In questo tutorial vedremo alcune simulazioni sull’alimentazione senza trasformatore. Questo è utile quando è necessario alimentare piccoli carichi con un basso assorbimento di corrente. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. È un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, cattura schematica e visualizzatore di forme d’onda con miglioramenti e modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici. Può essere scaricato gratuitamente da https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Alimentazione senza trasformatore

Non è una magia o un sogno. Per piccoli carichi è possibile abbassare la tensione da 230 V AC a pochi Volt (5, 12 o 24, ad esempio) utilizzando solo un resistore limitatore di corrente, come si può vedere nello schema elettrico in figura 1. La sua efficienza è estremamente bassa (<1%) perché l’energia viene persa in calore sulla resistenza R1. Questo componente, infatti, deve fare molto lavoro per abbassare la tensione da 230 V AC RMS a 12 V DC. Nell’esempio questo componente lineare dissipa una potenza media di 22 W, quindi deve essere dimensionato per almeno 50 W, essendo la sua dissipazione la seguente:

V(N3,N2)*I(R1)

Figura 1: alimentazione senza trasformatore utilizzando una grande resistenza

Nello schema ci sono tre nodi operativi: N1, N2 e N3. Con i valori dei componenti in esso utilizzati, le tensioni transitorie (in un secondo) sono riportate nei grafici di figura 2. I grafici di figura 2a mostrano come ci vuole un certo tempo affinché l’uscita raggiunga i 12 V. Esso dipende dalla costante di tempo, determinata anche dal condensatore C1. Nell’esempio, questi tempi di carica dei condensatori, per concludere il transitorio, sono i seguenti:

• C1 = 100 uF. T = 25 mS;
• C1 = 470 uF. T = 130 mS;
• C1 = 1000 uF. T = 290 mS;
• C1 = 4700 uF. T = 1,38 S;
• C1 = 10000 uF. T = 3 S.

Figura 2: le tensioni transitorie dello schema di alimentazione senza trasformatore con resistenza

Con una resistenza di carico fissa, l’ondulazione dipende dal condensatore C1. Più grande è il condensatore, minore è l’ondulazione presente sul segnale di uscita. Utilizzando i condensatori di cui sopra, la quantità di ondulazione (vedere la figura 3), da picco a picco, è la seguente:

• C1 = 100 uF. ondulazione = 1,17 Vpp;
• C1 = 470 uF. ondulazione = 261,7 mVpp;
• C1 = 1000 uF. ondulazione = 121,58 mVpp;
• C1 = 4700 uF. ondulazione = 25,3 mVpp;
• C1 = 10000 uF, ondulazione = 11,89 mVpp.

Figura 3: l’ondulazione

I lettori più attenti avranno notato che la tensione di uscita del circuito non raggiunge i 12 V desiderati ma a circa 11,3 V. Possiamo assicurare che, anche senza carico collegato, la tensione di uscita è sempre inferiore a 12 V (vedi figura 4). Questa caduta di tensione è causata dal diodo D2. Un diodo Schottky potrebbe limitare questa caduta di tensione.

Figura 4: il diodo D2 provoca una caduta di tensione

Un condensatore migliora la situazione

Come si può vedere dallo schema di figura 5, l’aggiunta di un condensatore in poliestere in serie alla linea migliora l’efficienza del sistema. In questa configurazione, l’efficienza è intorno al 18%.

Figura 5: alimentazione senza trasformatore utilizzando una resistenza e un condensatore

Poiché la tensione massima sul condensatore è maggiore di 320 V, è necessario scegliere un modello che supporti almeno 650 V, come mostrato in figura 6.

Figura 6: la tensione massima sul condensatore è maggiore di 320 V.

Con questa configurazione il resistore R1 dissipa solo 0,5 W ma è sempre meglio utilizzare un modello di almeno 2 W. Il condensatore C2 funge da resistore, ed ha una reattanza capacitiva alla frequenza di 50 Hz. Più precisamente, la reattanza capacitiva di un condensatore, alla frequenza sinusoidale F, è espressa nella seguente formula:

da cui deriva che il condensatore C2 ha una reattanza capacitiva di 6772,55 Ohm ma, a differenza di un resistore, non dissipa calore. Anche la tensione di uscita del circuito è di 12 V, a cui va sottratta la caduta di tensione del diodo D1.

Attenzione

Quando il circuito è spento, il condensatore C2 potrebbe rimanere carico a lungo. Si consiglia di collegare un resistore ad alta resistenza in parallelo al componente, come mostrato nella figura 7. Questo resistore (470000 Ohm, 470 kOhm) non influisce sul normale funzionamento del circuito. In condizioni operative normali, la sua dissipazione è di circa 100 mW. La scarica completa del condensatore avviene in circa 1 secondo, ma dopo 0,4 secondi il suo valore di tensione non è più pericoloso.

Figura 7: il resistore R2 in parallelo al condensatore C2 lo scarica quando il circuito è spento