In questo tutorial vedremo alcune simulazioni sui regolatori di tensione lineari basati su operazionali. Il principale software elettronico utilizzato ĆØ LTspice. Eā 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.
Un circuito classico con un OP-AMP
Nella figura 1 possiamo vedere un circuito classico. In esso ci sono tre componenti principali: il diodo Zener, l’OP-AMP e il transistor. Eseguiamo alcune simulazioni a vari nodi, cambiando anche i valori dei componenti. In questo schema la tensione della fonte di alimentazione ĆØ di 15 V. La tensione necessaria all’uscita ĆØ di 12 V. La corrente del dispositivo dipende dal transistor. Questi sono i componenti piĆ¹ importanti utilizzati:
- il diodo Zener ĆØ il modello EDZV12B (12 V) di Rohm;
- l’OP-AMP fa parte della categoria degli operazionali ed ĆØ LT1001 di Linear Technology / Analog Devices;
- il transistor utilizzato ĆØ 2N3055, utilizzato per applicazioni ad alta corrente e media potenza.
Figura 1: schema elettrico di un circuito classico con un OP-AMP
Studio delle correnti e delle potenze
Cominciamo l’osservazione della corrente attraverso il circuito. I valori principali di esso sono i seguenti:
- corrente attraverso R1: 36,4 mA;
- corrente attraverso lo Zener D1: 36,4 mA;
- R1 e D1 sono attraversati dalla stessa corrente;
- corrente che scorre attraverso il pin non invertente dell’amplificatore operazionale: solo 8,16 pA (praticamente nessuna corrente);
- corrente attraverso R3: 7,96 pA (praticamente nessuna corrente);
- corrente attraverso R4 (carico): 546 mA.
Ancora piĆ¹ interessante ĆØ l’osservazione delle potenze dissipate (Watt) sui singoli componenti elettronici:
- potenza dissipata da R1: 108,66252 mW;
- potenza dissipata da Zener D1: 437.37723 mW;
- potenza dissipata da OP-AMP: 28.495907 mW;
- potenza dissipata da R3: 0 W;
- potenza dissipata da R2: 14.435963 mW;
- potenza dissipata dal transistor Q1: 1.6053177 W;
- potenza dissipata da R4 (carico): 6.5618016 W.
La potenza generata dalla batteria V1 ĆØ 8.756091 W.
Efficienza del circuito
Sulla base dei dati misurati sopra possiamo determinare il grado di efficienza del circuito. La formula per calcolare l’efficienza ĆØ:
dove P (Output) ĆØ la potenza in uscita e P (Input) ĆØ la potenza in ingresso. Tutti i componenti del circuito dissipano ovviamente una certa quantitĆ di energia, quindi l’efficienza di questo sistema non ĆØ del 100%. Con i componenti del diagramma schematico in CC, l’efficienza del nostro circuito ĆØ pari a:
Non ĆØ un circuito molto efficiente, in cui molta energia viene persa nel calore inutilizzato, soprattutto dal transistor Q1. Puoi usare questa relazione completa:
Sweep di parametri
Esaminiamo ora il comportamento del circuito eseguendo alcuni sweep di diversi valori dei componenti elettronici utilizzati. Cominciamo osservando il grafico dell’efficienza del circuito, utilizzando diversi valori di carico, compresi tra 1 ohm e 80 ohm. Per eseguire lo sweep, imposta semplicemente il valore di resistenza al carico sulla variabile {LOAD} e inserisci la direttiva SPICE:
.STEP PARAM LOAD 1 80 1
Il grafico dei risultati ĆØ mostrato in figura 2. Come si puĆ² vedere, il circuito ha la massima efficienza (77,6%) quando la resistenza del carico ĆØ di circa 10 ohm.
Figura 2: il grafico del rendimento con valori variabili del carico
Un’altra interessante simulazione di sweep con gli operazionali ĆØ quella che prevede l’aumento della tensione di alimentazione, al fine di misurare la relativa dissipazione del transistor e dello Zener. Come si puĆ² vedere dal grafico di figura 3, ĆØ necessario scegliere con attenzione la tensione di alimentazione, sia per non stressare il diodo Zener che il transistor. Il grafico mostra la dissipazione del diodo Zener (linea rossa) e del transistor (linea verde) durante l’aumento della tensione di alimentazione da 0 V teorici a 50 V.
Figura 3: il grafico della dissipazione di potenza del diodo Zener e del transistor
