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Progettazione dell’alimentatore

da | 10 Giu, 21 | Tutorial |

In questo tutorial vedremo alcune simulazioni di un alimentatore con macro-modelli 78xx. 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.

Librerie SPICE

Sfortunatamente, molti programmi di simulazione elettronica non utilizzano nativamente le librerie per i regolatori 78xx e LM317. I regolatori 78xx sono circuiti piuttosto complessi, composti da decine di transistor, resistori e condensatori (vedi figura 1), che hanno lo scopo di abbassare la tensione di ingresso ad un valore specifico e preciso.

Figura 1: il complesso schema elettrico del regolatore 78xx

In LTspice è molto semplice includere il modello SPICE di qualsiasi componente. E’ preferibile disegnare a mano il simbolo del nuovo componente (con estensione “.ASY”) e creare i pin con il nome riportato nel “.SUBCKT” (vedi figura 2). Nello schema elettrico è necessario includere la libreria con la direttiva SPICE:

.lib nome.lib

oppure

.inc regolatori.lib

Figura 2: come disegnare un nuovo componente

Simulazione completa del 7805

I valori massimi assoluti del regolatore 7805 sono i seguenti:

  • Tensione di ingresso: 35 V;
  • Temperatura di giunzione (TO-220): 5 °C/W;
  • Resistenza Termica Giunzione-Aria (TO-220): 65 °C/W;
  • Intervallo di temperatura di esercizio: da -40 a +125 °C;
  • Corrente di uscita fino a 1A;
  • Corrente di picco: 2,2 A.

Eseguiamo ora alcune simulazioni sull’utilizzo del regolatore 7805 come alimentatore generico. La teoria è la stessa per le altre tensioni del 7808, 7812, 7815 e 7824. Nella figura 3 possiamo osservare lo schema applicativo tipico.

Figura 3: applicazione tipica del regolatore 7805

La tensione di alimentazione, nell’esempio, è variabile mentre la tensione di uscita è di 5 V, utilizzando un carico resistivo di 10 Ohm, con una forte corrente di 500 mA. Verifichiamo il grafico dell’efficienza variando la tensione di alimentazione, in un range compreso tra 7 V e 35 V, osservando il grafico in figura 4. L’efficienza si calcola con la seguente formula:

(V(OUT)*I(R1))/(V(IN)*-I(V1))*100

Figura 4: l’efficienza del circuito variando la tensione di alimentazione tra 7 V e 35 V con un carico di 100 Ohm

Ad esempio, con una tensione di alimentazione di 12 V, l’efficienza del circuito è del 41,3% mentre con una tensione di alimentazione di 20 V, l’efficienza del circuito scende al 24,7%. Come si vede dal grafico, l’efficienza massima del circuito (circa il 65%) corrisponde alla tensione di alimentazione più bassa, pari a 7 V. I progettisti dovrebbero considerare questi parametri. Aumentando la tensione dell’alimentatore fino a 35 V si ha un notevole aumento della potenza dissipata inutilmente dal regolatore 7805, il cui grafico è riportato in figura 5.

Figura 5: la potenza dissipata dal regolatore 7805

Valutiamo ora la tensione di uscita del 7805 in funzione del carico, espresso in Ohm. Questo grafico, visibile a sinistra della figura 6, indica che la tensione di uscita del regolatore è costante (5 V) finché la resistenza di carico non scende sotto i 2 Ohm. In questo caso la tensione di uscita scende drasticamente perché interviene la protezione interna del regolatore. A destra dello stesso grafico è mostrata la corrente di uscita del 7805, in funzione del carico, espresso in Ohm.

Figura 6: grafico tensione e corrente in uscita VS. il carico

Dividiamo il calore

Molto spesso è utile utilizzare due o più regolatori in cascata, quando la tensione di ingresso è molto superiore alla tensione di uscita. Utilizzando due regolatori l’efficienza non migliora, viceversa è leggermente inferiore, ma aiuta a distribuire la dissipazione sui due dispositivi, come si vede in figura 7. I due circuiti elettrici hanno lo scopo di abbassare la tensione da 20 V a 5 V. Il primo circuito di sinistra utilizza solo il regolatore 7805 mentre il circuito di destra utilizza un 7812 e un 7805 in cascata. La potenza dissipata del primo circuito a sinistra è così distribuita:

  • potenza generata dalla batteria V1 (V(IN)*-I(V1)): 10,1 W;
  • potenza dissipata dal 7805 (V(IN)*Ix(X1:1)+V(OUT)*Ix(X1:3)): 7,6 W;
  • potenza dissipata dal Carico R1 (V(OUT)*I(R1)): 2,5 W;
  • efficienza del primo circuito: 24,76 %.

La potenza dissipata del secondo circuito di destra è così distribuita:

  • potenza generata dalla batteria V2 (V(IN2)*-I(V2)): 10,2 W;
  • potenza dissipata dal 7812 (V(IN2)*Ix(X3:1)+V(N001)*Ix(X3:3)): 4,14 W;
  • potenza dissipata dal 7805 (V(N001)*Ix(X2:1)+V(OUT2)*Ix(X2:3)): 3,5 W;
  • potenza dissipata dal Carico (R2 V(OUT2)*I(R2)): 2,5 W;
  • efficienza del secondo circuito: 24,52 %.

L’efficienza del secondo circuito è leggermente inferiore, ma la dissipazione sui due dispositivi è distribuita.

Figura 7: l’uso di due regolatori

Utilizzando tre regolatori (7815, 7812 e 7805) le potenze sono così suddivise:

  • potenza generata dalla batteria V3: 10,3 W;
  • potenza dissipata dal 7815: 2,65 W;
  • potenza dissipata dal 7812: 1,58 W;
  • potenza dissipata dal 7805: 3,56 W;
  • potenza dissipata per carico: 2,5 W;
  • efficienza: 24,28 %.

Il 7805 stabilizza la tensione solo a 5 V?

Proviamo lo schema elettrico di figura 8, che prevede una resistenza collegata al pin del regolatore che normalmente è collegato a massa.

Figura 8: alimentazione variabile con 7805

Modificando il valore resistivo di questa resistenza (R2) da 50 Ohm a 3000 Ohm, con una tensione di ingresso di 20 V, possiamo ottenere una tensione di uscita compresa tra 5,2 V e 17,7 V. L’assorbimento massimo di questa resistenza è di circa 5 mA ( per una dissipazione massima di 60 mW). Per questo motivo possiamo utilizzare un potenziometro per costruire un alimentatore a variazione continua (vedi figura 9). La tensione di uscita dipende anche dal carico collegato. Alcuni esempi sono mostrati nella tabella seguente.

Resistore R2 (Ohm) Vout
500 7.5 V
1000 9.9 V
1500 12.3 V
2000 14.6 V
2500 16.8 V
3000 17.7 V
Figura 9: modificando il valore di R2 possiamo ottenere un’alimentazione variabile

È molto interessante studiare l’efficienza di questo alimentatore variabile, il cui grafico è mostrato in figura 10. Ai valori di prestazione più elevati corrisponde ovviamente una tensione di uscita più elevata, con una minore dissipazione di calore.

Figura 10: L’efficienza del circuito è diversa modificando i valori di R2

 

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