In questo tutorial vedremo alcune simulazioni sugli alimentatori con BJT, con particolare attenzione alle prestazioni e all’efficienza. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. E’ un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, acquisizione schematica e visualizzatore di forme d’onda con miglioramenti e modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici

Più potenza

Un singolo diodo zener non può gestire molta potenza. Per pilotare carichi robusti è necessario collegare il circuito di base ad un potente transistor. Nella configurazione di figura 1, la tensione della base del transistor è fissata da uno Zener di 12 V. Il valore di R1 è critico. Una bassa resistenza è un pericolo per lo Zener, ma un’alta resistenza produce un cattivo punto di lavoro del diodo. Diamo un’occhiata allo schema elettrico in figura 1. Si tratta di uno stabilizzatore a 12 V.

Figura 1: un regolatore di tensione a transistor

• tensione di alimentazione: 24 V (V1);
• resistore che fornisce corrente al diodo Zener e alla base del transistor (R1);
• diodo Zener 1N4742A (D1);
• transistor di potenza 2N3055 (Q1);
• carico resistivo di 5 Ohm (R2).

Il sottocircuito SPICE del diodo Zener 1N4742A è il seguente:

.SUBCKT DI_1N4742A 1 2
* Terminals A K
D1 1 2 DF
DZ 3 1 DR
VZ 2 3 10.9
.MODEL DF D (IS=34.3p RS=0.620 N=1.10 CJO=94.2p VJ=1.00 M=0.330 TT=50.1n)
.MODEL DR D (IS=6.87f RS=0.550 N=1.49)
.ENDS

Come mostrato nella figura 2, la simulazione transitoria del circuito mostra i seguenti valori di corrente, attraverso i componenti:

• corrente attraverso la batteria V1: 2,31 A;
• corrente attraverso il resistore R1: 117,44 mA;
• corrente attraverso il diodo Zener D1: 21,63 mA;
• corrente attraverso la base del transistor Q1: 95,82 mA;
• corrente attraverso il collettore del transistor Q1: 2,19 A;
• corrente attraverso l’emettitore del transistor Q1: 2,29 A;
• corrente attraverso il carico R2: 2,29 A.

Figura 2: correnti attraverso i componenti

Beta del transistor

In questa configurazione il transistor è un moltiplicatore di corrente. La corrente sul collettore è uguale alla corrente di base moltiplicata per l’hFE del 2N3055. Nel datasheet di 2N3055 il valore hFE è compreso tra 20 e 70. Nel nostro caso, il risultato della divisione:

dice che il guadagno attuale è di circa 23,90. È possibile ottenere lo stesso risultato inserendo la seguente direttiva SPICE nello schema elettrico di LTspice:

.meas TRAN Gain AVG I (R2) / Ib (Q1)

L’efficienza del circuito è molto bassa, intorno al 47,21%. Molta potenza viene dispersa in calore sul resistore R1, sul diodo Zener e sul transistor 2N3055, che deve essere opportunamente raffreddato da un buon dissipatore in alluminio. L’efficienza si calcola con la seguente formula:

Si può calcolare anche l’efficienza inserendo la seguente direttiva SPICE nello schema LTspice:

.meas TRAN EFF AVG (V(Out)*I(R2))/(V(In)*-I(V1))*100

Alcune osservazioni

La scheda tecnica del diodo Zener 1N4742A afferma che la sua corrente operativa I(zr) deve essere di circa 21 mA. Il resistore R1 regola questa corrente al valore corretto. La dissipazione di potenza dello Zener è di circa 260 mW. La dissipazione di potenza di R1 è importante, circa 1,4 W. La dissipazione di potenza del transistor è di circa 27,5 W. Il circuito, sebbene caldo, funziona regolarmente. La tensione sul catodo del diodo Zener è di 12 V (segnale giallo). Quella dell’uscita del circuito che alimenta il carico è di poco inferiore, 11,4 V (segnale verde). Perché? Si deve calcolare la caduta di tensione Vbe, che è di circa 0,6 V per i transistor al silicio (vedi figura 3).

Figura 3: la tensione Vbe diminuisce la tensione di uscita del regolatore di 0,6 V

Sweep dei parametri

E’ molto interessante eseguire alcune simulazioni di sweep per alcuni parametri operativi. Iniziamo a rendere variabile la tensione di ingresso, con un range compreso tra 12 V e 24 V. Come si può vedere, la tensione di uscita non è stabile ma dipende molto dal valore di V1 (vedi figura 4).

Figura 4: simulazione della scansione DC

Per quanto riguarda questo tipo di simulazione, in figura 5 possiamo vedere l’andamento delle correnti del diodo Zener e della base del transistor. Guardando questo grafico, possiamo dire che il diodo Zener inizia a fare il suo “dovere” quando la tensione di alimentazione è intorno ai 23-25 V.

Figura 5: correnti attraverso il diodo Zener e la base del transistor

Ora proviamo diversi valori di carico (R2) tra 7 Ohm e 20 Ohm. Possiamo verificare come risponde il circuito alle varie impedenze e, soprattutto, possiamo verificarne l’efficienza. Per eseguire una simulazione provando diversi valori di carico, possiamo inserire la direttiva SPICE:

.step param load 7 20 0.5

In figura 6 possiamo osservare il grafico della tensione di uscita, in funzione dei diversi valori del carico R2. In ogni caso è compreso tra 11.543 V e 11.665 V.

Figura 6: la tensione di uscita al variare del carico R2

I diversi valori di carico producono la seguente tabella:

La figura 7 mostra i relativi grafici.

Figura 7: l’efficienza del circuito che cambia il carico