| Qui di seguito lo schema completo dell' alimentatore variabile che utilizza un LM317 e 2 transistor MJ4502 per aumentare la corrente erogata.
Lo schema si può dividere in 3 sezioni; quella rossa riguarda il vero e proprio alimentatore stabilizzato, quella blu in basso invece è un alimentatore che utilizza un piccolo trasformatore da scheda e gli integrati della famiglia 78 (7812 e 7805) con il compito di fornire rispettivamente i 12 Volt al relè del circuito di protezione dai corto circuiti e 5 Volt utili ad esempio per il funzionamento di un voltometro digitale funzionante con gli integrati CA3161E e CA3162E. La sezione verde è la protezione dai corto circuiti che verrà esposta più avanti.
Per il circuito principale ho impiegato un trasformatore toroidale che avevo a disposizione con doppio secondario a 12 Volt e 120 Watt di potenza; unendo pertanto i secondari ho ottenuto un uscita a 24 Volt in corrente alternata con corrente massima di 5 A (120W / 24V = 5A). Tale tensione una volta radrizzata dal ponte da 25A (1,4 è la caduta di tensione dovuta al ponte raddrizzatore) e filtrata dai condensatori C1/2/...6 diventa all' incirca di 32 Vdc. Per la regolazione della tensione di uscita viene utilizzato l'integrato LM317 del quale viene riportata la formula per il calcolo (nel datasheet del componente LM 317 oltre a tale formula sono presenti anche importanti accorgimenti di cui tener conto per ottenere le massime performance dal circuito).
 |
Tensione alternata in ingresso allo stabilizzatore (Vac uscita trasformatore) |
 |
Tensione radrizzata e livellata in ingresso (Vdc) |
 |
|
 |
Caduta minima tra ingresso ed uscita del regolatore "vedi datasheet" |
 |
Tensione massima in uscita dal regolatore |
 |
|
 |
Corrente di regolazione "vedi datasheet μA" (A) |
 |
|
 |
|
 |
Resistenza che deve avere il potenziometro per ottenere la massima tensione disponibile |
 |
Il potenziometro dovrà essere da 4838 ohm (nello schema sopra ho scelto R5 = 5k) |
 |
Impostazione di R5 da 0 a 5000 ohm per ottenere il grafico della tensione d'uscita |
 |
Funzione per il calcolo della tensione di uscita del regolatore in base ad R5 |
 |
Corrente massima che dovrà erogare l'alimentatore |
 |
Potenza che dovrà dissipare il circuito in funzione di R5 (e quindi della tensione d'uscita) |
Nel grafico qui sotto viene riportata la tensione di uscita dell' alimentatore (linea rossa) per valori variabili da 0 a 5000 ohm del potenziometro R3 di regolazione e la relativa potenza che dovrà essere dissipata dal transistor (linea arancione) per fornire in uscita la corrente richiesta Iout. La potenza da dissipare risulta un fattore piuttosto critico e di particolare importanza in fase di progettazione pertanto ho esposto le dovute considerazioni in una pagina a parte raggiungibile dal seguente link: Dimensionamento dissipatori transistor.
 |
Le 2 resistenze R2 ed R3 in serie all' emettitore dei transistor MJ4502 sono resistori di bilanciamento da 0.1 ohm; aumentando il valore di queste resistenze si rischia di provocare una caduta di tensione elevata sull' emettitore dei transistor e quindi una differenza di potenziale troppo piccola tra emettitore e base tale da non consentire la saturazione dei transistor stessi e quindi facendo erogare troppa corrente al regolatore LM317 con il conseguente surriscaldamento del componente. Allo stesso modo R4 ha la funzione di provocare una caduta di tensione quando viene richiesta corrente dal regolatore LM317 in questo modo causa un innalzamento della differenza di potenziale tra emettitore e base degli MJ4502 mandandoli in saturazione.
 |
|
 |
Resistenza da interporre tra base ed emettitore del transistor MJ4502 per causare una caduta di tensione di circa 0,7 volt utile a portarlo in conduzione quando il regolatore assorbe 0,4 Ampere |
 |
Per entrare in conduzione il transistor deve avere una caduta di tensione tra emettitore e base di 0,7 Volt. |
 |
Quindi il regolatore dovrà assorbire 70mA |
 |
? |
 |
? |
 |
?!!!!!! |
 |
?!!!!!! |
 |
? |
 |
? |
 |
 |
Veniamo ora al circuito di protezione dai corto circuiti che utilizza un operazionale in configurazione di comparatore con isteresi chiamato anche trigger di schmitt per attivare un relè nel caso in cui avvenga un cortocircuito ossia quando rilevi una tensione al di sotto di una certa soglia (circa 1 Volt) tra ingresso e massa. Qui di seguito i calcoli per il dimensionamento dei componenti; faccio notare che 36 Volt è anche il limite di funzionamento per l'alimentazione dell' 'operazionale CA3140 bisogna tenere presente infatti che la tensione in ingresso varia in base al carico in uscita, da una rilevazione condotta con alimentatore in funzione dai 24 Vac teorici sul secondario del toroidale ho rilevato 26,9 Vac a vuoto e 23,75 Vac con un carico di circa 3A; l'uscita alta e bassa dell' operazionale rispettivamente a 36 e 0 Volt sono state impostate per semplicità quando invece nella realtà differiscono seppur di poco; il CA3140 infatti non è un operazionale rail to rail. Il valore R11 è stato scelto a priori; è un valore intermedio che non presenta elementi critici.
 |
Alimentazione singola dell' operazionale CA3140 |
 |
Uscita alta dell' operazionale (ipotetica !) |
 |
Uscita bassa dell' operazionale (ipotetica !) |
 |
Soglia superiore del trigger |
 |
Soglia inferiore del trigger |
 |
Valore ipotetico scelto per R11 |
 |
Valore ipotetico calcolato di R10 |
 |
|
 |
Valore ipotetico calcolato di R12 |
 |
|
 |
Valore standard in commercio scelto per R11 |
 |
Valore standard in commercio scelto per R10 |
 |
Valore standard in commercio scelto per R12 |
 |
Soglia superiore calcolata con i resistori scelti |
 |
|
 |
Soglia inferiore calcolata con i resistori scelti |
 |
|
 |
Al posto di R11 33k scelgo R11 22k e aggiungendo in serie il trimmer R11T 22k; imposto quindi la variabile R11X che va da 22k a 44k per verificare le soglie di intervento. |
 |
|
 |
|
 |
Si nota chiaramente che cambiando l' R11 33k in una resistenza da 22k e aggiungendo un trimmer R11T 22k è possibile regolare la soglia di intervento del trigger da circa 0,9 Volt a circa 1,6 Volt (linea blu nel grafico sopra); ciò consente di regolare la protezione con precisione poco al di sotto della minima tensione fornibile dall' integrato LM317; la soglia superiore (linea rossa nel grafico sopra) non è di alcuna importanza in quanto una volta scattata la protezione da cortocircuito non c'è alcun interesse che il trigger la rilevi e pertanto l'ho lasciata ad un livello piuttosto elevato in modo da escludere qualsiasi tipo di incertezza. Qui sotto riporto lo schema circuitale del trigger di schmitt appena dimensionato predisposto per l'analisi con PSpice.
La tensione di alimentazione dell' operazionale è di 36 volt e la simulazione viene eseguita fornendo in ingresso al trigger un onda sinusoidale che rappresenti all'incirca il campo di regolazione dell'alimentatore variabile; RX è una resistenza fittizia che andrà sostituita nel circuito reale con un relè.
La simulazione con PSpice del circuito sopra è visualizzata di seguito:
La sinusoide verde rappresenta il campo di regolazione dell' alimentatore variabile da 1,2 a 30 Volt e quindi il segnale in ingresso al trigger di schmitt; si nota chiaramente che non appena tale tensione scende al di sotto della tensione di riferimento (vedi linea rossa) l'operazionale porta la propria uscita da circa 0 volt a pressochè la tensione massima di alimentazione (vedi linea blu) spostando in questo modo anche la tensione di riferimento verso l'alto; viene pertanto sfruttata la configurazione di comparatore di tensione con isteresi per rendere immediata e sicura la protezione del circuito; infatti la tensione in ingresso dovrà risalire sopra i 5 volt per portare nuovamente l'uscita dell' operazionale a circa 0 Volt. La linea gialla che rappresenta l'alimentazione del relè ovviamente è a 0 quando la bobina è in tensione, questo perchè nello schema ho sostituito il relè con una resistenza e pertanto quando il transistor si comporta come un interruttore chiuso, il nodo sotto test viene cortocircuitato a massa. Qui sotto il dettaglio dello schema del circuito di protezione da corto circuiti:
La tensione dallo stabilizzatore arriva al pin 6 del relè tramite il fusibile F1 e continua sul connettore J3 di uscita connesso al pin 4 del relè. In condizioni normali il relè è diseccitato e la tensione d'uscita viene portata in ingresso al comparatore grazie al pin 3 e 5 (NC) del relè. Supponendo ora che avvenga un cortocircuito sulle boccole di uscita la linea VSENS si porterà immediatamente a 0 Volt poichè cortocircuitata a massa ed essendo collegata all' ingresso invertente del trigger di schmitt porterà l'uscita dell' operazionale a livello alto polarizzando il transistor che si comporterà come un interruttore chiuso attivando in questo modo il relè; da ciò scatturisce che la linea di uscita verrebbe immediatamente interrotta poichè il pin 6 del relè LS1 scambierebbe dal pin 4 al pin 8 togliendo tensione all' uscita e quindi anche alla linea VSENS stessa; anche nel caso in cui il cortocircuito venisse eliminato e la tensione d' uscita portata alla soglia superiore del trigger, l'alimentatore rimarrebbe quindi scollegato dal carico. Il relè essendo a doppio scambio ora si trova nella condizione in cui il pin 5 è connesso al pin 7 pertanto premendo il pulsante di RESET connesso all' alimentazione dell' operazionale porterà in ingresso al trigger tramite la resistenza R7 una tensione sufficientemente alta da portare a livello basso l'uscita dell' operazionale togliendo in questo modo la tensione alla bobina del relè che chiuderà nuovamente il contatto tra pin 6 e pin 4 ripristinando l'uscita dell' alimentatore. Il cambio di stato del relè tuttavia non è abbastanza veloce soprattutto raffrontato alla velocità con cui l'operazionale è in grado di intervenire in caso di tensione bassa sulla linea VSENS; per essere più chiari supponiamo che il pin 5 e 7 del relè siano connessi e che venga premuto il pulsante di RESET; la tensione sulla linea VSENS si porterebbe ad un livello tale da far intervenire il trigger e quindi il relè stesso che però al momento di scattare toglierebbe la tensione che arriva dal pulsante in quanto aprirebbe il contatto pin 5 e 7 del relè e non sarebbe sufficientemente veloce a chiuderlo tra pin 5 e 3 prima che intervenga nuovamente il trigger a causa dei temporanei 0 Volt sulla linea VSENS (praticamente il contatto del relè vibrerebbe). Per ovviare a tale inconveniente ho aggiunto il condensatore C12; in questo modo premendo il pulsante di RESET, C12 viene caricato e fornisce la tensione in ingresso al trigger per il tempo necessario al relè per effettuare lo scambio tra i contatti. In caso di cortocircuito inoltre C12 non pregiudica minimamente la reattività della protezione in quanto verrebbe scaricato all' istante. |
