Alimentatore variabile

I progetti visti fino ad ora ci permettono di realizzare un alimentatore a tensione fissa quindi con uscita ad un valore di tensione prefissato, ad esempio 5V o 12V.

Però molto spesso in elettronica necessitiamo di una tensione, con valore impostabile a nostro piacimento, e necessitiamo pure di poter modificare in ogni momento, il valore di questa tensione.

Ecco allora che ci vengono in aiuto gli alimentatori a tensione variabile, ovvero alimentatori dove è possibile modificare il valore della tensione di uscita, semplicemente agendo su un selettore o potenziometro.

Uno dei componenti più utilizzati per svolgere questa funzione, è il regolatore lm317, del tutto simile ai regolatori lm7805 e lm7812 visti nei progetti precedenti, ha un pin di ingresso, un pin di uscita, ma a differenza dei regolatori fissi, il terzo pin si chiama Adj, ed è il pin che ci permette appunto di regolare la tensione di uscita.

Lm317_0.png

Il suo utilizzo è abbastanza semplice, sopra possiamo vedere lo schema semplificato, con i 2 condensatori in ingresso ed uscita consigliati dal costruttore, e le 2 resistenze, dove R1 è una resistenza fissa da 240 Ohm, ed R2 è la resistenza che ci permette di stabilire la tensione di uscita.

Le formule che legano la tensione di uscita, al valore della resistenza sono:

Vout= 1,25 x ( 1 + R2 / R1 )

R2= ( (Vout/1,25) - 1 ) x R1

Possiamo quinci calcolarci la tensione di uscita conoscendo il valore di R2, o viceversa, calcolarci il valore di R2, conoscendo la tensione che vogliamo ottenere in uscita.

Se volessimo quindi ad esempio ottenere in uscita un valore di 6V con lo schema di cui sopra, possiamo calcolarci il valore di R2:

R2= ( (Vout/1,25) - 1 ) x R1 → R2=((6/1,25)-1) x 240 → R2=912 Ohm

Se invece volessimo ottenere in uscita un valore di 9V:

R2= ( (Vout/1,25) - 1 ) x R1 → R2=((9/1,25)-1) x 240 → R2=1488 Ohm

A questo punto potrei decidere di utilizzare diverse resistenze, selezionabili tramite un selettore, e quindi ottenere diversi valori in uscita, semplicemente ruotando il selettore.

Lm317_2.png

Sopra possiamo vedere lo schema semplificato, utilizzando 4 resistenze o serie di resistenze, per ottenere in uscita 4 tensioni diverse, sezionabili con un selettore a 4 posizioni.

Nella posizione 1, il lm317 vine collegato ad una resistenza R2 di 330 ohm, e quindi in uscita otteniamo una tensione di 3V
Nella posizione 2, troviamo la serie di 2 resistenze R3 da 820 ohm e R4 da 100 Ohm, per un totale di 920 ohm, e quindi 6V in uscita.
Nella posizione 3, il lm317 è collegato ad una resistenza R5 da 1500 Ohm, e quindi possiamo ottenere in uscita una tensione di 9V
In fine nella posizione 4, troviamo la serie di 2 resistenze R6 da1800 ohm e R7 da 270 ohm, per un totale di 2070 ohm e quindi un tensione in uscita di 12V.

Però al posto di utilizzare tante resistenze selezionabili tramite selettore, posso in maniera più semplice utilizzare un unica resistenza R2, variabile, o meglio un potenziometro.

Lm317_1.png

Utilizzando come R2 un potenziometro, quindi in pratica una resistenza variabile, posso facilmente regolare la tensione di uscita semplicemente ruotando la manopola del potenziometro.

Questa soluzione è la più utilizzata, perché ci permette, di avere una regolazione lineare della tensione di uscita, ed avere quindi la possibilità di avere in uscita qualsiasi valore di tensione, ovviamente compreso tra i limiti minimo e massimo del circuito stesso.
Unico neo, se così possiamo dire, è che servirà uno strumento di misura voltmetro, sull'uscita dell'alimentatore, per leggere il valore di tensione.

Ruotando la manopola e quindi il potenziometro al minimo, resistenza R2=0 Ohm, otteniamo in uscita una tensione di:

Vout= 1,25 x ( 1 + R2 / R1 ) → Vout=1,25 x (1+0+/240) → Vout=1,25V

Questo è uno dei limiti del regolatore lm317, la tensione minima di uscita è 1,25V e non si può scendere sotto questo valore, quindi il nostro alimentatore avrà un tensione minima di uscita di 1,25V

Ruotando il potenziometro al massimo, quindi nel nostro caso 4,7K o 4700 Ohm, avremmo in uscita una tensione di:

Vout= 1,25 x ( 1 + R2 / R1 ) → Vout=1,25 x (1+4700/240) → Vout=25,72V

Questo limite massimo, è dato dal potenziometro utilizzato, teoricamente si potrebbe pure utilizzare un potenziometro di valore maggiore, ed ottenere così in uscita una tensione massima più alta.

La massima tensione in uscita, ovviamente è in funzione dalla tensione in ingresso, il lm317 come tutti i regolatori lineari, non può fornire in uscita un tensione maggiore di quella in ingresso, e nel caso del lm317 la tensione in uscita massima è uguale alla tensione di ingresso meno 3V di drop-out che è la tensione che cade sul regolatore stesso.
Quindi se poniamo in ingresso 24V potremmo prelevare in uscita massimo 24-3=21V indipendentemente dal valore del potenziometro utilizzato.

Adesso che abbiamo capito il funzionamento del lm317, che è il cuore del nostro alimentatore, possiamo iniziare ad assemblare le varie parti del circuito.

Lm317_3.png

Sopra vediamo un primo circuito, dove è stato inserito un ponte raddrizzatore B1 per raddrizzare la tensione proveniente dal trasformatore, e un condensatore C3 per livellare la stessa.
Sono state aggiunte pure le 2 morsettiere J1 e J2 per facilitare i collegamenti in ingresso ed uscita dal circuito.
Il circuito così proposto sarebbe già funzionate ed utilizzabile, ma volendo possiamo ancora migliorarlo.

Lm317_4.png

Nello schema sopra, è stato aggiunto un led con la sua resistenza di limitazione R3, per segnalare che il circuito è acceso e quindi sotto tensione.
A differenza dei precedenti circuiti, qua il led è stato inserito a monte del regolatore, perché sull'uscita la tensione è variabile da 1,2 a 25v e quindi sarebbe un problema calcolare la resistenza R3.
Sull'ingresso invece con trasformatore 24Vac abbiamo dopo il condensatore C3 una tensione raddrizzate e livellata di circa 30Vdc, (vedi spiegazione nel circuito alimentatore 12v), e quindi possiamo calcolarci il valore della resistenza R3, (vedi Legge di Ohm).

Lm317_5.png

E' consigliato aggiungere un condensatore C4 in parallelo al potenziometro, per rendere ancora più stabile la tensione sul piedino adj del regolatore, e di conseguenza aggiungere un diodo D2, per scaricare immediatamente il condensatore, qualora si verificasse accidentalmente un corto circuito sui terminali di uscita.
Infine è consigliato pure aggiungere un Diodo D1 tra uscita e ingresso, quest'ultimo diodo serve per proteggere il regolatore ogni qualvolta si spegne l'alimentatore.
Senza questo diodo, ogni qual volta si spegne l'alimentatore, la tensione immagazzinata su C2, si scaricherebbe in senso inverso attraverso il regolatore, danneggiandolo.

Adesso abbiamo il nostro circuito completo di ogni sua parte e possiamo procedere alla realizzazione del pcb.
Sotto, il pcb già capovolto, come si evince dalla scritta capovolta, e quindi visto dal lato componenti.

Pcb_Lm317_1.png
Pcb in formato pdf

Infine ovviamente la lista dei componenti con la loro disposizione sul pcb.

B1 ponte raddrizzatore 2A
C1 condensatore multistrato 100nF
C2,C4 condensatori elettrolitici 10uF 50V
C3 condensatore elettrolitico 2200uF 50V
R1 resistenza 240 Ohm
R2 potenziometro 4700 Ohm
R3 resistenza 1500 Ohm
D1,D2 diodi 1N4007 o simili
DL1 diodo Led
J1,J2 morsettiere 2 poli

Pcb_Lm317_0.png

Una attenzione particolare merita il dissipatore, o meglio il problema smaltimento calore.
Uno dei difetti dei regolatori lineari, è che la tensione in eccesso, deve essere dissipata in calore.
Quindi ad esempio se in ingresso ho 24Vac, che raddrizzati e livellati diventano circa 30Vdc, e regolo il potenziometro, per ottenere 6Vdc in uscita, succede che i rimanenti 24V devono essere dissipati in calore dal regolatore lm317.
Se poi assorbo ad esempio 1A di corrente, succede che il regolatore si trova a dover dissipare in calore una potenza di 24V x 1A=24W

Questa potenza non è poca da dover dissipare, quindi il dissipatore di calore, dovrà avere dimensioni generose, e proprio per questo motivo il circuito di cui sopra, non è adatto a fornire grandi quantità di corrente.

Diciamo che comunque se ben dissipato, il circuito di cui sopra è in grado di fornire 1A o poco di più, corrente più che sufficiente per i nostri esperimenti di laboratorio.


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