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Alimentatore stabilizzato regolabile "ibrido" 1.3-35 V, 3 A

Indice

Sommario

Alimentatore regolabile da 1.3 V a 35 V, costruito a partire da due alimentatori switching per notebook e dotato di regolazione lineare basata su LM317 e transistor PNP di potenza.

La corrente massima è di 3.25 A, limitabile in funzione della dissipazione utilizzata. Protezione da cortocircuito mediante circuito di cut-off a relé.

Introduzione

Il progetto è nato dall'esigenza di disporre di un alimentatore stabilizzato a tensione variabile per il mio laboratorio casalingo.

Fig.1 - Alimentatore regolabile

Fig.1 - Alimentatore regolabile

A partire da un insieme di componenti già a disposizione, ho cercato uno spunto da cui partire e individuato un circuito pubblicato dalla rivista Nuova Elettronica, al quale mi sono ispirato: si tratta del n. 172-173, lo schema è il seguente:

Fig.2 - Schema originale Nuova Elettronica

Fig.2 - Schema originale Nuova Elettronica

Il circuito presenta due caratteristiche che ho ritenuto interessanti: il trasformatore a due secondari che permette di selezionare due gamme di tensioni, limitando la dissipazione del transistor TR2 di potenza, e la protezione da cortocircuito in uscita. Le caratteristiche che volevo avesse il mio alimentatore, a parte quelle elettriche, sono un peso ridotto e delle piccole dimensioni, oltre almeno alla protezione da cortocircuito in uscita.
La prima caratteristica poteva essere ottenuta sostituendo il trasformatore con un primo stadio di tipo switching, la seconda era in teoria già presente ma non del tutto convincente. In caso di cortocircuito l'integrato LM317 viene portato a fornire una minima tensione in uscita, in seguito all'attivazione di TR3 che porta il piedino R dell'integrato a massa, tensione che e è data dalla relazione:

\begin{align} V_{out}&=1,25\cdot(1+\frac{R_2}{R_1}) \end{align}

per cui è evidente che anche azzerando R2 (che nello schema sopra è costituito dal ramo R7+R8, mentre R1 corrisponde a R5), la tensione si riduce in teoria a 1,25V.
Ho preferito quindi optare per un intervento più drastico nel modo che verrà illustrato più avanti.

Il progetto

Le specifiche di progetto sono state in parte dettate dai componenti che avevo disponibili, in particolare la generazione della tensione CC di partenza è demandata a una coppia di alimentatori switching per Notebook (SMPS), ciascuno da 20V/3.25A e 65W. Date le loro piccole dimensioni li ho scelti per contenere il più possibile l'ingombro dell'alimentatore regolabile, visto il poco spazio a disposizione sulla scrivania/tavolo di lavoro. Il successivo stadio di regolazione è di tipo lineare, come implementato dal progetto ispiratore, salvo qualche piccola concessione e modifica.

La commutazione tra un solo SMPS e due collegati in serie consente di ottenere due valori di tensione d'ingresso, 20V e 40V. Facendo alcuni semplici calcoli ho stabilito che le gamme di tensione ottenibili potevano essere 1,25-17,5V e 16,5-35,5V, lasciando quindi una piccola sovrapposizione tra le due per maggior flessibilità.
La tabella seguente deriva da un foglio di calcolo utilizzato per simulare le diverse situazioni possibili:

Tabella 1 - Calcolo dei valori di R2, R7, R8 e del potenziometro R5 (vedi circuito completo più sotto)

Tabella 1 - Calcolo dei valori di R2, R7, R8 e del potenziometro R5 (vedi circuito completo più sotto)

La massima dissipazione da parte di TR1 è stata calcolata supponendo di voler sfruttare tutta la corrente messa a disposizione dagli SMPS; non è però realistico ottenere lo smaltimento di una tale potenza con un solo transistor e con le dimensioni fisiche del dissipatore usato, seppur provvisto di ventola, per cui ho limitato la corrente massima erogabile, come più avanti descritto.
Per l'alimentazione e il controllo della ventola ho implementato il circuito seguente (Fig. 3):

L'altra parte di calcoli si riferisce al circuito di controllo della velocità della ventola, nel quale è stato inserito un termistore NTC di cui ho determinato le caratteristiche misurandole. A una temperatura ambiente di ca. 22°C presenta una resistenza di ca. 2900Ω.
La tabella della figura seguente mostra i calcoli eseguiti per determinare (in modo abbastanza empirico) l'andamento della curva temperatura/resistenza utilizzando l'equazione di Steinhart-Hart semplificata.

\begin{align} R=R_0 \cdot e^{B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})} \end{align}

dove
\begin{align} B \end{align} è il parametro Beta, per il cui valore ho usato dati disponibili in letteratura (3980K)
\begin{align} T_0 \end{align} è una temperatura di riferimento alla quale corrisponde un determinato valore di resistenza del NTC
\begin{align} T \end{align} è la variabile indipendente, la temperatura
\begin{align} R \end{align} è la variabile dipendente, la resistenza

Nella figura sottostante ho voluto rappresentare i calcoli teorici relativi all'alimentazione e controllo della ventola. In realtà il comportamento in pratica si discosta un poco dalla teoria, poiché ad esempio per il parametro Beta dell'equazione è stato utilizzato un valore che non è quello reale del termistore impiegato (una sonda di temperatura recuperata da un frigorifero, visibile in fig. 9 più sotto).

Tabella 2 - Calcolo del circuito di alimentazione e controllo ventola

Tabella 2 - Calcolo del circuito di alimentazione e controllo ventola

Per adeguare la dissipazione da parte del transistor di potenza alla specifica soluzione di smaltimento del calore adottata (nel mio caso un dissipatore provvisto di ventola), la corrente massima erogabile si può regolare mediante un trimmer da un minimo di ca. 1,5A alla massima ottenibile dagli alimentatori SMPS, cioè 3,25A circa (in teoria anche oltre, come si vedrà più avanti). In fase di messa a punto ho poi limitato la corrente a ca. 2,3A.

Funzionamento della protezione da cortocircuito e da sovracorrente:
i resistori R4 (0,4Ω/5W, nel caso particolare un parallelo tra 0,18Ω e 0,22Ω), R3 e RV1 (vedi schema generale in fig. 5) si trovano sul percorso di ritorno della corrente. Dato il basso valore di R4, il parallelo di questo con R3+RV1 si può approssimare al valore di R4 stesso, per cui la corrente di ritorno scorre praticamente tutta in tale resistore.
Supponendo ad esempio che Q3 inizi a condurre con Vbe=0,6V, grazie alla possibilità di spostare il punto di prelievo della tensione sul trimmer RV1, nel punto di regolazione per la massima corrente (partitore a 1/3 di 300Ω, cioè 100Ω) sono necessari 6mA per far condurre Q3, di conseguenza la caduta di tensione su R4 è di 1,8V e la corrente massima vale 4,5A. Discorso analogo per la corrente minima: col partitore ai 3/3, la serie di R3 e RV1 vale 300Ω, per cui sono necessari 2mA per attivare Q3, il che significa una caduta di tensione su R4 di 0,6V e di conseguenza una corrente minima di 1,5A.
L'intervallo di regolazione della corrente erogabile è dunque 1,5-4,5A circa.

Il contenitore scelto è la carcassa di un alimentatore ATX per personal computer, svuotata del suo contenuto e opportunamente tagliata e forata per fare spazio ai vari comandi e allo strumento voltmetro/amperometro. L'assemblaggio è stato piuttosto difficoltoso per il poco spazio disponibile; l'interno risulta non particolarmente ordinato, ma il risultato è comunque soddisfacente.

Fig. 4 - Interno dell

Fig. 4 - Interno dell'alimentatore completato

Schema elettrico realizzato in KiCad (cliccare sull'immagine per vedere la figura completa). Lo schema non comprende i circuiti di alimentazione e controllo ventola, illustrati più avanti.

Fig.5 - Schema elettrico generale

Fig.5 - Schema elettrico generale

Funzionamento del circuito bistabile di protezione da cortocircuito:
i componenti del circuito bistabile costituito dai transistor Q2 e Q4 sono stati dimensionati in modo che all'accensione dell'alimentatore questo si porti in stand-by. Per ottenere questo comportamento il resistore di base di Q4 vale R14=100kΩ, mentre quello di base di Q2 vale R15=22kΩ; in questo modo Q2 si porta in conduzione prima di Q4, provocando la caduta di tensione su R12 che a sua volta abbassa la tensione sul partitore R10/R11, interdicendo quindi Q1 che tiene il relé diseccitato.
Alla pressione del pulsante P1 si interdice Q2, per cui Q4 entra in conduzione e il collettore di Q2 si porta a Vcc=20V, la tensione tra R10 e R11 si porta a ca. 2V, sufficienti per portare in conduzione Q1 che eccita il relé dando tensione in uscita.
Il pulsante P2, di colore rosso, consente di riportare l'alimentatore in stand-by; questo è comodo per non dover spegnere completamente l'alimentatore quando si stanno provando circuiti che richiedono di essere alimentati per periodi brevi.

Funzionamento dell'accoppiata LM317/BD908:
il transistor TR1 interviene quando la sua tensione Veb supera il valore di 0,6V circa (anche meno in realtà). Per ottenere questo è necessario che la tensione ai capi di R1 assuma tale valore, per cui dato R1=15Ω, la corrente che lo attraversa deve essere almeno 40mA. Il valore di R1 va scelto quindi in modo che vi sia comunque la minima corrente necessaria a mantenere in funzione il regolatore LM317; può quindi essere anche inferiore a 15Ω, ad esempio nell'ordine dei 3-5Ω, per far intervenire il transistor più 'in ritardo'. Io ho preferito mantenere bassa la corrente nel regolatore perché l'aletta utilizzata per il suo dissipatore è piuttosto piccola.
Sul datasheet del LM317 si legge che dev'esserci una minima corrente di carico pari a 3.5mA per il corretto funzionamento.

La costruzione

Alcune caratteristiche sono state definite in corso d'opera, per cui si è reso necessario modificare il PCB già realizzato e aggiungere delle parti di circuito su un altro paio di basette realizzate successivamente (protezione cortocircuito e controllo ventola).
Entrambi i PCB più grandi sono stati realizzati in casa con la tecnica del "ferro da stiro", cioè stampati con stampante laser su carta fotografica e poi trasferiti a caldo sulla basetta in rame, per essere successivamente corrosi in una soluzione di acido muriatico e acqua ossigenata.

Fig. 6 - 1° PCB e circuito di stabilizzazione e regolazione

Fig. 6 - 1° PCB e circuito di stabilizzazione e regolazione

Il circuito di Fig.4 è basato sul circuito integrato regolatore LM317 e usa un transistor PNP per disporre di una maggiore corrente in uscita. Nella figura sopra sono visibili l'integrato LM317 (un po' nascosto dai fili bianchi e rossi) con la sua aletta di raffreddamento e il morsetto per il collegamento del transistor BD908, avvitato mediante un isolante al dissipatore sulla parte posteriore della carcassa.

Lo schema di partenza è stato notevolmente modificato, in particolare l'alimentazione da trasformatore è sostituita da una di tipo switching (da qui il termine "ibrido"), e per ridurre la dissipazione del transistor con basse tensioni d'uscita ho inserito un commutatore che consente di passare dalla configurazione con un solo SMPS in ingresso a quella con due in serie. Di conseguenza si ottengono le due gamme di tensioni citate precedentemente, 1.3-17V e 16-35V.
Inoltre la protezione da cortocircuito in uscita è implementata mediante un circuito bistabile (flip-flop) che comanda un relé che stacca completamente lo stadio a valle degli alimentatori SMPS. Lo stesso bistabile viene comandato mediante due pulsanti ON e OFF per dare e togliere tensione all'uscita, mantenendo l'alimentatore in stand-by (ad esempio con la ventola che continua a girare).

Fig. 7 - 2° PCB e circuito di protezione da cortocircuito

Fig. 7 - 2° PCB e circuito di protezione da cortocircuito

In alto al centro, sotto i fili bianco e rosso, si può notare il trimmer per la regolazione della corrente massima erogabile.
Per alimentare la ventola con la tensione nominale, dato che gli SMPS sono entrambi da 20V, ho inserito una piccola sezione di alimentazione stabilizzata mediante diodo Zener (nella specifica realizzazione si tratta di più diodi in serie), in modo da portare la tensione a 15V circa (vedi fig. 8 sotto).

Fig. 8 - 3° e 4° PCB con circuiti di alimentazione e controllo ventola

Fig. 8 - 3° e 4° PCB con circuiti di alimentazione e controllo ventola

Due viste laterali dell'interno dell'alimentatore:

Fig. 9 - Vista laterale sinistra dell

Fig. 9 - Vista laterale sinistra dell'interno dell'alimentatore

Sulla sinistra sono visibili il transistor di potenza BD908, racchiuso a "sandwich" nel dissipatore, e il termistore bianco fissato con del silicone per alte temperature.
In basso al centro i due alimentatori SMPS e a destra l'interruttore di accensione principale.

Fig. 10 - Vista laterale destra dell

Fig. 10 - Vista laterale destra dell'interno dell'alimentatore

Sulla sinistra sono visibili in alto il potenziometro per la regolazione della tensione e in basso il commutatore a due posizioni per la selezione delle gamme di tensione.
Sulla destra in alto il portafusibile, la presa di rete 230V filtrata e sotto il connettore mammuth per la messa a terra, infilato per un'estremità a una vite presente nella carcassa.
Al centro, in colore verde, il relé per la protezione da cortocircuito che effettua il distacco degli SMPS in caso di superamento della corrente massima (si tratta di un relé a 24V, in questo caso alimentato con i 20V di uno dei due alimentatori switching); è montato su uno zoccolo (per IC), per semplificare un'eventuale sostituzione.
Nelle figure seguenti altre viste dell'alimentatore:

Fig. 11 - Alimentatore regolabile, vista dall

Fig. 11 - Alimentatore regolabile, vista dall'alto


Fig. 12 - Alimentatore regolabile, vista dall

Fig. 12 - Alimentatore regolabile, vista dall'alto


Fig. 13 - Alimentatore regolabile, vista posteriore

Fig. 13 - Alimentatore regolabile, vista posteriore

Si notano la ventola, che soffia sul dissipatore, la presa di rete e il portafusibile.

Fig. 14 - Alimentatore regolabile chiuso, vista lato superiore

Fig. 14 - Alimentatore regolabile chiuso, vista lato superiore


Fig. 15 - Alimentatore regolabile chiuso, vista lato inferiore

Fig. 15 - Alimentatore regolabile chiuso, vista lato inferiore


Prove e funzionamento

Le tarature da effettuare sono state quelle relative all'impostazione della massima corrente erogabile e alla regolazione del voltmetro/amperometro. Per questo mi sono servito di un carico fittizio (la lampadina 12V/28W visibile in fig. 16) e di un paio di multimetri digitali per poter misurare contemporaneamente tensione e corrente. Il collaudo dell'apparecchio si è limitato a verificare il funzionamento della regolazione della tensione, la stabilità della stessa, la risposta ai comandi di accensione e spegnimento e il corretto funzionamento del sistema di protezione da cortocircuito, con e senza carico.

Fig. 16 - L

Fig. 16 - L'alimentatore sotto carico

Pur avendo verificato l'uscita con l'oscilloscopio, l'entità residua di ripple di tensione non si è rivelata apprezzabile.

Brevi cenni sul funzionamento:
alla chiusura dell'interruttore di rete l'alimentatore si pone in stand-by, non eroga tensione in uscita e il led rosso è acceso. Per dare tensione occorre premere brevemente il pulsante nero, l'accensione del led verde conferma la presenza di tensione sui morsetti, il cui valore è segnato dal voltmetro. Nel caso in cui ci sia già un carico collegato (oppure all'inserimento di un carico ad alimentatore attivo) che richiede una forte corrente di spunto (ad esempio la lampadina usata per testare il funzionamento) può capitare che intervenga subito il circuito di protezione; in tal caso è sufficiente mantenere premuto per qualche istante il pulsante nero, forzando così l'esclusione del circuito di controllo.
La commutazione delle gamme di tensione può avvenire in qualsiasi momento, occorre però prestare attenzione perché tra le due gamme ci sono ca. 16V di differenza.

Dopo un periodo abbastanza lungo di utilizzo devo dire che sono soddisfatto della realizzazione, l'alimentatore si rivela molto pratico per i miei scopi, silenzioso e piacevole da usare, dall'aspetto un po' insolito forse ma comunque sobrio.

Possibili miglioramenti

L'uso dello strumento ha messo in evidenza alcune migliorie apportabili alla realizzazione:
- per una più precisa regolazione della tensione è consigliabile usare un potenziomentro multigiro;
- miglioramento del sistema di dissipazione per poter disporre di una maggiore corrente, eventualmente mettendo più transistor in parallelo;
- utilizzo di uno strumento voltmetro/amperometro più preciso: quello impiegato nel progetto è preciso nell'indicazione della tensione ma meno in quella della corrente; è possibile tararlo su entrambe le misure, ma entro un certo limite e per la corrente bisogna accontentarsi di un'indicazione che deriva dal valore reale con l'aumento della corrente stessa.

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Commenti e note

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di ,

Sono d'accordo, sarebbe stato meglio; lo spazio a disposizione e i componenti utilizzati non me l'hanno consentito. Grazie per il commento.

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di ,

Ho solo guardato le immagine e letto molto al volo, bene, l'unica cosa che non mi piace è la ventola esterna, avrei fatto di tutto per metterla interna.

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