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PRE REGOLATORE DI TENSIONE
© by Vittorio Crapella - i2viu

Nuova versione Vai n questa pagina       Alimentatore definitivo

Capita spesso di dover realizzare un semplice alimentatore  sia con LM317 o con regolatori fissi e magari di avere un trasformatore con un secondario a tensione 24Vac o magari anche 28/30Vac.  Sappiamo che raddrizzare tali tensioni vorrebbe dire avere sul condensatore di livellamento una tensione esagerata (Vcc=Vac x 1,41) il che significherebbe far dissipare esageratamente il regolatore quando la tensione di uscita è bassa.   Ebbene con questo semplice circuito da mettere tra ponte di diodi e condensatore di livellamento prima del regolatore vero e proprio avrò sempre la tensione d'ingresso al regolatore ideale in funzione di quella di uscita.

SCHEMA  ELETTRICO

ELENCO COMPONENTI

Quant. Reference           Part
______________________________________
1             C1               150 nF    poliestere
1             C2               3300 uF  elettrolitico 50VL (anche 2 x 2200uF)
1             C3               330 nF    ceramico
1             R1               3K3        Resistenza 5% 1/4 W
1             R2               56 K        "         "
1             R3               330 K       "         "
1             R4               15 K        "         "
1             R5               1K5         "         "
1             R6               100         "         "
1             R7               150         "         "
1             R8               47           "         "
1             R10             33           "         "
1             R11             6k8          "         "
1             R9               0,1          "         "   4W
1             T1               1 K          Trimmer (possibilmente multigiri)
1             Q1               BC549      Transistore NPN
1             Q2               BC327      Transistore PNP
1             Q3               2N4871    Transistore unigiunzione
1             Q4               SCR  8A  o TRIAC BTA12-600

FUNZIONAMENTO

In entrata al circuito ho una semionda ogni 10mS che di picco arriva a Vac x 1,41 e al condensatore C2 di livellamento arriva un livello che dipende da quando innesca l'SCR come si può osservare qui però con la taratura del trimmer T1 permetteremo all'SCR di innescare solo sulla discesa della semionda. Infatti con T1 posso regolare la conduzione di Q1 a piacere in funzione della tensione d'uscita.  Q1 più conduce più porta verso massa la base di Q2 che essendo PNP anch'esso tende a condurre di più facendo caricare C1 più velocemente così Q3 innesca prima dando un impulso sul gate dell'SCR attraverso R8, da quel momento C2 riceve una carica e si porterà al potenziale della semionda di quell'istante.

Si può intuire che quando su R11 arriva la tensione d'uscita del regolatore ad esempio un LM317 regolato al minimo 1,2V io posso tarare il trimmer T1 per avere su C2 una tensione media di 7 o 8V necessari per garantire una buona stabilizzazione.

Da questo momento se regolo l'uscita a 9V proporzionalmente, senza più toccare T1, Q1 condurrà di più, pure Q2 e Q3 innesca prima come pure l'SCR facendo crescere la tensione media su C2.

ESEMPIO DI UTILIZZO CON LM317

TARATURA

Ho utilizzato un secondario a 33Vac - 5A con ponte di diodi quadro 26MB10A

1- Predisporre T1 girato verso R6 cioè interdetto
2- Regolare Reg Vout per la minima tensione di uscita
     (cursore del trimmer da 4K7 tutto verso pin 1 del 317)
3- Attaccare puntali del multimetro tra meno di uscita e il positivo di C2
     (in portata 20V F.S.)
4- Dare tensione al trasformatore e regolare T1 per leggere sul multimetro 8,3V

Da questo momento il circuito risponderà secondo questa tabella:

Carico fisso in uscita due R in serie da 15 Ohm 5W
 Uscita = Vout Vin LM317 = VC2
1,2 V 8,3 V
3,2 V 10 V
8,8 V 15 V
13,9 V 20 V
19,2 V 25 V
25,6 V 30 V
27,8 V 31,4 V

Non è obbligatorio utilizzare un secondario da 33Vac ma funziona anche con 24Vac
Altro da sperimentare

FOTO  DEL CIRCUITO  SPERIMENTALE

Nel frattempo ho montato QUESTO
Alimentato sempre con Vac 33V in ingresso ho ottenuto gli stessi risultati con una corrente massima di 2 A su tutto il range da 1,2 a 25 V d'uscita con ripple massimo di 12 mV...
Non ho alettato il BTA ma conviene mettergli una piccola aletta e la R da 0,1 Ohm lo usata da 5W e diventa comunque tiepidotta... il resto BDW tiepido e il 317 freddo certo, che l'aletta come si vede è decentemente grandina...

NUOVA VERSIONE

Il suo funzionamento dovrebbe essere il seguente:
La tensione massima sul (sui) condensatore di livellamento C1  raggiungere solo circa 6,5V (a carico massimo Vmedio di 5V) superiore alla tensione regolata in uscita... infatti a quel punto Q2 va in conduzione e innesca l'SCR che manda in saturazione Q1 interdicendo Q2-Q5 e Q6  interrompendo la carica di C1 che potrà solo scaricarsi creando un po’ di ripple ma poi appena risale un nuovo semiperiodo proveniente dal ponte l'SCR si è disinnescato e Q2-Q5-Q6 possono andare in conduzione e ricaricare C1.

Ho utilizzato un trasformatore con secondario da 24Vac - 10A nominali e primario 220Vac
misurati sul secondario a vuoto 26Vac

Regolazione d'uscita come di solito va da un minio di 1,25V ad un massimo di 29Vcc

Negli esperimenti ho usato un C1 da 30000 uF - 40V rispetto ai 4 x 4700 indicati

La tensione sul condensatore C1 resta per tutto il range circa 6,5V superiore a quella regolata d'uscita, questo è la prerogativa di una simile configurazione pertanto anche a bassissima tensione d'uscita posso prelevare alte correnti senza preoccuparmi della dissipazione dei transistori in serie al positivo....ovviamente un minimo di aletta ci vorrà sempre..

Le prove effettuate sono:

Vout = 1.25V con carico per una corrente d'uscita di 4A
Vac trasformatore 25,7V
Vc1 a vuoto 8,3V e a carico = 7,2V con ripple 1,1Vpp
Uscita perfettamente stabile senza residuo

Vout = 12V con carico per una corrente d'uscita di 10A
Vac trasformatore 25V
Vc1 a vuoto 18,7 e a carico = 17,2V con ripple 2,1 Vpp
Uscita perfettamente stabile a 12V senza residuo

Vout = 21,5V con carico per una corrente d'uscita di 5,5A
Vac trasformatore 25V
Vc1 a vuoto 28V e a carico = 25,9V con ripple 2,1 Vpp
Iout max 5,5A per uscita perfettamente stabile a 21,5V senza residuo

Vout = 26,4V con carico per una corrente d'uscita di 1,8A
Vac trasformatore 25,7V
Vc1 a vuoto 33V e a carico = 30,2V con ripple 3 Vpp
Iout max 1,8A per uscita perfettamente stabile a 26,4V senza residuo

Di e D2 sono entro contenuti in un SBL3040 recuperato da un alimentatore per PC

 

Ho provato anche con tensione d'ingresso di 33Vac potendo cosi arrivare a tensione di 30V d'uscita mantenendo correnti oltre gli 8A.

Il transistore MJ2955 risulta essere un poco deboluccio ai fini del prelievo di 10A o oltre infatti durante una prova passando di colpo da circuito a vuoto a carico di 12 A è andato in corto tra emettitore e collettore, meglio sarebbe due in parallelo con una 0,1 Ohm 5W su ogni emettitore.
Oppure sostituirlo con un MJ4502 o altro con caratteristiche uguali.

Dall'apparente caotico disordine ho completato l'opera dalle stupefacenti prestazioni

ALIMENTATORE DEFINITIVO

U2 permette il controllo della corrente d'uscita da un minimo di 25 mA fino al massimo previsto di 10A e sfrutta la caduta di tensione sulle R11-12 fatte a spirale, ognuna realizzata con un metro di filo smaltato del diametro di 0,65 mm (R pari a circa 0,06 Ohm ognuna) ma se si preferisce vanno bene pure due R da 0,1 Ohm 5W.
Chi vuole usare un solo un MJ4502 al posto dei due MJ2955 deve usare R11 e R12 due resistenze in parallelo da 0,12 - 5W ed eliminare R13 e R14  modificando come qui indicato.

Quando la caduta di tensione su R11-12 porta il pin 3 di U2 a potenziale inferiore del pin 2 scelto con il potenziometro P2, l'uscita pin 6 trascina il pin 1 del 317 verso il basso e se necessario anche verso il negativo tanto quanto basta per annullare la Vout e limitare così la corrente che nel caso minimo è di soli 25mA.
Il diodo D8 in parallelo al potenziometro della corrente è stato aggiunto su suggerimento di uno sperimentatore che l'ha provato e ha il compito di rendere più lineare la regolazione del potenziometro.

Altro schema con una ulteriore possibile regolazione della corrente d'uscita.

Un possibile guasto è un MJ2955 che va in corto che comporterebbe la massima tensione d'uscita anche quando il potenziometro fosse regolato per tensioni basse. 


In queste condizioni la tensione ai capi della R15 sale e supera il valore normale di 1,25V così da poter alimentare il led del fotoaccoppiatore 4N28 che fa saturare verso massa il suo transistore intervenendo su Q3 che limita la massima tensione d'uscita a circa 7V.

ASSEMBLAGGIO

Vedi altre foto                Stessa filosofia di funzionamento ma per correnti molto alte

REGOLATORE CON MOSFET

Con corrente d'uscita di 10A il ripple su C1 è di 3Vpp 

Variante con limitazione di corrente:


Le R serie sul negativo vanno scelte in funzione della limitazione voluta ricordando che l'SCR va in conduzione e limita la conduzione del MOS quando sulle R cade circa 0,75V, in questo caso a circa 10A.    Possibile preregolatore universale.


 ALTRA VERSIONE 2011

Pensando ad una versione che permettesse una Vdropout costante ma funzionante in modalità PWM ho sortito il seguente schema:

La parte di regolazione della tensione di uscita dopo C3 può essere fatta con qualunque tipo di regolatore.
Il mosfet Q3 resta in conduzione fino a quando la tensione su C3 è tale da superare la tensione Dz3 + la caduta del led del 4N28 + la caduta su Q1-Q2 infatti in queste condizioni il led si illumina e il 4N28 chiude a massa il pin 3 di U1A pertanto il pin 2 di U1A sarà più positivo del pin 3 e l'uscita pin 1 va a 0V interdicendo Q3.  Appena  C3 scende sotto il potenziale, che mantenga Vdrop-out (VC3 - Vout) a circa 6V,  il led non illumina più il foto-transistore e il 4N28 si riapre e il pin 3 U1A super il pin 2 e manda l'uscita pin 1 alta così da saturare Q3 che ricaricherà tanto quanto basta C3 così da mantenere costante Vdrop-out a 6V. 

C2 da 100nF (funziona anche con 150nF) serve per diminuire la frequenza di commutazione di Q3 in modo da limitare la sua dissipazione; meno commutazioni meno passaggi per la zona attiva del mosfet che è il punto di maggior dissipazione, forse andrebbe usato un driver apposito per il pilotaggio del msfet invece del semplice operazionale 358 ad esempio un TCA4427.

Q1 e Q2 potrebbero anche essere non indispensabili e basterebbe la 33 Ohm da sola ma se per caso dovesse andare in corto Q3 la Vdrop si alzerebbe molto tanto da far passare una corrente proibitiva nel led e nello zener Dz3 mentre con Q1-Q2 limito la corrente a circa 20 mA.

Il residuo di alternata su C3 risulta di 1Vpp con corrente di uscita di 1A mentre sale a 2,5Vpp con  corrente di uscita di 5,5 A 

In serie sull'uscita prima dei morsetti e opportuno inserire un toroide (tipo quelli degli alimentatori switching ATX) con avvolto 8+8 spire di filo di rame isolato del diametro minimo di 1 mm questo per togliere anche i minimi residui di spurie alla frequenza del PWM (decine di mV) dovuti .alla commutazione del mosfet. 

La scelta del mosfet è importante per la sua dissipazione e va scelto con una minima Rs in questo caso un IRFZ48 ha una Rs di soli 18 mOhm meglio sarebbe un IRF3205 che ha una Rds di soli 8 mOhm.
Provato anche con due IRF540 in parallelo ognuno con una R da 27 Ohm in serie ad ogni gate.

VERSIONE CON LIMITAZIONE DI CORRENTE


CONTROLLO DELLA CORRENTE

Utilizzando U1B (metà del LM358) che compara la caduta di tensione su R10, percorsa dalla corrente proporzionale a quella di uscita, con la tensione fissata sul pin 5 di U1B tramite il potenziometro Pa.

Sul pin 5 posso variare la tensione tra 0 e circa 0,7V che è la caduta di tensione del diodo D3 1N4007
ne consegue che se fisso ad esempio 0,5V sul pin 7 di uscita di U1B avrò un livello alto che non influenzerà il pin 3 di U1A essendo interdetto il diodo D4.
Se ora la caduta di tensione su R10 riportata sul pin 6 di U1B supera quella del pin 5, l'uscita pin 7 va bassa e questa volta anche D3 conduce trascinando basso il pin 3 di U1A che forza basso pure l'uscita pin 1 di U1A che interdirà il mosfet Q3 limitando la corrente a quel livello.

Con questa ultima soluzione con l'aggiunta del controllo di corrente con il potenziometro Pa si può limitare la corrente da circa 30 mA minimo con potenziometro Pa girato tutto verso massa e oltre i 5A quando è tutto girato verso R8.

Il residuo massimo su C3 è di 2,2 Vpp quando si preleva 5A in uscita  e all'oscilloscopio (sempre a pieno carico 5A) si vedono le quattro ricariche di C3 per ogni semiperiodo dovute ai 4 impulsi PWM che innescano il Q3.         Con correnti di uscita minori questi impulsi si riducono anche a solo uno per ogni semiperiodo.  Vdrop-out cioè la tensione Vce di Q4  MJ4502 a vuoto è di 6,4V mentre con carico di 5A scende a 5,7V.     Con secondario del trasformatore a 32V l'uscita massima arriva a 36V con 43V su C3 e dopo i 25V in uscita la corrente massima ottenibile per una corretta stabilizzazione si riduce a circa 4A massimi, con Vout pari a 28V si ha una perfetta stabilizzazione fino a 3A e anche a 30V di uscita stabilizzati si va oltre i 2,5A.   Va ancora bene con 1,5A anche a 33 V di uscita.

VISTA DELLA REALIZZAZIONE              Nuova versione ancora da collaudare

Si può fare qualcosa di simile anche con un LT1083                Altri alimentatori

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