CB CLUB PALMANOVA & RADIOAMATORI Lo stadio di alimentazione funzionamento, progettazione e realizzazione

Quando di parla di alimentazione… Ogni apparato elettrico ed elettronico abbisogna di un’adeguata alimentazione elettrica per il suo corretto funzionamento; situazione non sempre corrispondente agli standard di distribuzione della rete elettrica. In Europa la rete distribuisce una tensione alternata con valore efficace di 220 V a 50 Hz ed una tolleranza del 10% sul valore di tensione. Il simbolo dell’alternata è visibile qui sotto

Lo stadio di alimentazione… All’interno degli strumenti elettronici una specifica sezione è incaricata di fornire i giusti livelli di tensione ai circuiti, si tratta dello “stadio di alimentazione” detto anche “alimentatore”. Oggetto di questa semplice presentazione è quello di descrivere in generale il suo funzionamento e permettere anche la progettazione e la realizzazione di semplici ma efficienti alimentatori da parte di neofiti.

Il valore “efficace” Si differenzia dal valore di picco, cioè il suo valore massimo, perché è di valore più basso per la misura della radice quadrata di 2. Il valore efficace di una tensione elettrica alternata corrisponde alla tensione misurata con gli strumenti correntemente in nostro uso (voltmetro, tester….). In altre parole: una tensione alternata sinusoidale di valore efficace 220V, avrà un valore massimo dato da: Vmax = Veff. √2 = 220 x 1,4142 = 311,12 V Tale valore è misurabile con un oscilloscopio.

La tensione giusta…. Salvo il caso di apparati elettrici strutturati per il funzionamento diretto in rete (lampadine, motori, ecc..), specialmente nel caso di strumenti elettronici, bisogna adeguare la tensione di rete trasformandola con valori solitamente più bassi, raddrizzandola da alternata a continua, filtrandola ed, infine, stabilizzandola da eventuali variazioni date dalle tolleranze di distribuzione (10% su 311 V !!!) e dai cosiddetti “sbalzi” di tensione, cioè improvvisi aumenti o cali di tensione di durata breve, dovuti a variazioni di carico applicato alla rete di distribuzione.

trasformazione La prima fase è, come detto, quella di trasformazione, cioè nella maggior parte dei casi la riduzione nei valori di tensione (salvo alcuni casi di aumento che verranno trattati alla fine). Questa fase può essere svolta da un trasformatore elettrico oppure da un sistema switching.

Il trasformatore elettrico è costituito da due bobine accoppiate magneticamente nel senso che il campo elettromagnetico creato dalla prima (primario) viene “catturato” (indotto) dalla seconda (secondario) che, quindi, “genera” una tensione sostanzialmente proporzionale al rapporto tra le spire con quelle del primario. In questo modo, il trasformatore può essere riduttore oppure elevatore di tensione. Punti a loro favore: robustezza; non creano e sono insensibili alle interferenze radio; Punti a loro sfavore: costo; peso; dimensioni.

I trasformatori switching sfruttano dei particolari componenti elettronici (TRIAC, SCR) come fossero degli interruttori (switch). In questo modo, tramite un circuito di controllo, attaccano e staccano il carico alla rete al raggiungimento della tensione prefissata. Senza entrare nel dettaglio, immaginiamo di trasformare la sinusoide in un onda rettangolare i cui picchi verranno successivamente raddrizzati, filtrati e stabilizzati. La larghezza dei picchi determinerà il valore della tensione media d’uscita.

Si segnalano, tuttavia, i punti a loro: FAVORE Non è possibile in questo semplice compendio spiegare nel dettaglio il funzionamento degli alimentatori switching data la loro complessità. Si segnalano, tuttavia, i punti a loro: FAVORE Estrema leggerezza e dimensione contenuta; Costo nel complesso contenuto; Elevata efficienza tra energia consumata e quella resa. SFAVORE Creano radio interferenze e possono ricevere interferenze da forti segnali radio; Sono delicati a picchi di tensione e scariche elettrostatiche; Spesso non isolano perfettamente la “rete 220V” con l’uscita; Difficoltà nella loro progettazione. Questo compendio, pertanto, si concentrerà nell’esposizione di stadi di alimentazione che utilizzano trasformatori elettrici.

…da alternata a pulsante ! Dopo aver ridotto i valori di tensione a valori vicini a quelli a noi necessari, passiamo alla fase di raddrizzamento dell’onda sinusoidale (trasformatore elettrico). Il più semplice circuito, sopra raffigurato, utilizza un solo diodo, il quale lascerà “passare” solamente una semionda…. avremo quindi in uscita una tensione pulsante molto “sporca” e non sfrutteremo appieno la tensione in uscita dal trasformatore.

Per migliorare l’efficienza e sfruttare appieno tutte e due le semionde in uscita dal trasformatore, abbiamo bisogno di quattro diodi collegati “a ponte” così da raddrizzare tutta la sinusoide. La tensione in uscita è detta “pulsante” ed il suo segno distintivo è quello a fianco riportato

Filtriamo la “pulsante”…. L’operazione successiva è quella di filtraggio, in questa fase vogliamo ottenere una forma d’onda il più simile possibile a quella della tensione continua, limitando anche le interferenze radio. La tensione media d’uscita sarà di valore superiore a quello efficace d’uscita del trasformatore, molto vicino al suo valore di picco. Da ora possiamo considerare la nostra tensione come continua, il suo segno è quello a fianco riportato =

….il ripple Un valore che fornisce la bontà di un alimentatore è il valore di “ripple”. Si stratta del valore che misura l’ampiezza dell’oscillazione residua dopo l’operazione di filtraggio prima descritta, quando il carico è applicato all’alimentatore. Tanto più il valore di ripple è alto, tanto meno buono è il nostro alimentatore. Ne consegue che l’alimentatore ideale non ha ripple. Ovviamente, se parliamo di una tensione pulsante, il valore di ripple è uguale al valore della tensione di picco!

Lo stabilizzatore Lo stabilizzatore viene considerato il cuore dello stadio di alimentazione anche se, come prima detto, in realtà non è il solo ad avere importanza fondamentale. In questa ultima fase, la tensione filtrata, che possiamo considerare “tensione continua”, viene portata al livello giusto e mantenuta stabile anche al variare del carico.

Questa situazione è praticamente impossibile (pensiamo ad un ricevitore che improvvisamente riceve un segnale da riprodurre in altoparlante, oppure ad un RTX che passa dalla ricezione alla trasmissione) e non tiene conto delle variazioni e sbalzi nella tensione di rete. Nel circuito sopra, sappiamo che la tensione viene ripartita tra le due resistenze, quindi la tensione su R2 è data da: vR2 = V – vR1 In questa situazione, sarebbe quindi facile calcolare il valore di R1 necessario per fornire la giusta tensione ad R2, sempreché non vi sia alcuna variazione di carico (R2).

Il diodo ZENER Ci viene in aiuto uno speciale diodo che ha la particolarità di condurre anche se è polarizzato inversamente, se ai suoi capi è presente una tensione superiore a quella di ZENER, sua caratteristica fondamentale. Questa sua caratteristica viene sfruttata per regolare una tensione che diventa pressoché stabile ai suoi capi entro un range di corrente interna, oltre il quale c’è la rottura del componente.

Per aumentare la corrente disponibile, faremo ricorso ad altri semiconduttori: i transistor.

…amplificare l’errore! Giungiamo quindi alla progettazione di un circuito che dispone anche di finali di potenza in parallelo, un pilota con collegamento in Darlington ed un amplificatore d’errore che preleva la tensione d’uscita per effettuare delle correzioni nell’eventualità che la stessa abbia delle modifiche dovute al carico eccessivo, compensando quindi automaticamente le variazioni.

Semplifichiamo un po’…. Abbiamo visto che ora il nostro circuito inizia ad avere una configurazione abbastanza complessa, dovuta sostanzialmente al fatto che abbiamo utilizzato fino ad ora dei componenti detti “discreti”. Ora passiamo ad un utilizzo di componenti integrati, conosciuti anche come “circuiti integrati” (detti IC dall’inglese Integrated Circuit), cioè veri e propri circuiti che utilizzano componenti discreti ma che sono stati miniaturizzati in fabbrica. Circuiti completi che escono dalla fabbrica per un uso specifico, contenuti in un singolo componente elettronico (chip).

78…. 79…. Il principe degli integrati, utilizzato per costruire alimentatori a tensione fissa, riporta la sigla 78xx ove “xx” è la sua tensione d’uscita nominale. Esempi sono: 7805 fornisce una tensione di 5 Volt, 7812 fornisce una tensione di 12 Volt… Il suo fratello 79xx è la versione per il collegamento a massa positiva e funziona nel medesimo modo ma con polarità invertita rispetto al 78xx. (sopra vedete lo schema interno di un 78xx!!!)

Varie sigle, varie case…stesso risultato! Molte tipologie di circuiti integrati, e tra questi anche quelli della serie 78xx, sono prodotti da molte case produttrici e, da loro, prendono una sigla leggermente differente sebbene le caratteristiche fondamentali siano identiche. Esempi sono: LM7812 prodotto dalla Fairchild Semiconductors L7812 prodotto dalla ST Micro Electronics uA7812 prodotto dalla Texas Instruments…..

Schema tipico alimentatore con 78xx Questo è il circuito di un alimentatore stabilizzato a 5 V (7805). Si noti che la tensione d’ingresso è superiore a quella d’uscita per almeno 4 V, essenziali per il funzionamento dell’integrato 78xx!!

Ad ogni misura, la sua taglia! A seconda delle correnti massime erogabili (consultare comunque il datasheet del produttore), si utilizzerà: 78xx TO220 1-1,5A 78Lxx TO92 0,1-0,15A 78xxK TO3 1,5-3A In merito alla tensione caratteristica, a seconda della casa di produzione del componente, possono esservi diverse opzioni. Le sigle correntemente usate sono: 7805, 7806, 7808, 7810, 7812, 7815, 7818, 7824.

Modifichiamo la tensione o la potenza di un 78xx… In realtà non possiamo modificare la sua tensione ma solo “ingannare” l’integrato per ottenere una tensione diversa. Per far questo, è sufficiente dare una tensione “di riferimento” al piedino di “massa” dell’IC, come nell’esempio riportato. L’integrato, infatti, fornisce la sua tensione caratteristica “rispetto alla sua massa”! Il transistor, pilotato dall’integrato, ci permetterà di usare potenze più alte ma con una caduta di tensione fissa di 0,6V (Vbe).

Altri integrati regolatori L’ LM317 è un altro integrato che ci permette di costruire facilmente un alimentatore stabilizzato con tensione d’uscita regolabile, esempio qui sotto:

L’L200 è un altro regolatore, utile per costruire alimentatori variabili.

L’ LM723 è un altro famosissimo stabilizzatore…. Ve ne sono ovviamente altri!!!

Aumentare la tensione… Non volendo trattare nel dettaglio sulle tecniche per elevare la tensione, si riportano, comunque, tre modalità normalmente utilizzate per tale scopo: Tramite trasformatore elettrico (in questo caso il secondario ha molte spire rispetto al primario); viene usato nei convertitori 12 Vdc-220Vac Tramite tensione autoidotta su una bobina. E’ risaputo, infatti, che un solenoide “accumula” al suo interno una corrente che rilascia al momento in cui viene meno la sua alimentazione, dando origine ad una scarica contraria. Un esempio tipico è la “bobina” usata per far scoccare la scintilla in una candela nel motore a scoppio. Funziona, quindi, con un alimentatore tipo switching (ad interruttore, esempio le puntine platinate del motore a scoppio….); Tramite carica sequenziale di condensatori (esempio fulminainsetti).

….bloccare la RF ! Per ultimo, ma non meno importante per chi si occupa di ricetrasmissione, è opportuno chiarire che anche questo stadio dell’apparecchiatura elettronica può essere soggetto ad interferenze da RF (radio frequenza), ovvero potrebbe essere il veicolo di propagazione di perdite RF da parte dell’apparecchiatura collegata (o degli stadi successivi). Risulta doveroso, quindi, che in fase di progettazione siano previsti opportuni accorgimenti tecnici quali: Schermatura (racchiudendo i circuiti in contenitori metallici collegati a massa); Filtraggio (mediante comuni filtri passa basso, realizzati con condensatori ed impedenze… famosa è la VK200); Collegamento delle masse a terra per scaricare RF (ed eventuali correnti elettrostatiche).

Il CB Club Palmanova & Radioamatori vi ringrazia per l’attenzione prestata - presentazione di iw3sip -