alimentatore, visto dal morsetto di uscita

Nei prossimi giorni questo alimentatore fornirà tensione ad una scheda per... Beh, non voglio svelare subito tutto!


Qualcosa di più

Come detto, in commercio esistono LM2576 con diversi valori di tensione regolata in uscita (3.3V, 5V, 12V, 15V). A queste si affianca anche una versione variabile, denominata LM2576-ADJ, con la quale è possibile realizzarsi semplici alimentatori variabili, con pochissimi componenti. Questo approfondimento sarà oggetto di un prossimo articolo.

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Questo articolo ed il software rilasciato rientrano nell'ambito della licenza CREATIVE COMMONS BY-NC-ND 3.0, secondo quanto indicato nelle note legali qui riportate.

Licenza Creative Commons

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Sintesi delle note legali (italiano)

Note legali (italiano)

Legal code (international)

Commons deed (international)

Bibliografia

Datasheet LM2576

Datasheet SR560

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Commenti e note

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di ,

Carissimo, normalmente il calcolo della Cout è effettuato seguendo il data sheet relativo all'IC scelto. Nella pratica è bene aumentare tale capacità anche di 10 volte. Le motivazioni possono essere: Minor ripple in uscita , maggior energia disponibile se dovessero esserci richieste improvvise di corrente (ad esempio abbiamo un carico impunsivo dato da BJT o MOS che saturando e desaturando velocemente provocano forti variazioni di carico in uscita). Per la capacità possiamo sceglierne due o tre poste in parallelo in modo da avere bassa ESR ma senza però esagerare . Una ESR troppo bassa porta ad instabilità perché l'anello di retroazione potrebbe vedere una BW troppo bassa => minor controllo ovvero maggior lentezza nella feedback => l'alimentatore è lento nel rispondere alle richieste di carico. Non sempre la scelta di una grossa capcità in uscita è la soluzione ideale, dipende dall'applicazione e dal contesto. Per diminuire il ripple o gli splike per esempio si può usare una capacità doppia rispetto a quella calcolata con i grafici o le procedure indicate nel data sheet e poi, dopo la feedback inserire un filtroausiliario del secondo ordine che richiede una L molto bassa ed una C contenuta. Tutto ciò, lo puoi leggere ( anche in parole diverse ) nel data sheet che Paolino ha allegato . Spero d'esserti stato d'aiuto. Saluti.

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di ,

Mi sorge una domanda: perché la capacità di uscita è così elevata? Sembra davvero tanta.

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di ,

si si certo... ma io infatti son stato contento non appena ho visto il tuo progetto perché è comunque interessante. E' chiaro che non è un progetto pronto all'industrializzazione ma di certo è un buon inizio. In effetti, adesso che mi ci fai pensare, io potrei pubblicare qualcosa con il MIC4576 che ho usato in passato ( ma anche oggi per la verità ) anche se attualmente lavoro con gli LP3906 . Il fatto è che io opero con componenti SMD quindi non so quanto questo possa aiutare quanti vogliano poi realizzarli ... diciamo che le metodologie son le stesse solo che poi chi lo vorrebbe fare dovrebbe modificarsi un pò il PCB in modo da poterci mettere componenti PTH. A riguardo tu che dici? sec te, qui in Electroyou è una cosa fattibile? Saluti.

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di ,

Inanzitutto grazie a tutti per i complimenti e per le critiche. @ stefanodelfiore - Giuste osservazioni. @ xilinx972 L'articolo nasce come "Progetto nel cassetto" anche perché avevo in casa proprio quei componenti. Il regolatore è retaggio di un progetto di un altro alimentatore per il quale sono state prese tutte le precauzioni possibili. L'induttore che vedi non l'ho avvolto io, l'ho trovato in commercio. È verosimile che non sia il massimo dell'efficienza. Così pure i condensatori: per ovviare al mancato utilizzo di un condensatore a basso ESR ne ho cercato (sempre nel cassetto) uno con tensione elevata. Non mancherò di fare le misurazioni che citavi. Infine: se hai voglia, perché non pubblichi tu un bell'articolo sull'uso di uno switching? Magari con l'integrato MIC4576 (che personalmente non conosco) fornendo le indicazioni per un progetto senz'altro più serio del mio. A mia "discolpa" cito il datasheet, per ricordarsi che comunque il progettista di errori può commetterne ma sul datasheet si trova tutto. Tra l'altro, le mie competenze di elettronica di potenza sono le riminiscenze passate e non certo dettate dall'esperienza professionale. Grazie.

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di ,

Paolino,bel cassetto il tuo ... :) ... nasconde belli ed interessanti proggetti... Grazie.

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di ,

Uno schema molto semplice da realizzare e sebbene il funzionamento interno sia più complicato di quelli lineari hanno più rendimento. Quasi quasi mi è venuta voglia di farne uno. Bell'articolo :)

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di ,

carissimo, hai scritto: " In un punto più avanti del datasheet, considerando il calcolo della capacità di uscita nel caso di LM2576-ADJ, il calcolo risulta con valori maggiori di quelli appena riportati. Il secondo aspetto riguarda invece la tensione di isolamento del condensatore la quale, per buona norma deve essere almeno una volta e mezza superiore alla tensione regolata in uscita. Per questi motivi ho utilizzato un condensatore da 1000u, 100V. " In realtà il tuo alimentatore ci da 5V in uscita quindi i 100V non sono giuntificati. Forse pensavi all'impiego del modello ADJ regolando in uscita 40V circa per poi aver usato un 5.0 Vout. In ogni modo, va bene la logica di utilizzare Cond. con alto valore d'isolamento perché, essendo di dimensioni maggiori, è naturale aspettarsi una ESR minore quindi meno fattore dissipativo. In realtà il tuo condensatore è un RE2 della ELNA ad 85° e non è molto adatto allo scopo switching. Se provassi a leggere all'oscilloscipio a valle dell'induttore, vedresti degli spike molto alti. Ti consiglio di usare anche gli stessi condensatori ( anche se, ripeto, non sarebbe la scelta migliore) ma di metterne tre da 330uF sempre a 100V e poi porre in parallelo un cond al tantalio a ridosso della Cout più lontana diciamo da 2,2uF. Usa una stessa cap a ridosso del pin 1 d'ingresso. Se fai così, le cose migliorano e non di poco. L'induttore mi sembra avvolto a mano, l'hai fatto tu? Vedo delle spire che si sovrappongono. Beh, sappi che le perdite aumentano perché in questo caso non essendo serrate in modo regolare rischi di avere altri spike in uscita che si aggiungono ai precedenti ed inoltre ( anche se tutto sembra funzionare bene) il 2576 non lavora bene. Il toroide tre facce in giallo e una bianca è al limite.. molti lo usano in alimentatori del genere ma se poi si accorgono che l'LM2576 è pin-to-pin con il MIC4576 e tentano di cambiarlo, lavorando a 200kHz quel toroide riduce di un 40% il u. Provato con un Magnetics della serie High Flux? Sec me se provi ti trovi meglio! Provaci e vedrai che prestazioni ti da ;-) Ti consiglio di leggerti l'articolo che è stato pubblicato su Fare elettronica il mese di Maggio 2013 ( mi pare sia online) li, c'è scritto come dimensionare correttamente un induttore ed impiegare un IC come il tuo. Spero d'esserti stato utile per questo progetto e per i tuoi futuri con switching... Condivido con te il discorso '' alternativa alla serie 78xx ''... gli switching costano poco e se fatti bene hanno prestazioni insuperabili rispetto ai quasi lineari. Dimensionare degli alimentatori switching è davvero una sfida entusiarmante...quindi ben venga. Stai attendo al Layout, usa sempre un centro stella e fai pise larghe e corte ok?... Hai pensato ad un PCB da pubblicare? Io ne ho alcuni che impiegano il tuo LM2576 se ti fa piacere te li passo in gerber così se vuoi te li pubblichi sutto questo tuo alimentatore... magari chi lo vuol ralizzare segue ciò che hai scritto e poi monta dirett. il PCB. un saluto... Xilinx972

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di ,

Grazie Paolo, davvero interessante.

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di ,

Vorrei solo fare alcune osservazioni a questo articolo, che penso siano utili a chi desiderasse costruirlo. Il layout delle piste e dei componenti è di vitale importanza per un alimentatore switching, quindi è buona norma seguire le indicazioni che vengono fornite nel manuale del componente e nelle sue note applicative. Un layout non corretto porta spesso a dei risultati indesiderati. Il valore del condensatore d'uscita determina il ripple di tensione in uscita ma anche l'ESR del condensatore influisce sul ripple di tensione in uscita. L'induttore oltre ad avere il corretto valore induttivo deve essere in grado di poter gestire la corrente che circola in esso, quindi è importante scegliere il giusto nucleo magnetico. In ogni caso nell'articolo sono stati messi in evidenza diversi aspetti del progetto che sono sempre utili. Stefano

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di ,

Compatto e potente, come l'articolo che hai scritto. Thank you Paolo!

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di ,

Bello e utile. Grazie Paolo!

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