E2.1. ALIMENTATORI Tutti i circuiti e sistemi elettronici richiedono energia per funzionare; tale energia viene fornita tramite una o più alimentazioni, generalmente in forma di tensione continua di valore ben definito. I parametri che definiscono le richieste energetiche sono la tensione (di alimentazione) e la corrente assorbita. Questi valori possono avere variazioni nel breve termine (ronzio e rumore sulla tensione di alimentazione) e nel medio-lungo termine (per la tolleranza sulla tensione di alimentazione, o per variazione della corrente assorbita). La tensione di alimentazione può essere fornita da batterie primarie, da accumulatori ricaricabili, o tramite circuiti che trasformano opportunamente la tensione di rete (normalmente 220 V AC a 50 Hz). Tra la sorgente di alimentazione e il circuito da almentare è spesso interposto un regolatore, con il compito di portare a valori ben definiti e stabili la tensione di alimentazione. Queste lezioni identificano i parametri che caratterizzano il comportamento dei sistemi di alimentazione, e descrivono i circuiti che permettono di adattare tali parametri alle esigenze dei moduli e circuiti da alimentare. E2.1.1 Parametri di un alimentatore Il modello di riferimento per lo studio funzionale di un alimentatore è in figura E2.1.1. Fig. E2.1.1 - Modello funzionale di alimentatore La tensione all'uscita presenta una componente continua Vdc e una componente variabile alla frequenza di rete (o a frequenza doppia) detta tensione di ondulazione o di ripple Vr. Tali valori dipendono dalla corrente Il assorbita dal carico in uscita, e dalle caratteristiche della tensione di ingresso Val. I parametri più importanti sono: Coefficiente di stabilizzazione Sv = (indica come varia la tensione di uscita al variare della tensione di ingresso) Resistenza equivalente di uscita Ru = (indica come varia la tensione di uscita al variare della tensione di ingresso) Nel caso ideale la tensione di uscita deve essere quanto più possibile costante, quindi sia Sv che Ru devono essere piccoli. Un altro parametro significativo è il rendimento, definito come rapporto tra potenza utilizzata in uscita e potenza fornita in ingresso: η = 1
E2.1.2 Alimentatori da rete Vediamo adesso la struttura interna di un alimentatore che fornisce tensioni continue partendo dalla tensione di rete. Esistono due tipi base di alimentatore: - lineare o dissipativo - a commutazione. I due tipi presentano parti comuni; gli alimentatori a commutazione hanno un rendimento più elevato e la loro diffusione è in aumento, ma in linea generale l'alimentatore lineare è più semplice, e viene qui utilizzato come modello di riferimento. I circuiti a commutazione verranno presentati come esempio di applicazione dei transistori in commutazione. Fig. E2.1.2 - Schema a blocchi di alimentatore da rete Procedendo da sinistra verso destra: Il trasformatore ha il compito di abbassare la tensione di rete a valori prossimi a quelli richiesti in uscita, e di isolare galvanicamente i circuiti di uscita da quelli di ingresso (per garantire la sicurezza elettrica). L'elemento raddrizzatore trasforma la tensione alternata in tensione unipolare o pulsante. Il filtro elimina parte delle componenti variabili e aumenta la componente continua della tensione in uscita. Il regolatore porta la tensione di uscita al valore desiderato e la stabilizza rispetto a variazioni della corrente nel carico e della tensione di ingresso. Le tensioni presenti nei vari punti sono indicate nella figura E2.1.3. 2
Tensione di ingresso e raddrizzata Tensione all'uscita del filtro Tensioni di ingresso e uscita al regolatore Fig E2.1.3 Il raddrizzatore può essere un semplice diodo (raddrizzatore a singola semionda), oppure un circuito raddrizzatore a doppia semionda (ponte di Graetz o trasformatore con doppio secondario). Fig E2.1.4 Raddrizzatori a doppia semionda Il filtro è un condensatore inserito direttamente all'uscita del raddrizzatore. Il condensatore si carica durante i picchi positivi della tensione raddrizzata, e si scarica continuamente sul carico (a corrente costante pari a Ia). La tensione all'uscita del filtro ha andamento approssimativamente triangolare, con ondulazione Vr e valor medio Vdc: Vr = Vdc = 3
Esempio E2.1.1 Calcolare ondulazione e componente continua all'uscita di un gruppo raddrizzatore-filtro con ingresso 15 Veff, frequenza 50 Hz, corrente nel carico Ial = 20 ma, C = 100 microf. Esempio E2.1.2 Quale condensatore occore per avere una ondulazione pari o minore a 1 Vpp con una corrente nel carico di 100 ma? Esempio E2.1.3 Come esempi precedenti, con raddrizzatore a doppia semionda. 4
E2.1.3 Corrente e tensione nel diodo raddrizzatore La corrente scorre nel diodo solo per una frazione del periodo; il diodo quindi lavora in regime impulsivo, con picchi di corrente anche molto superiori (da 5 a 20 volte) alla corrente media assorbita dal carico. Per questo motivo la caduta sul diodo è di circa 1-1,5 V (per il silicio), ben superiore agli 0,6 V utilizzati come valore convenzionale. L'intervallo di tempo per cui il diodi conduce, riferito al periodo complessivo, è l'angolo di conduzione. Da questo è possibile valutare la corrente di picco, eguagliando il valore medio della corrente in entrata e in uscita (Ial). Ial = Fig E2.1.5 Corrente nel diodo e nel carico Aumentando la capacità diminuisce l'ondulazione, e diminuisce l'angolo di conduzione dei diodo, facendo crescere la corrente di picco, e di conseguenza aumenta la caduta sul diodo. Per ridurre l'ondulazione a valori particolarmente bassi, anzichè aumentare la capacità di filtro, occorre usare circuiti di regolazione. La corrente inversa del diodo è molto più bassa della corrente assorbita da carico, e quindi non contribuisce in modo significativo alla scarica del condensatore. Durante il semiperiodo negativo ai capi del diodo si localizza una tensione inversa che dipende dalla configurazione di raddrizzatore utilizzata (figura E2.1.6). Fig E2.1.6 Tensione inversa sui diodi 5
E2.1.4 Circuiti di regolazione con diodo zener Il modulo di regolazione o stabilizzazione opera in modo da rendere la tensione di uscita costante al variare della tensione di ingresso (in questo modo riduce anche l'ondulazione) e al variare della corrente nel carico (questo si ottiene abbassando la resistenza equivalente Ru). Tutti i circuiti di regolazione utilizzano un riferimento di tensione, ottenuto ad esempio con un diodo zener. La caratteristica e il modello di un diodo zener sono in figura E2.1.7. Il modello vale per la parte di caratteristica utilizzata nel funzinamento come regolatore. Fig. E2.1.7 - Caratteristica e modello di diodo zener I parametri di un diodo zener sono: La tensione "a vuoto" Vzo (la tensione effettiva ai capi del diodo è leggermente superiore a questo valore). La resistenza dinamica rz La massima potenza dissipabile Pd Il diodo zener agisce direttamente come regolatore di tensione nella rete di figura E2.1.8. Fig. E2.1.8 - Regolatore con resistenza e diodo zener 6
Per valutare la tensione di uscita e l'effetto di regolazione al variare dell'ingresso Va e della corrente di uscita Iu occorre sostituire allo zener il circuito equivalente. Per calcolare la tensione continua di uscita si può usare il metodo di sovrapposizione degli effetti, sommando i contributi della componente continua di ingresso e del generatore Vzo (figura E2.1.9a). I circuiti equivalenti per valutare l'ondulazione e la variazione di tensione sul carico sono in figura E2.1.9b) e c). Fig E2.1.9 - Calcolo di componente continua e ondulazione in uscita, e della regolazione. Esempio E2.1.4 - calcolo di Vudc, Sv e Ru Data la tensione di ingresso al regolatore (Vadc + Var) calcolare la componente continua Vudc e l ondulazione Vur in uscita. Vudc = Per la Vur conviene calcolare l attenuazione delle variazioni di tensioni all ingresso. Vur/Var = Ru = 7
E2.1.5 Campo di funzionamento del regolatore Per il corretto funzionamento del regolatore nello zener deve circolare una corrente minima Izmin di alcuni ma. Il limite superiore di corrente nello zener è determinato dalla massima potenza dissipabile: Izmax = La corrente nel diodo zener deve restare in questi limiti al variare della tensione di ingresso e della corrente nel carico. La verifica fa fatta per le condizioni che determinano nello zener la corrente massima e la corrente minima. Fig E2.1.10 Correnti nel regolatore R-Dz La corrente minima nello zener si ha per: - tensione di ingresso minima - resistenza R massima - corrente nel carico massima La corrente massima nello zener si ha per: - tensione di ingresso massima - resistenza R minima - corrente nel carico minima 8
E2.1.6 Circuiti di regolazione con transistori Nel regolatore con resistenza e Zener quest'ultimo è collocato in parallelo al carico verso massa, e deve essere in grado di assorbire tutte le variazioni di corrente nel carico. Questo è uno schema di regolazione parallelo, come evidenziato in figura E2.1.11a). Per forti variazioni di corrente sarebbero necessari zener di elevata potenza, ed è preferibile passare a meccanismi di regolazione serie, come in figura E2.1.11b). Fig E2.1.11 Regolatore parallelo e regolatore serie Nel regolatore serie l'elemento variabile è un transistore (bipolare o FET), che può essere anche visto come come un emitter (o source) follower dallo zener verso il carico (figura E2.1.12). La variazione di corrente nello zener è ridotta, rispetto a quella nel carico, di in fattore pari al guadagno di corrente del transistore. Fig. E2.1.12 - Variazione di corrente nel carico e nello zener 9
Esempio E2.1.5 Regolatore con zener e transistore Dimensionamento di massima Tensione di uscita Vu = Calcolo di Sv Calcolo di Ru Usando il modello per piccolo segnale (il circuito è un emitter follower): Confronto con regolatore zener-transistore Come migliorare Sv 10
E2.1.7 Circuiti di regolazione con Amplificatore Operazionale Il regolatore serie può usare come elemento di controllo un amplificatore operazionale, che comanda l'elemento di regolazione (transistore serie). L'operazionale confronta la tensione di uscita (o una parte di essa) con una tensione di riferimento. Fig E2.1.13 Schema a blocchi di regolatore serie con AO Tutto il regolatore può essere realizzato in forma integrata, con solo 3 morsetti di connessione (Ingresso, Massa, Uscita). Questa è la struttura dei regolatori integrati commerciali. Fig. E2.1.14 Regolatore integrato (3 terminali) 11
E2.1.8 Potenza dissipata Nello Zener Nella resistenza serie Nel transistore o nel regolatore serie Limitazione di corrente Per evitare danni al regolatore la corrente massima in uscita viene limitata. La corrente viene valutata misurando la caduta di tensione su una resistenza. Nel circuito di figura E2.1.15 quando la tensione supera il valore di 0,6 V, il transistore Q2 drena corrente di base da Q1, limitandone la corrente di collettore. Fig. E2.1.15 - Limitatore di corrente 12
Esempio E2.1.6 Dimensionamento completo di un alimentatore con regolatore a 3 terminali commerciale. Dati: - tensione nominale richiesta sul carico - corrente minima e massima assorbita dal carico - tensione del secondario del trasformatore, frequenza - valore del condensatore di filtro - regolatore della serie 78xx Scegliere il regolatore Calcolare: - tensione continua e ondulazione all uscita del filtro - tensione continua e ondulazione all uscita del regolatore - variazione della tensione di uscita al variare della corrente nel carico - potenza massima dissipata dal regolatore - fusibile da inserire sul primario - rendimento complessivo dell'alimentatore 13