Un alimentatore stabilizzato regolabile è indispensabile nel laboratorio di un progettista. Consente di alimentare apparecchiature elettroniche di media potenza, circuiti elettronici, carichi diversi, amplificatori audio e tanto altro. Il fatto di poter intervenire sulla tensione di uscita è una grande comodità. Con questo alimentatore si può ottenere un intervallo di tensioni compreso tra 1 V e 24 V. L’articolo spiega tutti i dettagli per la realizzazione di questo primo alimentatore da laboratorio. Tutte le fasi costruttive sono illustrate con estrema chiarezza e l’articolo stesso ha una funzione molto didattica, specialmente per i progettisti principianti.

L’alimentatore

Si tratta del dispositivo più diffuso e insostituibile presente in un laboratorio elettronico. Tutti i progettisti me hanno almeno uno, dal modello più semplice ed economico a tensione fissa a quello estremamente sofisticato, programmabile e dal costo molto alto. Un alimentatore ha la funzione di sostituire le batterie ed erogare una tensione costante, senza il problema di un abbassamento dovuto al relativo scaricamento degli accumulatori. Il montaggio e la costruzione dell’alimentatore è molto semplice, a patto di seguire le varie fasi con scrupolo e precisione. Si tratta di un alimentatore lineare, composto dal classico trasformatore, dal ponte di diodi e da un regolatore di alta qualità che consente di ottenere una corrente fino a 7 A. Il progetto prevede anche un elegante contenitore in metallo che consente la sua dislocazione in ogni posizione del laboratorio. La visualizzazione della tensione di uscita su un display a diodi LED a 7 segmenti, infine, conferisce al dispositivo un tocco di professionalità in più.

Caratteristiche fisiche ed elettriche

Di seguito sono elencate le caratteristiche fisiche ed elettriche, assieme alle funzionalità base del presente alimentatore. Si tratta di peculiarità e di proprietà che donano un valore aggiunto al dispositivo e lo collocano in una fascia più alta. Ecco alcuni requisiti degni di nota:

• caratteristiche elettriche:
  • tensione d’ingresso: 18 VAC RMS;
  • tensione di uscita: compresa tra 1 VDC e 24 VDC, variabile con continuità;
  • regolazione grossolana e fine della tensione di uscita;
  • presenza di un interruttore generale a monte;
  • segnalazione di funzionamento tramite diodi LED;
  • protezione di linea tramite fusibile;
  • tensione di uscita con lettura su display a 7 segmenti;
• caratteristiche fisiche:
  • dimensioni: 27 cm x 20 cm x 13 cm;
  • peso: 2.5 Kg circa, compreso il trasformatore;
  • presenza di piedini di gomma antiscivolo;
  • apertura facile del contenitore;
  • raffreddamento del componente attivo tramite dissipatore di alluminio;
  • presenza di fori superiori per lo smaltimento del calore;
• funzionalità di base:
  • tensione di uscita regolabile dolcemente mediante due potenziometri (grossolana e fine);
  • interruttore generale on/off;
  • diodo Led verde per funzionamento normale;
  • diodo Led giallo per monitor della tensione di uscita;
  • protezione fusibile 7 A.

Schema elettrico

Spieghiamo adesso, in dettaglio, lo schema elettrico del nostro alimentatore che, seppur risulti semplice, necessita di tanta attenzione. Esso è osservabile in figura 1. La tensione alternata V1 è prelevata dalla presa di casa e ha una tensione RMS di 230 V, pari a una tensione sinusoidale picco picco di 325 V. L’interruttore SW1 permette di aprire e chiudere il circuito. Il trasformatore L1/L2 deve essere molto grande e robusto, deve infatti assicurare una corrente di almeno 4-5 A. Se le necessità sono minori è possibile utilizzare, ovviamente un trasformatore meno potente. Il ponte di diodi D1, D2, D3 e D4 ha la funzione di raddrizzare la tensione, prelevando le semionde positive del segnale e convertendo quelle negative in positive. I diodi abbassano la tensione di circa 1.4 V e devono sopportare la corrente di circa 6-10 A. Il diodo Led D6 con la sua resistenza di limitazione R3 di 1500 Ohm funziona come monitor di lavoro dell’alimentatore, e può essere di colore verde. Anche il diodo Led D7 con la sua resistenza di limitazione R4 di 1500 Ohm lavora come monitor di funzionamento dell’alimentatore, ma stavolta variabile dalla tensione di uscita, e può essere di colore giallo. Il sistema è protetto dai fusibili X2 e X3, dal valore di 7 A. Il cuore del circuito è rappresentato da U1, un regolatore LT1083. Il suo ingresso è collegato all’uscita raddrizzata e livellata del trasformatore. La sua uscita fornisce una tensione variabile teorica compresa tra 1 V e 24 V. Sono presenti i condensatori elettrolitici C1, C2 e C3 che migliorano la stabilità del segnale in continua. La corrente costante tra l’uscita dell’integrato e il pin di regolazione (circa 10 mA) è assicurata dalle resistenze R1 e R6 collegate in serie, per un totale di 122 Ohm. E’ possibile utilizzare, in alternativa, un’unica resistenza da 121 Ohm con 1% di tolleranza. La tensione di uscita può essere variata con la regolazione dei due potenziometri R2 e R5, rispettivamente di 2.2 kOhm e 220 Ohm. Essi hanno le seguenti funzionalità:

• R2 (2.2 kOhm): regolazione grossolana della tensione di uscita;
• R5 (220 Ohm): regolazione fine della tensione di uscita.

Infine il diodo D5 collegato tra l’uscita e l’ingresso in antiparallelo assicura una ulteriore protezione del circuito regolatore, in caso di assenza di tensione di rete. Benché il produttore dichiari che la sua presenza non sia necessaria, è sempre meglio prevederlo nello schema in quanto il suo effetto, durante il normale funzionamento, è praticamente nullo. Il valore induttivo del trasformatore può cambiare da modello a modello. A ogni modo è necessario che esso sia in grado di erogare almeno una tensione di picco di 25 V con una corrente di circa 5 A. E’ importante notare che il circuito elettrico a valle è galvanicamente isolato dalla tensione di rete, in quanto il trasformatore stesso separa i due circuiti. Infine il display a 7 segmenti ha la funzione di visualizzare, con continuità, la tensione in uscita dell’alimentatore.

Figura 1: lo schema elettrico dell’alimentatore regolabile

Componenti

Di seguito ecco la lista dei componenti utilizzati nel presente progetto (BOM):

• componenti elettronici
  • SW1: interruttore da pannello;
  • C1: condensatore elettrolitico 1000 uF;
  • C2: condensatore elettrolitico 1000 uF;
  • C3: condensatore elettrolitico 10 uF;
  • D1: diodo rettificatore 8-10 A;
  • D2: diodo rettificatore 8-10 A;
  • D3: diodo rettificatore 8-10 A;
  • D4: diodo rettificatore 8-10 A;
  • D5: diodo 1N4007;
  • D6: diodo Led di colore verde;
  • D7: diodo Led di colore giallo;
  • D8: diodo 1N4007;
  • L1/L2: trasformatore di 7 A e 24 V;
  • R1: resistore 100 Ohm, 0.5 Watt;
  • R2: potenziometro 2.2 kOhm;
  • R3: resistore 1.5 kOhm, 0.5 Watt;
  • R4: resistore 1.5 kOhm, 0.5 Watt;
  • R5: potenziometro 220 Ohm;
  • R6: resistore 22 Ohm, 0.5 Watt;
  • R7: carico esterno;
  • R8: resistore 330 Ohm, 1 Watt;
  • U1: regolatore AD LT1083;
  • X1: mini voltmetro da 0.4 V a 35 V;
  • X2: fusibile 6 A;
  • X3: fusibile 6 A.
• contenitore
  • scatola di metallo;
  • connettori a banana da pannello;
  • ghiere porta diodo Led da pannello;
  • porta fusibili da circuito stampato;
  • piedini di gomma;
  • pomelli per potenziometro;
  • spina e filo elettrico.

L’integrato regolatore LT1083

Il regolatore LT1083 (vedi il simbolo e il pinout di figura 2) regola una tensione positiva e fornisce una corrente fino a 7.5 A, con un’alta efficienza. La tensione massima di dropout è di 1.5 V. Ecco alcune sue importanti caratteristiche:

• tensione di uscita regolabile;

• corrente fino a 7.5 Ampere;

• contenitore TO-3P e TO-220;

• potenza di dissipazione internamente limitata;

• massima tensione differenziale di 30V.

L’integrato può essere utilizzato per diverse applicazioni come, ad esempio, regolatori Switching, regolatori a corrente costante, regolatori lineari ad alta efficienza e caricabatterie. Il modello esaminato nell’articolo è caratterizzato da una tensione di uscita variabile e configurabile.

Il progettista deve fare attenzione alla disposizione dei pin del circuito integrato, poiché il contatto centrale non è quello di riferimento (come, ad esempio il 7805 o l’LM317) ma è riferito all’uscita della tensione regolata.

Il voltmetro su display a diodi Led

Si sarebbe potuto realizzare un completo circuito di visualizzazione della tensione di uscita con componenti discreti, ma il mercato mette a disposizione dei semplici moduli per misurare la tensione. Essi sono molto comodi, piccoli ed economici. I campi d’utilizzo sono vari e hanno lo scopo di monitorare la tensione della batteria o dell’alimentatore. Il modello utilizzato in questo progetto è costituito da tre piccoli display a 7 segmenti di colore rosso, come si può osservare in figura 3. Essi misurano la tensione DC compresa tra 0.4 V e 35 V. Non hanno la necessità di avere una alimentazione aggiuntiva. La visualizzazione avviene 2 volte al secondo, assorbe 20 mA e sono protetti contro l’inversione di polarità. Le dimensioni del modello utilizzato sono di 22 mm x 10 mm.

Il PCB

Per la costruzione del prototipo, occorre realizzare il circuito stampato, la cui traccia è mostrata in figura 4. Esso risulta abbastanza semplice ma si consiglia l’utilizzo della tecnica della fotoincisione, per ottenere un risultato più affidabile e professionale. Le sue dimensioni sono di 137 mm x 135 mm. Una volta che la basetta è pronta, occorre praticare dei fori con punta di trapano da 0.8 mm oppure da 1 mm in corrispondenza delle piazzole. Si è preferito realizzare il PCB con alcune piste grosse, per permettere una dissipazione del calore migliore, specialmente se la corrente che attraversa il circuito è importante. Il PCB è creato su un unico livello, per dare la possibilità a tutti di realizzarlo con semplicità. Si consiglia di irrobustire le tracce, riempiendole di stagno, se si prevede un passaggio di corrente maggiore di 4 A.

Montaggio e assemblaggio

Si può adesso procedere alla saldatura dei componenti e poi all’assemblaggio finale del sistema (vedi figura 5), iniziando da quelli a basso profilo, quali resistenze, condensatori, diodi, zoccoletti per fusibili per poi proseguire con quelli più ingombranti, quali i morsetti, i condensatori elettrolitici e il regolatore.

Occorre fare molta attenzione ai componenti polarizzati. Per la saldatura utilizzate un piccolo saldatore della potenza di circa 30 W, facendo attenzione a non surriscaldare i componenti elettronici, che non sopportano un eccesso di calore. Infine si saldino i componenti con cablaggio, come i potenziometri, i diodi Led, l’interruttore e il mini voltmetro che devono essere, poi, collocati sul contenitore. Si inserisca, quindi, il trasformatore fissando il tutto con gli appositi agganci alla scatola. Come si può vedere dalla figura 6, occorre prevedere la corretta lunghezza dei cavi per i componenti che devono essere montati sul pannello:

• l’interruttore generale;
• i due diodi Led;
• i due potenziometri;
• le prese di colore rosso e nero per il carico;
• il mini voltmetro.

La figura 7 mostra il piano della disposizione dei componenti. Si segua attentamente l’orientamento dei componenti elettronici. I diodi del rettificatore a ponte sono orientati in modo particolare. Si consideri l’utilizzo di un dissipatore di calore.

Il contenitore di metallo

I contenitori metallici costano molto ma sono estremamente eleganti per progetti professionali. E’ possibile, tuttavia, risparmiare parecchi soldi acquistando una scatola di metallo per biscotti. Le misure del contenitore, ovviamente, possono essere diverse, secondo le proprie esigenze e le dimensioni dei componenti interni. Successivamente essa può essere forata e verniciata, secondo le proprie necessità. Prima di effettuare i fori e le finestre occorre essere sicuri della posizione dei componenti e degli indicatori luminosi. La foratura dell’alluminio, infatti, non è tanto semplice specialmente se il foro da ottenere deve essere di forma quadrata o rettangolare. A ogni modo è possibile utilizzare qualsiasi tipologia di contenitore, anche professionale. La figura 8 mostra un esempio di soluzione tridimensionale del contenitore per l’alimentatore, ma le idee sono realmente tante.

La tensione variabile

Tra il pin dell’uscita e il pin di regolazione vi è sempre una tensione di riferimento pari a +1.25 V. Se si pongono due resistori tra questi due terminali (R1+R6), una corrente costante di 10 mA attraversa tali componenti. Il secondo insieme di resistenze (R2+R5+R8), collegato a massa, ha la funzione di impostare la tensione di uscita complessiva. E’ sufficiente una corrente di 10 mA per ottenere tale regolazione, in maniera precisa. La corrente che fluisce sul pin di regolazione è molto bassa, nell’ordine dei microAmpere, e può essere ignorata. La figura 9 mostra alcune relazioni per il dimensionamento dei resistori e la regolazione. Per maggiori informazioni è possibile consultare il datasheet ufficiale del produttore del regolatore.

Prove e collaudo

Eseguiamo, adesso, alcuni collaudi sia pratici che con l’aiuto del simulatore elettronico. Si posizionino, inizialmente, i due potenziometri in posizione di minima tensione e si accenda l’alimentatore. Non si colleghi, al momento, alcun carico all’uscita. Si regoli, quindi, la tensione fino a raggiungere il valore di 6 V, sempre a vuoto. Si spenga, adesso, l’alimentatore, si colleghi una resistenza di potenza di 22 Ohm e potenza di 3 W (per una corrente di 272 mA) e si accenda di nuovo l’alimentatore. Si controlli, quindi la tensione di uscita attraverso la lettura del display. Se il trasformatore è potente e si è collegato un dissipatore esterno, si può procedere ad aumentare la potenza del carico, molto dolcemente. Durante la regolazione della tensione di uscita si può notare la variazione di luminosità del diodo giallo, utilizzato come monitor di uscita. In figura 10 possiamo osservare un grafico che mostra la tensione all’uscita del secondario del trasformatore, dopo il ponte di diodi e all’uscita dell’alimentatore, regolato per una tensione di circa 17 V. Tutte le tensioni sono calcolate rispetto a massa.

Conclusioni

L’articolo presentato è estremamente didattico ed è sempre una bella avventura costruire il proprio alimentatore da laboratorio da zero. Il progettista dovrebbe imparare bene a leggere e capire lo schema elettrico in modo tale da rintracciare un possibile guasto, in caso di avaria del sistema. Lo svantaggio di questo circuito è che esso fa dissipare molto calore al regolatore di tensione, che quindi deve essere dotato di un apposito dissipatore metallico. I regolatori lineari, purtroppo, hanno questa caratteristica. In alternativa all’alimentatore stabilizzato variabile classico appena descritto, si può considerare la costruzione di un convertitore di tensione DC-DC buck o boost. E’, possibile, se si vuole, apportare miglioramenti e aggiunte al circuito, secondo le proprie esigenze. Per esempio:

• si può anche aggiungere un amperometro digitale o analogico in serie alla linea , per poter misurare la corrente assorbita dal carico;
• si può prevedere la presenza di una ventola per raffreddare ulteriormente i componenti;
• si può pensare di collegare due regolatori in parallelo, come spiegato nel datasheet ufficiale del fornitore, in modo da raddoppiare la corrente in transito.

A ogni modo la costruzione di un alimentatore è sempre una operazione molto utile e divertente, e benché risulti leggermente più onerosa, in termini di spesa e di tempo, essa regala uno strumento affidabile, sicuro e, soprattutto, realizzato con le proprie mani. Si ricorda, infine, di non utilizzare l’alimentatore al massimo delle proprie possibilità.

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