Un semplice alimentatore a discreti

Descrizione

Un alimentatore a discreti semplice, ma comunque funzionale per impiego hobbistico.

Introduzione

 

Disclaimer: il contenuto di questo articolo tratta dell’utilizzo della tensione di rete domestica a 230V-50Hz. A seguito di questo avviso non mi ritengo assolutamente responsabile di eventuali incidenti, a uomini e cose, e delle loro conseguenze. Se non sapete cosa state facendo, meglio non fare nulla, la 230 non è divertente da prendere (lo so per esperienza personale). By Gufo_Tave

 

Vorrei iniziare questo articolo con alcune piccole premesse.

 

La prima è che si tratta del mio primo articolo, per cui vi chiedo di tenerne conto quando mi appenderete in croce.

La seconda, è che tratta di un circuito piuttosto semplice, per cui vi pregherei di non gridare (almeno, non subito) al plagio. Certo, per molti di voi potrebbe sembrare banale, se non addirittura di una semplicità offensiva, ma credo abbia una certa valenza, se non altro sul piano didattico.

Ma andiamo con ordine.

Per esigenze varie, ho sempre usato un alimentatore regolabile, montato da un kit venduto in edicola. Non si trattava di un apparecchio professionale, né dotato di grandi qualità di sicurezza: non era neppure isolato galvanicamente dalla rete elettrica.

Dopo aver fritto la motherboard della lavatrice (a causa di un incidente ad alimentatore lasciato involontariamente acceso) mi resi conto di volere qualcosa di più sicuro, abbastanza semplice da poter essere riparato velocemente. Inoltre, volevo delle funzioni extra, rispetto a quel catorcio da edicola.

A questo la ricetta è facile: si prende un trasformatore, un regolatore integrato, una lettura alle application note e si mette assieme il tutto. Nulla che non sia già presente in rete, in tutte le salse.

Ma c’erano dei problemi.

In primo luogo il mio rivenditore di fiducia non vendeva IC, solo discreti.

In secondo luogo, era mia intenzione riutilizzare quanto avevo in casa, limitando gli acquisti di materiale al minimo. Ed in casa avevo un trasformatore, condensatori, un ponte di diodi e alcuni bjt. Ultima cosa, il circuito risultante doveva fornirmi una tensione d'uscita da 3-4v, fino a circa 20v, come quello che andava a sostituire.

Dato che non possiedo un oscilloscopio, non avevo idea del ripple residuo del vecchio circuito, per cui ho lasciato perdere questa specifica. Certo, avrei potuto fare qualche confronto al simulatore, ma la mia esperienza personale mi ha sempre insegnato a non fidarmi troppo delle simulazioni.

Come avrete capito a questo punto, il risultato non poteva essere che un regolatore a discreti. Probabilmente può apparire quantomeno antiquato, nell’era dei regolatori integrati, ma come ho notato in articoli simili, esistono situazioni in cui è più consono usare i discreti, che non gli IC.

Il che non vuol dire che dobbiate realizzare tutto a discreti... semplicemente, se amate recuperare (o se siete nella situazione di doverlo fare) vecchi componenti, è più facile trovare un bjt, che non un regolatore integrato.

Nella peggiore delle ipotesi... quantomeno avrete rispolverato un po' di progettazione old-style.

Schema elettrico

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Può sembrare uno schema apparentemente complicato, ma i più smaliziati di voi avranno compreso che non lo è.

Iniziamo partendo dall’inizio: tensione di rete, interruttore (in questo caso è un monopolare recuperato da un vecchio elettrodomestico, ma nulla vi impedisce di usare altro), trasformatore 230V/26V (recuperato da una vecchia stampante ad aghi), ponte di diodi (anch'esso recuperato) condensatori di filtro. C3 serve solo per togliere eventuali rumori sfuggiti agli elettrolitici. Non è indispensabile, ma non fa male, specie se il vostro carico produce rumore ad alta frequenza.

Non credo ci sia molto da dire su D1, che è semplicemente un led di accensione. In un primo momento pensavo di montarlo direttamente sul secondario del trasformatore, ma poi ho preferito metterlo nella posizione attuale.

Il motivo? Semplice, mi aiuta ad avere una conferma visiva dello stato di carica dei condensatori al momento dello spegnimento dell’apparecchio.

A questo punto, si arriva al regolatore vero e proprio.

Cominciamo esaminando la parte finale, quella con i transistori Q4 e Q5:

 

Non starò a farla troppo lunga: lo zener D4, alimentato dalla tensione d’uscita (con basso contenuto di ripple), fornisce un riferimento di tensione, sulla base di Q4, cui fa da buffer di tensione. Nel nostro caso, si tratta della somma tra il riferimento dato dallo zener, e la tensione ai capi di Q5.

Dopo queste premesse, si può intuire l’escursione massima teorica dell’uscita, compresa tra circa 4V (i 3.3V dello Zener, più gli 0.7 di Q5), a circa 33.5V (35V di picco, meno gli 1.5V del BC538 in saturazione). Dati molto vicini alla realtà, con un dropout del regolatore di circa un volt.

Dallo schema, si intuisce che Q4 pone un limite alla corrente di uscita dell'alimentatore, che diventa quindi la massima continuativa sopportabile dal transistore. Nel caso del BC 538, si parla di 1A.

Questo tipo di regolatore è molto semplice, introduce poco rumore, ma ha un difetto: in caso di corto accidentale sull'uscita, Q5 si spegne (manca tensione in base, il transistore si deve interdire), ma Q4 rimane acceso tramite il resistore R6 (difatti rimane connesso a diodo), portando alla distruzione del componente (se va bene...).

Ecco dunque spiegata la funzione della rete composta dai transistori Q1, Q2, Q3 e dai loro carichi: si tratta di un sistema di allarme e controllo contro corti accidentali.

 

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In condizioni operative normali, l’uscita mantiene Q1 in saturazione, il quale tiene interdetti Q2 e Q3. In caso di corto, l'interdizione di Q1 causa la saturazione di Q2 e Q3, accendendo la linea di segnalazione e ponendo Q4 in interdizione. Non penso sia necessario spiegare perché ho voluto usare un BJT per interdire Q4 ed uno per azionare la rete di allarme (penso sappiate tutti che i LED, quando accesi, hanno una tensione ai capi sensibilmente diversa da zero), faccio solo notare che, per via del diodo D2, la soglia di intervento della protezione è di 1.4-1.5V. Ciò serve semplicemente ad innalzare la soglia di accensione. A protezione inserita, l’unico modo per ripristinare il funzionamento dell’alimentatore sia lo spegnimento (cosa abbastanza curiosa, nei test su breadboard, non si era mai verificato un fenomeno simile, mantenendo in quel caso una tensione d’uscita sui 2-300 mV).

In caso di problemi, o semplicemente per testare la protezione, ho inserito un pulsante NC in serie al ramo di rilevazione. Anche questo non è un componente fondamentale, ma ce l’avevo in cassetta, inutilizzato, e sul pannello frontale della scatola che ho impiegato c’era abbastanza spazio per montarlo.

A questo punto, vorrei far notare un dettaglio: questo circuito NON è una protezione da sovracorrenti. Non reagisce alla corrente che scorre in Q4, ma si limita a scattare solo se la tensione di uscita va sotto una certa soglia.

Ovviamente, esistono sistemi di protezione diversi, che tengono conto della corrente erogata dal generatore. Semplicemente, lo schema che vedete era il più semplice, con i componenti a mia disposizione. Vi prego di ricordare che gran parte del circuito proviene da fonti di recupero, e non disponevo dei componenti adatti ad una rilevazione di corrente. Per realizzarla, mi sarebbe servito un resistore di potenza adeguata e di piccolo valore (vi ricordo che il BC 538 eroga una corrente massima di 1A), che non avevo in cassetta.

Tra l’altro, questo alimentatore è destinato ad operare con potenze modeste, per cui ritenevo che il pericolo maggiore non fosse tanto la sovracorrente, quanto un possibile corto accidentale.

La presenza di questa protezione, spiega anche il perché abbia posizionato i condensatori di filtro solo a monte del regolatore: in caso di corto, questi si scaricherebbero, da un lato erogando correnti per cui non sono stati progettati, dall’altro rallentando l’azione del circuito di protezione.

 

Realizzazione fisica e considerazioni finali

 

Per quanto riguarda le prestazioni… devo ammettere di trovarmi un pelo in difficoltà, per la mia attuale mancanza di strumentazione. Non è certo un problema verificare la tensione d’uscita, compresa tra i 4 ed i 32V a vuoto, ma la mancanza di un oscilloscopio, mi impedisce di fare misure sul ripple. Certo, in simulazione avevo ottenuto oscillazioni intorno ai 200mV nei casi più sfavorevoli (quando si chiede la massima tensione di uscita), ma senza la misura sul circuito reale, non posso certo spacciarveli per dati reali. Indi per cui, prendete ciò che ho detto sul ripple più come una curiosità, che non come oro colato.

Un’altra cosa: non disponendo dell’attrezzatura necessaria per costruire circuiti stampati, ho optato per una millefori… per cui, niente sbroglio. A titolo di esempio, vi mostro il circuito montato, già montato sulle staffe di supporto:

 

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Da queste foto potete capire due cose: la prima, è che, a differenza di alcuni, posso dimostrare di aver realizzato il circuito (e faccio notare, ad eventuali furboni, di aver postato solo una minima parte delle foto scattate all’intero progetto, per cui, in caso di plagio, so come difendermi).

La seconda… è che non ho esattamente un futuro come designer, per cui, non preoccupatevi se doveste sentire dei conati di vomito alla vista delle mie foto.

Ma iniziamo a descrivere ciò che c’è sulla basetta: dalla seconda foto si possono notare i cavi di collegamento col secondario del trasformatore (verde scuro, in alto a sinistra), quelli dell’uscita (sempre verde scuro, sulla destra), insieme ad una sequela di cavi penzolanti. Questi non sono altro che le derivazioni di parti montate sul pannello frontale del case: il led di accensione (cavi blu), quello di allarme (cavi verdi), il pulsante di test (bianco, si vede il pulsante saldato sui fili). Per ultimo, vi è il trimmer di regolazione, installato anch’esso esternamente alla scheda, come potete vedere in quest’altra immagine, in cui vedete una fase di lavorazione del case:

 

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Ora non vi tedierò oltre, parlandovi per filo e per segno di come ho montato il circuito nel case, primo perché siamo su un sito di elettronica, secondo… perché chiunque può trovare soluzioni diverse dalle mie (io stesso, se dovessi realizzare una copia di questo circuito, riposizionerei alcuni componenti all'interno del case). Vi basti sapere che ho usato come case una scatola di derivazioni da esterni, sfruttando i fori preesistenti per la ventilazione chiudendoli con pezzi di zanzariera incollata a caldo. Non so voi, ma detesto l’idea che bacherozzi vari possano entrare in ciò che costruisco. Per ragioni di sicurezza, anche i mammut di collegamento sono avvitati sul retro della scatola, così come il trasformatore, l'elemento più pesante dell'intero apparecchio.

Per cui, vi lascio con la foto dell’oggetto finito:

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Qualcuno può notare come la scala delle tensioni non sia lineare… ed effettivamente, stante lo schema pubblicato, non può essere altrimenti, visto che Q5 semplicemente non lavora in zona lineare. Ovviamente è un problema a cui si può porre rimedio, ma non mi sembrava il caso di introdurre ulteriore complessità circuitale.

Inoltre avrete notato la totale assenza di calcoli… questo è voluto. Come ho precedentemente sottolineato, questo è la variazione sul tema di uno schema molto semplice, le cui sotto parti sono ampiamente trattate in letteratura, per cui non volevo tediarvi con dei concetti facilmente reperibili su libri di testo.

Se siete arrivati fin qui, vi lascio con i ringraziamenti da parte mia, per aver retto fino in fondo: spero quanto meno, di non avervi annoiato troppo. By Gufo_Tave, 11/03/2012

 

 

 

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