Un alimentatore può essere schemattizzato come la parte contenuta nel riquadro azzurro della fig.1.a

Possiamo scrivere :

E=r_ì I_c + R_c I_c  ;

 dove R_c è il carico, r_i la resistenza interna ed I_c la corrente.

In un alimentatore ideale risulta r_ì = 0  ed è rappresentato dalla curva 1 di fig. 1. b, un alimentatore reale è invece rappresentato dalla curva 2 di fig. 1.b.

DV = (E-Vc) / V_c rappresenta la percentuale di stabilità della tensione che in certe situazioni è necessario rendere più piccola possibile.

Talvolta è necessario cioè  ottenere una tensione stabile evitando che essa vari eccessivamente al variare sia del carico e/o  della tensione di alimentazione.

Ciò è possibile mediante opportuni circuiti di stabilizzazione.

Tali circuiti devono essere in grado, pertanto,  di stabilizzare la tensione in uscita sia quando si verificano  variazioni di carico che variazioni della tensione di alimentazione.

Il circuito di fig.2  rappresenta una possibile soluzione del problema.

Il diodo fa passare la corrente solo quando V_i diventa maggiore o uguale a V_z e mantiene costante la tensione al valore V_z che abbiamo assunto come valore di stabilizzazione.

Se V_i è maggiore di V_z comunque vari il carico, V_C rimane sempre uguale a V_z;

Se V_i diventa minore di V_z non è più possibile stabilizzare la tensione di uscita al valore di V_z;. 

 

Questo fatto è  evidente ma ha poca importanza perchè, per una buona stabilizzazione   la tensione  V_i  è,  di solito,  pari a 1,5 , 2 volte la V_c; la   V_imin    sarà pertanto sempre maggiore di V_Z. .

Questo circuito presenta aspetti che ne limitano l'uso solo ad applicazioni che hanno assorbimenti costanti e modesti infatti la massima escursione ammessa per la correnta di uscita risulta piuttosto ridotta..

 

 ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO ;

Il circuito di fig.3  rappresenta una possibile soluzione del problema non l'uso di un transistor in parallelo al carico con  V_{c =} V_z + V_BE .

Vediamo come funziona il circuito.

Supponiamo che il carico rimanga costante e che vari la tensione di alimetazione:

Se nella tensione di alimetazione si verifica un  aumento,  questo viene compensato da una aumento della caduta di tensione ai capi di R con un aumento di  I_R, un aumento di  I_B e di  I_T; poichè V_Z e  V_BE  rimangono costanti deriva che  I_C e  V_C rimangono costanti.

Un aumento di Vi non determina pertanto nessuna conseguenza sulla tensione di uscita V_C.

Analogo ragionamento può farsi se si verifica una diminuzione della tensione di alimentazione.

Supponiamo ora che  la tensione di alimentazione rimanga costante e che  il carico vari:

Se V_c diminuisce  V_BE diminuisce I_B ed I_T diminuiscono  I_C aumenta è ciò porta ad una aumento di V_c che si stabilizza al valore voluto.
Se V_c aumenta  V_BE aumenta I_B ed I_T aumentano  I_C diminuisce è ciò porta ad una diminuzione  di V_c che si stabilizza al valore voluto.

Il circuito di fig.4  rappresenta un' altra possibile soluzione del problema con l'uso di un transistor in serie al carico con Vz = V_BE + V_c.

Vediamo come funziona il circuito.

Supponiamo che il carico rimanga costante e che vari la tensione di alimetazione:

Se nella tensione di alimetazione si verifica un  aumento, ciò determina un aumento della corrente che circola in  R e nel diodo Zener; il diodo zener assorbe la sovracorrente ma tiene tiene costante la tensione del punto B; la corrente Ib non varia e così la Ic e quindi la Vc.

Un aumento di Vi non determina pertanto nessuna conseguenza sulla tensione di uscita Vc.

Analogo ragionamento può farsi se si verifica una diminuzione ( non al di sotto della Vz) della tensione di alimentazione.

Supponiamo ora che  la tensione di alimentazione rimanga costante e che  il carico vari:

Se V_c diminuisce  V_BE aumenta,I_B aumenta   I_C aumenta  ; ciò porta ad un aumento di V_c che si stabilizza al valore voluto.
Se V_c aumenta  V_BE diminuisce, I_B diminuisce, I_C diminuisce è ciò porta ad una diminuzione  di V_c che si stabilizza al valore voluto.

 Anche i circuiti  di stabilizzazione di cui alle fig.3 e fig.4  hanno delle limirtazioni  e di solito si ricorre a soluzioni più complesse utilizzando un sistema di controllo in catena chiusa, cioè un sistema che utilizzando la reazione negativa permette di mantenere la grandezza di uscita in un rapporto determinato con un valore di riferimento.

La fig.5 ci fa comprendere questo concetto:

V_c è la grandezza di uscita, il partitore R₃,R₄ rappresenta il blocco di reazione ai cui capi è applicata V_c; V_R4,  proporzionale a V_c, viene applicata alla base del T₂ (nodo di confronto) il cui emettitore è collegato al catodo del diodo Zener che mantiene fissa ai suoi capi il valore della tensione di riferimento.

All'uscita (collettore) c'è il segnale di errore che viene iniettato nella base del transistor T₁ che rappresenta il dispositivo di potenza.

Vediamo come funziona il circuito:

supponiamo costante il carico e facciamo variare in aumento o diminuzione la tensione di alimentazione.

Aumento della tensione di alimentazione:

Chi comanda è la tensione di Zener che non varia, non varia neanche V_BE2.

Da ciò consegue che Vc rimane costante.  

Diminuzione della tensione di alimentazione:

Chi comanda è la tensione di Zener che non varia, non varia neanche V_BE2.

Da ciò consegue che Vc rimane costante. 

Supponiamo ora la tensione di alimentazione costante a facciamo variare Vc.

Aumento di V_c:

Se aumenta V_c aumenta V_R4 , poichè V_z rimane costante aumenta V_BE2 e con lei I_c2  e conseguente diminuzione di I_B1; I_R2 infatti rimane costante.

Se diminuisce I_B1 diminuisce anche I_c  e quindi diminuisce V_c riportandola al valore voluto.

Diminuzione di V_c:

Se diminuisce V_c diminuisce V_R4 , poichè V_z rimane costante diminuisce V_BE2 e con lei I_c2  con conseguente aumento di I_B1; I_R2 infatti rimane costante.

Se aumenta I_B1 aumenta anche I_c  e quindi aumenta V_c riportandola al valore voluto.

Il transistor T₁ è un elemento di potenza ; il valore di H_fe dei transistori di potenza non è tanto alto ed a questo fatto corrisponde una ridotta sensibilità di regolazione.

Per aumentare H_fe possiamo sostituire il T₁ con due transistor collegati in Darlington.

Questo sistema di stabilizzazione presenta il vantaggio  rispetto agli altri su esaminati che la tensione di uscita presenta una dipendenza meno marcata dalla tensione del diodo Zener essa infatti dipende anche dal partitore.

 

L'integrato LM317 può accettare all'ingresso tensioni fino a 100 Volt; l'importante è che la differenza fra la tensione applicata all'ingresso e quella prelevata all'uscita non sia maggiore di 40 Volt.

L'integrato introduce una caduta di tensione chiamata "Drop out Volt" pari a 3 Volt; ciò significa che se la tensione di entrata è, per esempio, di 25 Volt quella di uscita non può superare i 22 Volt.

La minima tensione di uscita dell'integrato è di 1, 25 Volt.

La massima corrente che l'integrato può erogare è di  1, 5 A se dotato di aletta di raffreddamento altrimenti non supera i 0,5 - 0,7 A., se infatti l'integrato si surriscalda, superati questi valori,  entra in funzione la protezione che toglie tensione sull'uscita.

La massima potenza dissipabile con aletta di raffreddamento è di 15 Watt.

Per  aumentare la massima corrente erogabile si può aggiungere un transistor di potenza come indicato in rosso nella fig.6.

Il transistor da aggiungere è PNP  di potenza ( per esempio 2N9005).

Il ripple ottenibile coll'integrato è 10.000 volte inferiore della tensione stabilizzata; se cioè la tensione stabilizzata è di 15 Volt il ripple è di 15 /10.000  (insignificante).

Allora ricapitolando possiamo dire che :

Se, per esempio, la tensione all'ingresso è di 60 Volt quella in uscita può essere regolata da un minimo di 20 Volt (60 - 40) ad un massimo di 57 Volt(60 - 3).

Se all'ingresso la tensione è di 12 Volt quella in uscita può essere regolata fra un minimo di 1, 25 Volt ed un massimo di 9 Volt (12 - 3).

Lo schema base di uno stabilizzatore di tensione che utilizzi l'integrato LM317 è quello di fig.6.

I valori degli elementi passivi sono indicati in  fig.6 .

Per quanto riguarda il calcolo di R2 si procede in questo modo:

• R2= ((Volt out / 1,25)-1 )x 220

Il valore della tensione di uscita (Volt out) è pari a quello della tensione di ingresso  (Vin) - 3 Volt (Dropout)

Quindi se all'ingresso ho, per esempio, 40 Volt il valore di R2 sarà:

• R2= ((37/1,25)-1)x220 = 6.292 Ω

se voglio ottenere una tensione in uscita variabile basta sostituire   la resistenza fissa R2    con un potenziometro da 6.292 Ω. 

I due diodi IN4007 proteggono l'integrato durante lo  scarico degli elettrolitici  da 10 μF e da 100 μF in fase di spegnimento.