alimentatore stabilizzato

Gruppo: Nicola Casarin, Marco Ferrari, Fabio Perazzolo (PECAFE)

Classe 4aBT as. 2009/2010

ALIMENTATORE STABILIZZATO CON USCITA REGOLABILE

IPOTESI PROGETTO

Il dispositivo deve essere in grado di dare in uscita una tensione regolabile, massimo 15[V]

minimo 1,25[V] e una corrente massima di 300[mA]; nel nostro caso la tensione d'uscita pari a

12[V]. In ingresso è necessario un trasformatore in caso di corrente alternata; può comunque

funzionare correttamente anche con corrente continua. La tensione in uscita deve rimanere

costante al variare del carico, entro certi limiti; il funzionamento del generatore deve essere

segnalato da un led e in caso di correnti troppo elevate il dispositivo deve bloccarsi.

TESI PROGETTO

Il circuito riceve in ingresso una tensione alternata di valore efficace pari a 17[V]. Questa tensione

viene ottenuta grazie ad un trasformatore che riceve in ingresso la tensione di rete che vale 220[V]

(efficaci) la quale viene abbassata. La tensione in uscita dal trasformatore viene trasformata in una

doppia semionda positiva con il ponte di Gretz o ponte a diodi; questo componente è costituito da

quattro diodi, collegati opportunamente, e possiede quattro reofori: due di essi sono evidenziati

con il simbolo di corrente alternata, sono uno opposto all'altro e a questi vengono collegati i fili

d'uscita del trasformatore (non serve rispettare una polarità perché si tratta di corrente alternata).

Gli altri due reofori sono evidenziati con i simboli + e – e danno in uscita la semionda di cui si ha

bisogno (in questo caso bisogna rispettare la polarità indicata). A questo punto la tensione viene

filtrata per renderla il più possibile continua, per fare questo ci vuole un filtro ossia un

condensatore. Il condensatore ha la caratteristica di caricarsi e di scaricarsi con una certa costante

di tempo (Ʈ) che aumenta all'aumentare della capacità; quindi il condensatore scelto deve avere

un valore abbastanza alto ma non troppo al fine di non causare elevati picchi di corrente pericolosi

anche per il campo magnetico che provocherebbero. La tensione filtrata contiene ancora una

componente alternata chiamata ripple. Il ripple è una variazione di tensione dell'ordine delle

decine di mV che in alcune applicazioni può anche essere trascurata. Per eliminare questo segnale

residuo sarebbe sufficiente un diodo zener con una tensione di zener inferiore al valore minimo

del ripple così da poter andare in conduzione con la tensione inversa che rimane costante. In

questo caso abbiamo usato uno stabilizzatore in grado di fornire tensioni regolabili da 1,25[V] (VREF)

ad alcune decine di Volt. Lo stabilizzatore usato, LM317T, è in grado di fornire una tensione

massime di 37[V] ed erogare una corrente massima di 1,5[A], in più è dotato di protezione termica

RELAZIONE DI TDP

e quindi è possibile applicarvi un dissipatore. Per regolare la VREF è stato usato un trimmer in

parallelo con una resistenza collegato ai piedini di VOUT e VADJ mentre per regolare la tensione

d'uscita è stato collegato un altro trimmer che andava poi a massa. Alla fine sono stati collegati

altri due condensatori per diminuire ulteriormente il ripple.

DIMENSIONAMENTO CIRCUITO

Il primo componente da dimensionare è il fusibile: in questo circuito è necessario un fusibile che

sopporti una corrente massima di 1[A]. Per il trasformatore ne è stato usato uno regolabile, la

tensione in uscita si calcola trovando prima l'ampiezza del secondario:

Vm= (Vo(MAX)+2Vf)/0,92= (21+2)/0,92= 25[V].

Il valore efficace che è il valore di tensione da prendere in considerazione si calcola dividendo il

valore massimo per radice di 2:

Vs(eff)= Vm/√2= 17,7[V].

La resistenza per il led è stata calcolata con la seguente formula:Vo=Vγ+R*I ,dalla quale si ricava la

resistenza:

R=(Vo-Vγ)/I =(19-1,7)/10= 1,8[kΩ]

Il condensatore per il ripple è stato dimensionato in base alla frequenza, alla corrente e alla

differenza di potenziale del ripple:

C= Io/2*f*ΔVo =1/100*4= 2500[µF]

Per il condensatore è stato scelto il valore commerciale di 2200[µF], 50[V].

Per il corretto funzionamento dello stabilizzatore il costruttore consiglia che tra i piedini Vo e Vadj ci

sia una tensione di 1,25[V]. Quindi per regolare la tensione è stata usata una resistenza di 330[Ω]

in parallelo con un trimmer di 1[kΩ]; in serie con le 2 resistenze è stato collegato un trimmer da

2,2[kΩ] per regolare la tensione d'uscita. Un condensatore da 10[µF] θ stato collegato tra il

reoforo di Vadj e massa mentre uno da 22[µF] θ stato collegato tra il + e il _ dell'uscita (i valori

degli ultimi 2 condensatori sono stati consigliati dal costruttore).

Lo stabilizzatore ha bisogno di un dissipatore scelto in base alla potenza gestita dal componente, in

questo caso la potenza dissipata è data dalla differenza di potenziale tra ingresso e uscita per la

corrente:

P=(Vo-Vi)*Io

La resistenza termica del componente è data dalla formula:

Ɵja(max)= (Tj(max)-Ta)/P , dove Tj(max)

è la temperatura massima sopportabile ossia 125[°C] e Ta =50[°C]. Il contenitore metallico ha una

resistenza termica Ɵjc=2,3[°C/W] e quella fra contenitore e dissipatore è Ɵcs=0,5[°C/W]. Quindi la

resistenza termica del dissipatore Ɵsa si ricava con la seguente formula:

Ɵsa=Ɵja(max)– Ɵjc– Ɵcs.

Il risultato risulta circa uguale a 0,8[°C/W].

REALIZZAZIONE PRATICA

Questo circuito è stato realizzato su un circuito stampato. All'inizio lo schema è stato disegnato

con il programma OrCad, poi, dopo aver stabilito il footprint dei componenti, è stato aperto con il

programma Layout dove è stato visualizzato con i collegamenti elastici. Dopo aver impostato il lato

serigrafia e il lato rame è stato fatto lo sbroglio affinché si formassero i collegamenti. Il lato rame è

stato stampato su un foglio da lucido per fare il circuito stampato.

Il circuito stampato è realizzato su una scheda PCB presensibilizzata per monofaccia costituita da

una basetta ramata ricoperta da fotoresist. Il disegno sul foglio è stato disposto sopra alla scheda e

sottoposto a luce ultravioletta. Dopo questo passaggio la scheda è stata immersa nella soda

caustica diluita: la parte di fotoresist sottoposta agli ultravioletti viene resa vulnerabile alla soda,

quindi la zona sottostante alla parte scura del foglio è rimasta anche dopo il passaggio nella soda.

Di seguito la scheda è stata sottoposta all'azione dell'acido che ha eliminato la parte di rame

scoperto dal fotoresist. In fine il fotoresist rimasto è stato tolto con un passaggio nella soda è con

una carta abrasiva. Sono stati applicati dei fori per i reofori è saldati i componenti.

Oltre al saldatore e al trapano per i fori, sono stati usati multimetri e oscilloscopio per il collaudo.

COLLAUDO CIRCUITO

La prima parte del collaudo consiste nel montare il circuito su una breadboard, per cui i

collegamenti non sono definitivi, e si verifica la funzionalità dei componenti passo per passo.

•La prima verifica che viene fatta consiste nel controllare il valore della tensione alternata in uscita

dal trasformatore: con un multimetro in modalità di tensione alternata si va a misurare il valore

efficace della tensione mentre con l'oscilloscopio si va invece a misurare il periodo e si verifica

l'ampiezza. I valori ottenuti sono i seguenti:

Veff=17,8[V]

T=20[ms] (f =50[Hz] frequenza di rete)

•Dopo la prima verifica si collega il ponte di Gretz si misura con l'oscilloscopio in modalità DC il

valore massimo della semionda e il periodo. Ci si aspetta che il valore massimo sia uguale a quello

della sinusoide e il periodo dimezzato in quanto la parte negativa della sinusoide viene resa

positiva. In più, tra una semionda e la successiva c'è un breve periodo in cui la tensione resta quasi

costante di poco sopra lo zero, ossia il passaggio tra una semionda e l'altra non è immediato:

questo è l'effetto della Vγ dei diodi del ponte che causa anche un abbassamento del valore

massimo del segnale. I valori ottenuti sono i seguenti: Vmax=22[V] (il valore massimo risulta più

basso di quello calcolato)

Ts=10[ms] (il periodo della semionda è doppio di quello della sinusoide)

•Alla fine si montano tutti gli altri componenti e si verificano Vout e Vref . Per regolarle bisogna

regolare i trimmer.

Vref =1,247[V]

Vout =12,078V

Una volta verificate le tensioni sulla BB si passa alla costruzione del circuito sulla basetta stampata:

Linee generali: Il collaudo dell’alimentatore stabilizzato è composto da tre serie di misurazioni

differenti in modo da verificarne l’andamento nel complesso. Si tratta di rilevamenti delle

caratteristi di uscita: con tensione d’ingresso costante e carico costante. Mentre la terza prova va

ad individuare l’andamento del ripple. Gli strumenti adoperati per le misurazione sono micrometri,

con l’ausilio dell’oscilloscopio per il rilevamento del ripple. I dati ottenuti sperimentalmente sono

stati schematizzati in tabelle, mentre i relativi grafici vogliono rappresentare il fenomeno in modo

grafico.

Schema a blocchi:

Ecco come viene a presentarsi in modo schematico il circuito di collaudo. L’alimentatore è visto

come un quadripolo con in ingresso la tensione ѵIN (alternata) e l’uscita VOUT (continua) che lavora

su un carico variabile Rc. I vari strumenti di misura andranno a interporsi a seconda del loro

utilizzo e funzione.

1 prova: rilievo della caratteristica esterna:

Si vuole determinare l’andamento della tensione e corrente di uscita in caso di tensione in

ingresso costante su un carico resistivo variabile.

ѵIN = K (costante) = 17 [V] tensione alternata

conseguenza: se la tensione di ingresso è costante l’uscita sarà in funzione della corrente di uscita.

VOUT = f(IOUT)

La prova vuole verificare che l’uscita dell’alimentatore sia una tensione continua e costante di 12

[V], come specificato dal progetto, entro i limiti di corrente prefissati:

circa 300 [mA]; dopo i quali avviene un brusco abbassamento della tensione di uscita a causa della

diminuzione eccessiva della resistenza di carico su cui lavora la corrente Iout. Questo

comportamento deve essere evitato (si esce infatti dal range di funzionamento ottimale). Per fare

si che l’alimentatore non lavori fuori dal suo campo stabilito, con conseguenti danni circuitali, si è

introdotto un fusibile (vedi progettazione).

ALIMENTATORE Vout vin Rc

Tabella valori:

Grafico:

Dal grafico noto come l’andamento della tensione in uscita diminuisca con l’aumentare della

corrente in conseguenza dell’abbassamento del carico resistivo. Le nostre misurazioni sono state

interrotte nel momento di sovraccarico del fusibile e alla consegue

Delimitando il range di funzionamento dell’alimentatore visualizzato nel grafico c

dei valori di VOUT.

2 prova: rilievo della caratteristica esterna:

Si vuole determinare l’andamento della tensione e corrente di

ingresso variabile su un carico resistivo costante.

conseguenza: se la tensione di ingresso è variabile l’uscita sarà in funzione della tensione di

ingresso.

Vo = f(Io)

1111,0511,1

11,1511,2

11,2511,3

11,3511,4

11,4511,5

11,5511,6

11,6511,7

11,7511,8

11,8511,9

11,9512

12,05

0 100

Vo (V)



interrotte nel momento di sovraccarico del fusibile e alla conseguente rotture dello stesso.

Delimitando il range di funzionamento dell’alimentatore visualizzato nel grafico c

: rilievo della caratteristica esterna:

Si vuole determinare l’andamento della tensione e corrente di uscita in caso di tensione di

ingresso variabile su un carico resistivo costante.

RCARICO = K (costante) = 1117 [Ω]


VOUT = f(vin)

200 300 400 500 600

Io (mA)



nte rotture dello stesso.

Delimitando il range di funzionamento dell’alimentatore visualizzato nel grafico come intervallo

uscita in caso di tensione di


700

Lo scopo della prova è l’individuazione della minima tensione alternata di ingresso che permette

all’alimentatore stabilizzato il corretto funzionamento (vedi freccia). Quando l’alimentatore

stabilizzato da in uscita un valore abbastanza prossimo ai 12 [V] di progettazione posso

considerare il relativo valore di ingresso come minima tensione apprezzabile.

Tabella valori:

Grafico:

Vo = f(vi)

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

vi (V)

Vo

(V

)

1 0,70 0,005 0,0006

1117

2 1,58 0,025 0,028

3 2,50 0,3 0,30

4 5,00 2,1 2,34

5 7,60 3,96 4,42

6 10,10 5,45 6,65

7 12,40 7,86 8,79

8 13,10 9,04 10,10 1117

9 13,40 9,36 10,46

10 13,96 9,81 10,97

11 14,50 10,32 11,54

12 15,20 10,60 11,87

13 15,80 10,60 11,88

14 17,50 10,62 11,89

15 20,00 10,62 11,89

n misura ѵin (V) IOUT (mA) VOUT (V) RCARICO (Ω)

Dal grafico noto, come anticipato precedentemente, che la tensione di uscita diventa costante

intorno ai 15 [V] alternati di ingresso.

3 prova: rilievo del fenomeno di ripple:

Si vuole controllare il livello di ondulazione residua, derivante dall’andamento alternato di ingresso,

che va a sovrapporsi alla componente continua. Questo fenomeno impedisce la completa stabilità

della tensione di uscita dell’alimentatore e deve essere ridotto al minimo (ordine di mV) in modo

da non danneggiare i componenti integrati che l’alimentatore stabilizzato andrà ad alimentare.

Nel nostro caso il valore di ripple si mantiene costante con valori trascurabili aumentando il carico

in uscita dall’alimentatore. Si citano i seguenti dati rilevati:

Vpp = 5 [mV] costanti

Resistenza interna (senza alimentazione) = 1,8743 [Ω]

RICERCA COMMERCIALE

DENOMINAZIONE COMPONENTI QUANTITÀ

COMPLESIVA CODICE ARTICOLO PREZZO cad. PREZZO

COMPLESSIVO

FUSIBILE 1A 1 280060 € 0.11 € 0.55

PONTE DI DIODI 1.5A 1 600600 € 0.38 € 0.38

DIODO LED RED 1 632044 € 0.02 € 0.02

DIODO 1N4001 2 603560 € 0.24 € 0.48

CONDENSATORE 22µF 1 802449 € 0.08 € 0.08

CONDENSATORE 10 µF 1 800514 € 0.08 € 0.08

CONDENSATORE 2200µF 1 802456 € 1.25 € 1.25

REGOLATORE DI TENSIONE LM317K 1 649217 € 2.17 € 2.17

TRIMMER 2.2 KΩ 1 740121 € 0.51 € 0.51

TRIMMER 1 KΩ 1 740120 € 0.52 € 0.52

RESISTENZA 330 Ω 1 711160 € 0.01 € 0.01

RESISTENZA 1.8 KΩ 1 712183 € 0.02 € 0.02

PORTAFUSIBLE 250V 16W 6.3A 1 273270 € 0.06 € 0.06

CONNETTORI (STREEP) 4 122098 € 1.25 € 1.25

SCHEDA PCB PRESENSIBILE

MONOFACCIA 100X160mm

1 450714 € 3.21 € 3.21

TOTALE € 10.59

DENOMINAZIONE COMPONENTI QUANTITÀ

COMPLESIVA CODICE ARTICOLO PREZZO cad. PREZZO

COMPLESSIVO

FUSIBILE 1A 1 2508841584 € 0.55 € 0.55

PONTE DI DIODI 1.5A 1 968-3492 € 0.49 € 0.49

DIODO LED RED 1 228-5821 € 0.22 € 0.02

DIODO 1N4001 2 628-8931 € 0.60 € 1.20

CONDENSATORE 22µF 1 743-2882 € 0.10 € 0.10

CONDENSATORE 10 µF 1 440-6553 € 0.20 € 0.20

CONDENSATORE 2200µF 1 482-7852 € 1.00 € 1.00

REGOLATORE DI TENSIONE LM317K 1 452-6982 € 2.24 € 2.24

TRIMMER 2.2 KΩ 1 652-4401 € 0.60 € 0.60

TRIMMER 1 KΩ 1 183-1350 € 0.60 € 0.60

RESISTENZA 330 Ω 1 522-2895 € 0.05 € 0.05

RESISTENZA 1.8 KΩ 1 522-2234 € 0.03 € 0.03

PORTAFUSIBLE 250V 16W 6.3A 1 765-3258 € 0.09 € 0.09

CONNETTORI (STREEP) 4 152-6119 € 1.07 € 1.07

SCHEDA PCB PRESENSIBILE

MONOFACCIA 100X160mm

1 941-3468 € 4.05 € 4.05

TOTALE 12.29

www.distrelec.it

it.rs-online.com

CONSIDERAZIONI TECNICHE

La realizzazione di questo circuito ha presentato difficoltà per quanto riguarda la gestione della

potenza: il dispositivo era facilmente soggetto a cortocircuiti e per questo era fondamentale la

funzione protettiva del fusibile per salvaguardare il circuito da possibili correnti troppo elevate.

La progettazione del circuito stampato si è dimostrata particolarmente complicata nella fase di

sbrogliatura dei collegamenti. La disposizione dei componenti ostacolava lo sviluppo dello sbroglio

in quanto la disposizione dei piedini influenzava lo schema circuitale. Per quanto riguarda la

strumentazione usata si è introdotto l'utilizzo dell'oscilloscopio per rilevare la componente

alternata.

In fine dal collaudo si è verificato che l'alimentatore funziona correttamente entro il range di

carico ammissibile.

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