Tutti i progettisti conoscono bene i regolatori 78XX, 79XX, LM317, LM337 & C. Essi sono componenti economici, semplici da utilizzare e dal funzionamento sicuro e affidabile. Molti di essi limitano la corrente a un massimo di 1 A. Per maggiori esigenze esistono altre soluzioni, egualmente semplici e a poco prezzo. Vediamo, nel presente tutorial, una soluzione eccellente che utilizza il regolatore LT1083 della Analog Devices.

Un potente regolatore

Il regolatore LT1083 (vedi il simbolo e il pinout di figura 1) permette di regolare una tensione positiva e fornisce una corrente fino a 7.5 A con un’alta efficienza. I circuiti interni sono progettati per funzionare fino a 1 V differenziale tra ingresso e uscita. La tensione massima di dropout è di 1.5 V alla massima corrente di uscita. E’ richiesta la presenza di un condensatore in uscita da 10 uF. Ecco alcune sue caratteristiche degne di nota:

• tensione di uscita regolabile;
• corrente fino a 7.5 Ampere;
• contenitore TO220;
• potenza di dissipazione internamente limitata;
• massima tensione differenziale di 30V.

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 nel presente tutorial è caratterizzato da una tensione di uscita variabile e configurabile. Esistono altri due modelli, LT1083-5 e LT1083-12 che stabilizzano l’uscita a 5 V e 12 V, rispettivamente.

Schema applicativo minimale per una tensione di uscita di 5 V

La figura 2 mostra lo schema applicativo per un regolatore a 5 V. La tensione d’ingresso deve essere sempre maggiore di 6.5 V. La tensione di alimentazione del circuito, ovviamente, non deve risultare esageratamente alta, poiché tutta la potenza finirebbe dissipata inutilmente in calore, abbassando drasticamente l’efficienza del sistema. Il regolatore è collegato, tramite i suoi tre pin, in modo classico all’ingresso, all’uscita e a un partitore resistivo di tensione che determina il valore della tensione d’uscita. La presenza di due condensatori, uno all’ingresso e uno all’uscita è fortemente consigliata. Lo schema in oggetto ha la funzione di stabilizzare la tensione in uscita a 5 V esatti. Per questo motivo il partitore è formato da due resistenze di precisione dell’1%, la prima di 121 Ohm e la seconda di 365 Ohm. E’ ovvio che la sostituzione dei due componenti passivi con un trimmer o un potenziometro implementa un sistema di alimentazione a tensione variabile.

Una prima misurazione dei risultati, riguardanti la tensione di uscita, la corrente sul carico e la potenza dissipata dall’integrato regolatore, è mostrata nella tabella di figura 3. Le simulazioni sono effettuate provando diversi valori dei carichi, con una impedenza compresa tra 1 Ohm e 20 Ohm. Un dato molto importante, che balza subito agli occhi, è la straordinaria costanza della tensione di uscita (sempre pari a 5 V esatti) anche se il carico subisce drastiche variazioni. La corrente che attraversa il carico, infatti, è estremamente variabile, assieme alla potenza dissipata dall’integrato stesso. Rimanendo, dunque, nei limiti di funzionamento imposte dal costruttore, il regolatore risulta estremamente stabile e sicuro.

Il regolatore è progettato per funzionare con una tensione di “Dropout” fino a 1 V. Tale differenziale è indipendente dalla corrente di carico e, grazie al suo basso valore, il sistema finale può risultare molto efficiente. In figura 4 è possibile osservare il grafico della tensione di ingresso, compresa tra 0 V e 8 V (grafico di colore rosso) e la tensione di uscita (grafico di colore blu). Tra le due tensioni vi è un effettivo “Dropout” di circa 1 V, come specificato dalle caratteristiche del costruttore.

La tensione di uscita dell’integrato (con i valori utilizzati del partitore resistivo) è molto stabile anche se si utilizza un carico di diversa entità, come è possibile osservare nel grafico di figura 5.

L’efficienza è tanto più elevata quanto la tensione d’ingresso si avvicina a quella desiderata di uscita. Le seguenti misurazioni dell’efficienza media sono state effettuate utilizzando diversi valori di carichi, con tre fonti di alimentazioni diverse, rispettivamente a 18 V, 12 V e 6.5 V.

• Tensione di ingresso: 18 V con efficienza del circuito pari al 26.71%;
• Tensione di ingresso: 12 V con efficienza del circuito pari al 40.84%;
• Tensione di ingresso: 6.5 V con efficienza del circuito pari al 75.37%;

Il regolatore, quindi, lavora di più quando la tensione d’ingresso e molto più alta di quella di uscita e dissipa, pertanto, tanta energia in più che viene persa in calore non utilizzato.

Effetti della temperatura

Il regolatore esaminato in questo tutorial risulta estremamente stabile anche alle variazioni di temperatura. Sebbene il costruttore attesti una stabilità dello 0.5%, nella documentazione ufficiale, i risultati ottenuti sono ancora più soddisfacenti. Si esamini, adesso, un semplice schema applicativo equivalente al primo esaminato, con le seguenti caratteristiche statiche:

• tensione d’ingresso: 6.5 V;
• tensione di uscita: 5 V;
• impedenza resistiva del carico connesso in uscita: 5 Ohm;
• corrente sul carico: 1 A;
• potenza dissipata dal regolatore: 1.51 W.

Eseguiamo, adesso, una simulazione variando la temperatura nell’intervallo compreso tra -10° C e +100° C. Esaminando il grafico di figura 6 scopriamo che in un intervallo molto ampio di temperature (ben 110°C di escursione) l’uscita è rimasta, praticamente, costante. Il circuito integrato è estremamente stabile e la variazione massima della tensione di uscita, ai due estremi termici, risulta solo di 6.2 microVolt.

Diodo di protezione

Il regolatore LT1083 non necessita di diodi di protezione, come visualizzato nello schema di figura 7. Il nuovo progetto del componente, infatti, permette di limitare le correnti di ritorno grazie all’uso di resistenze interne. Inoltre il diodo interno, già presente tra l’ingresso e l’uscita dell’integrato è in grado di gestire picchi di corrente della durata di microsecondi da 50 A a 100 A. Pertanto, anche il condensatore sul pin di regolazione non è strettamente necessario. Il regolatore potrebbe danneggiarsi solo se all’uscita è collegato un condensatore dalla capacità maggiore di 5000 uF e, contemporaneamente, il pin d’ingresso cortocircuitato a massa. Si tratta, dunque, di una eventualità estremamente remota.

Come ottenere diverse tensioni

Tra il pin dell’uscita e il pin di regolazione vi è sempre una tensione di riferimento pari a +1.25 V. Se si pone un resistore tra questi due terminali, una corrente costante attraversa tale resistenza. La seconda resistenza, collegata 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. Implementando un trimmer o un potenziometro si può realizzare un alimentatore a tensione variabile. La corrente che fluisce sul pin di regolazione è molto bassa, nell’ordine dei microAmpere, e può essere ignorata. Ecco i passi per il calcolo delle due resistenze, per un alimentatore di 14 V, guardando anche lo schema del partitore di figura 8 e le formule riportate in figura 9:

1. si deve sempre dimensionare la tensione di ingresso Vin almeno a 1 V in più di quella desiderata di uscita, quindi Vin>15;
2. tra il pin di uscita e quello di riferimento vi è sempre una tensione di 1.25 V;
3. la resistenza R1 tra il pin di uscita è quello di riferimento deve essere attraversata da una corrente di 10 mA;
4. il valore di R1 è uguale al rapporto tra la differenza di potenziale sulla resistenza e la corrente che la deve attraversare;
5. la tensione del pin di riferimento è uguale alla tensione di uscita meno la tensione fissa di 1.25 V;
6. Anche la resistenza R2 deve essere attraversata da una corrente di 10 mA, pertanto essa si può calcolare facilmente con la legge di Ohm.

Con i valori, dunque, rispettivamente di R1=125 Ohm e di R2=1275 la tensione di uscita è di 14 V esatti. Con un potenziometro di 3.3 kOhm al posto della resistenza R2 si può ottenere un alimentatore variabile con tensione compresa tra 1 V e Vin.

Conclusioni

Il regolatore LT1083 a 3 terminali è, come si è visto, regolabile ed è molto semplice da utilizzare. Esso è dotato di diverse protezioni che, solitamente, sono previste nei regolatori ad alte prestazioni. Tali sistemi di protezione riguardano il cortocircuito e l’arresto termico al di sopra dei 165° C. La eccezionale stabilità consente di realizzare sistemi di alimentazione di prima qualità. E’ richiesto un condensatore elettrolitico da 150 uF o al tantalio da 22 uF di uscita per la completa stabilità.