ISTRUZIONE PROFESSIONALE
© by Vittorio Crapella

ESERCITAZIONI - PRATICHE 2a - "OPERATORE ELETTRONICO"

ALIMENTATORE STABILIZZATO A TRANSISTORI
MODULO 3

PREREQUISITI:

1- Conoscenza delle leggi fondamentali dell'elettrotecnica 
   ( legge di Ohm, Relazione fra il valore efficace di 
   un'alternata  e il valore di picco).
2- Conoscere il funzionamento del diodo, 
   ponte di diodi, transistore.
3- Saper usare gli strumenti di misura come il tester 
   analogico, multimetro digitale ed oscilloscopio.

OBIETTIVI DA RAGGIUNGERE:

1- Capire il concetto di controllo mediante retroazione, 
   in questo specifico caso per ottenere la stabilizzazione.
2- Saper definire e dimensionare i valori dei componenti 
   minimi per un alimentatore stabilizzato a tensione variabile 
   da  3V ÷ 12V  con corrente massima di almeno 1A.
3- Saper realizzare, collaudare e rilevare le tensioni in 
   continua e in alternata nei punti fondamentali del circuito.

SCHEMA:

FUNZIONAMENTO:

Esaminando il circuito elettrico si osserva che la tensione d'uscita é praticamente quella di base di Q1 diminuita di due Vbe (Vbe di Q1 + Vbe di Q2). Ne consegue che variando la tensione di base di Q1 varia quella d'uscita. Con il potenziometro posso aumentare la Ib di Q3 se sposto il cursore verso + Vout sino a farlo condurre verso la saturazione cioè la sua Vce minima. Ma con Vce minima di Q3, diventa pure minima la Vb di Q1 e cioè quella d'uscita. Viceversa se il potenziometro viene ruotato verso R4 il Q3 tende all'interdizione cioè Vce max, di conseguenza Vb di Q1 massima e tensione di uscita pure massima. Supponiamo ora di avere regolato il potenziometro affinché la tensione di uscita sia 10V. Se la tensione di uscita dovesse tendere ad una variazione, dimostriamo che il circuito interviene cercando di annullare questa variazione. Se ad esempio, attaccando un carico all'uscita che assorbe corrente, la tensione + Vout tende a calare da 10 a 9,99V avremo che anche la Vbe del Q3 proporzionalmente cala. Il Q3 essendo collegato come amplificatore a emettitore comune, ne consegue che sul collettore la piccola variazione sulla Vbe si ripercuote con una variazione maggiore sulla Vce con fase rovesciata di 180 gradi. Se la Vbe tende a calare la Vce tende a salire, ma se sale la Vce di Q3 sale pure la Vb di Q1, salendo questa tende a salire pure quella di uscita annullando cosi o comunque limitando la variazione ipotizzata . Si ha dunque un fenomeno di reazione, di controllo che tende a stabilizzare la tensione d'uscita al valore scelto con la regolazione del potenziometro P1 mantenendolo pressoché costante sia a vuoto sia a carico. In realtà l'uscita non può rimanere senza variazione da vuoto a carico, perché altrimenti il BC113 non potrebbe intervenire e tendere a stabilizzare. Infatti il principio si basa sul fatto che deve avvenire una piccola variazione per intervenire e cercare di evitare ciò. Tanto più bassa sarà la variazione necessaria affinché il sistema di controllo intervenga meglio sarà la stabilizzazione.

DIMENSIONAMENTO:

Dovendo ottenere in uscita una tensione di 12 V sarà necessario avere in entrata, sul condensatore di livellamento, una continua più alta dei 12V di almeno 4/5 V, cioè circa 17V. Considerato che questi 17V corrispondono al valore Vp delle semionde livellate dal condensatore di livellamento, ne consegue che la tensione Veff in alternata prima del ponte di diodi dovrà essere Vp diviso radice di 2 cioè 12Vac. (Ricordarsi che in alternata se non si specifica altro si sottintende che il valore é efficace). Il valore della capacità di livellamento si può determinare praticamente con 2000/3000 micro-farad per ogni ampere che si vuole in uscita. Nel nostro caso, considerato 1A massimo, si sceglie 2200 microF con una tensione di lavoro superiore a 17V cioè almeno 25VL. Il ponte di diodi può essere realizzato con 4 diodi del tipo 1N5004 che sono in grado di sopportare ampiamente la corrente richiesta. Se si opta per un ponte già fatto si dovrà scegliere un B40C2200 , dove B40 significa che i diodi interni sopportano 40V massimi inversi mentre C2200 sono i milliA massimi di corrente sopportabile (2,2A). Il trasformatore dovrà avere un primario per 220V e un secondario di 12V con corrente di almeno 1A, in pratica un trasformatore di 15/20 VA va bene. Per ottenere la stabilizzazione dell'uscita si intende usare una regolazione con transistore in serie e si sceglie un 2N3055 (classico per questo uso). Essendo però questo un transistore di potenza, il suo coefficiente di guadagno beta sarà ipotizzabile attorno a 20/30, ne consegue che per avere una miglior regolazione é bene connettere in configurazione darlintong un altro transistore di media potenza tipo un 2N1711 con un ipotetico beta di circa 50. Da quanto sopra esposto deriva che con una corrente di uscita massima di 1A e una tensione massima 12V (peggiori condizioni ai fini della stabilizzazione), la corrente di base del 1711 dovrà essere 1000mA/20 x 50 = 1ma. In queste condizioni, la tensione di base del 1711 dovrà essere 12 + 0.62 + 0.7 = 13,32V. Il BC113 per lasciare salire la base del 1711 a circa 13.32V non é certamente in saturazione ma condurrà appena tanto quanto basta per far scorrere una corrente nel suo collettore che sommata a quella di base del 1711, passando nella R2 dovrà far cadere una tensione V=17- 13,32 = 3,68V. Ipotizzando che nel BC113 passi una corrente di circa 0,3mA, R2=V/I = 3,68/1,3 = 2830 Ohm (valore commerciale = 2K7). Per quanto sopra esposto Q3 dovendo condurre poco avrà una Vbe non superiore a 0,6V, cioè il potenziometro P1 dovrà essere non verso + Vout ma verso R4 tanto da avere in uscita 12V e cioè la tensione sul cursore del pot. sarà Ve + Vbe. Quando invece il potenziometro sale tutto verso +Vout la Vbe tende a salire e di conseguenza il transistore tende a saturare abbassando la tensione del suo collettore e di conseguenza sulla base del 1711, ma calando questa pure cala la Vout che diverrà la minima possibile. Allora se la Vout minima desiderata é di 3V, la Vb del 1711 srá 3+ 0,7 + 0,62 = 4,32V. Considerato che per una migliore regolazione il BC113 non deve lavorare in zona di saturazione, dovrà avere una Vce di qualche V dovremmo imporre una tensione su Ve del BC113 sotto i 2V. Dovendo essere questa fissa e il più possibile stabile ne consegue che ci vorrebbe un diodo zener di quel valore ma anche due diodi al silicio polarizzati direttamente fanno una caduta di 0,7 + 0,7 = 1,4V appunto sotto i 2V ipotizzati. Per polarizzare questi due diodi in serie ed avere una conduzione tale per avere 0,7 V a diodo, dovrà scorrere una corrente di decine di mA. Ipotizzando 30mA si ottiene R1=V/I= (17 - 1,4)/30 = 15,6 /30 = 0,52 K Ohm (valore commerciale 560 Ohm). Quando il potenziometro é girato tutto verso R4 , Q3 tende a interdirsi cioè Vout Max e la Vb del BC113 minima che si può ipotizzare Vb = Ve + Vbe = 1,4 + 0,6 = 2V. Se la corrente che scorre in R4 e P1 e >> della Ib del BC113, quest'ultima diventa trascurabile e il calcolo sia di P1 che di R4 diventa facile applicando la legge di Ohm. Per soddisfare quanto appena detto é sufficiente ipotizzare 10ma di corrente in P1 e R4. R4 = V/I = 2/10 = 0,2 Kohm = 200 Ohm (valore commerciale 150 Ohm). Da quanto esposto precedentemente risulta che con una Vb del BC113 = 2V (cioè potenziometro verso R4 ), si ha in uscita circa 12V pertanto ai capi del potenziometro avremo 12 - 2 = 10V , P1 = V/I = 10/10 = 1K Ohm. R3 poteva anche essere omessa perché non indispensabile ai fini del funzionamento vero e proprio, ma é bene inserirla ai fini di una limitazione della Ib nel caso in cui, per un guasto (esempio Q2 in corto), la tensione d'uscita dovesse salire alla massima e il potenziometro fosse girato tutto verso + Vout. C2 e C3 servono ad eliminare ulteriormente il residuo di alternata sulla tensione di uscita. Infatti R1 C2 formano una cella passa basso di filtro, alimentando la base di Q1 e il collettore di Q3 con una tensione più livellata, mentre C3 riporta sulla base di Q3 l'eventuale residuo di alternata dell'uscita amplificandolo e invertendolo di fase in modo che applicato alla base di Q1 tende ad annullare l'eventuale alternata presente in quel punto e cioè tende a diminuire quello di uscita.

SCHEDA DI LAVORO:

1)- Realizzare il montaggio su basetta mille fori curando la disposizione
    dei componenti e le saldature;

2)- Predisporre il trasformatore allacciato alla rete 220V
    [ ATTENERSI ALLE NORME DI SICUREZZA  INERENTI LA TENSIONE DI RETE ];

3)- Verificare la tensione ai morsetti +/- di uscita e controllare che
    ruotando il potenziometro vari da circa 2V a 16V;

4)- Misurare con multimetro e annotare le tensioni in tutti i punti del
    circuito con potenziometro regolato per una Vout minima;

5)- Come al punto 4 ma con Vout massima;

6)- Ripetere le operazioni del punto 4 e 5 misurando e annotando le tesnioni
    di ripple mediante l'uso dell'oscilloscopio (Vac);

7)- Attaccare ai morsetti d'uscita una resistenza di carico da 10 Ohm / 5W
    e ripetere le operazioni del punto 4 e 6 per una Vout di 7V;

8)- Ricavare la resistenza interna dell'alimentatore nella condizione 
    del punto 7 (Vout=6V e Rc=10 Ohm);

9)- Commentare con relazione scritta i risultati ottenuti con particolare 
    riferimento alla variazione di tensione sul condensatore di livellamento
    e ai morsetti d'uscita con e senza carico.

Alimentatore switching

Progetto didattico alimentatore gestito con ST6 di Matteo Mortaro