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Un regolatore di tensione da 7.5 Ampere con LT1083

da | 22 Giu, 22 | Tutorial |

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 unā€™alta efficienza. I circuiti interni sono progettati per funzionare fino a 1 V differenziale tra ingresso e uscita. La tensione massima di dropout ĆØ di 1.5 V alla massima corrente di uscita. Eā€™ 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.

PuĆ² 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 ĆØ caratterizzato da una tensione di uscita variabile e configurabile. Esistono altri due modelli, LT1083-5 e LT1083-12 che stabilizzano lā€™uscita a 5 V e 12 V, rispettivamente.

Figura 1: il regolatore LT1083

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 dā€™ingresso deve essere sempre maggiore di 6.5 V. La tensione di alimentazione del circuito, ovviamente, non deve risultare esageratamente alta, poichĆ© tutta la potenza finirebbe dissipata inutilmente in calore, abbassando drasticamente lā€™efficienza del sistema. Il regolatore ĆØ collegato, tramite i suoi tre pin, in modo classico allā€™ingresso, allā€™uscita e a un partitore resistivo di tensione che determina il valore della tensione dā€™uscita. La presenza di due condensatori, uno allā€™ingresso e uno allā€™uscita ĆØ fortemente consigliata. Lo schema in oggetto ha la funzione di stabilizzare la tensione in uscita a 5 V esatti. Per questo motivo il partitore ĆØ formato da due resistenze di precisione dellā€™1%, la prima di 121 Ohm e la seconda di 365 Ohm. Eā€™ ovvio che la sostituzione dei due componenti passivi con un trimmer o un potenziometro implementa un sistema di alimentazione a tensione variabile.

Figura 2: lo schema applicativo minimale ma perfettamente funzionante con tensione di uscita di 5 V

Una prima misurazione dei risultati, riguardanti la tensione di uscita, la corrente sul carico e la potenza dissipata dallā€™integrato regolatore, ĆØ 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, ĆØ 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, ĆØ estremamente variabile, assieme alla potenza dissipata dallā€™integrato stesso. Rimanendo, dunque, nei limiti di funzionamento imposte dal costruttore, il regolatore risulta estremamente stabile e sicuro.

Figura 3: i risultati delle misure sullo schema del regolatore a 5 V

Il regolatore ĆØ progettato per funzionare con una tensione di ā€œDropoutā€ fino a 1 V. Tale differenziale ĆØ indipendente dalla corrente di carico e, grazie al suo basso valore, il sistema finale puĆ² risultare molto efficiente. In figura 4 ĆØ 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 ĆØ un effettivo ā€œDropoutā€ di circa 1 V, come specificato dalle caratteristiche del costruttore.

Figura 4: il grafico della tensione di ingresso, di uscita e di Dropout

La tensione di uscita dellā€™integrato (con i valori utilizzati del partitore resistivo) ĆØ molto stabile anche se si utilizza un carico di diversa entitĆ , come ĆØ possibile osservare nel grafico di figura 5.

Figura 5: il grafico mostra lā€™eccezionale stabilitĆ  di uscita indipendente dal carico utilizzato

Lā€™efficienza ĆØ tanto piĆ¹ elevata quanto la tensione dā€™ingresso si avvicina a quella desiderata di uscita. Le seguenti misurazioni dellā€™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 piĆ¹ quando la tensione dā€™ingresso e molto piĆ¹ alta di quella di uscita e dissipa, pertanto, tanta energia in piĆ¹ 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 stabilitĆ  dello 0.5%, nella documentazione ufficiale, i risultati ottenuti sono ancora piĆ¹ soddisfacenti. Si esamini, adesso, un semplice schema applicativo equivalente al primo esaminato, con le seguenti caratteristiche statiche:

  • tensione dā€™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 nellā€™intervallo compreso tra -10Ā° C e +100Ā° C. Esaminando il grafico di figura 6 scopriamo che in un intervallo molto ampio di temperature (ben 110Ā°C di escursione) lā€™uscita ĆØ rimasta, praticamente, costante. Il circuito integrato ĆØ estremamente stabile e la variazione massima della tensione di uscita, ai due estremi termici, risulta solo di 6.2 microVolt.

Figura 6: il grafico mostra la variazione della tensione di uscita alle diverse temperature di esercizio

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 allā€™uso di resistenze interne. Inoltre il diodo interno, giĆ  presente tra l’ingresso e lā€™uscita dellā€™integrato ĆØ 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 ĆØ strettamente necessario. Il regolatore potrebbe danneggiarsi solo se allā€™uscita ĆØ collegato un condensatore dalla capacitĆ  maggiore di 5000 uF e, contemporaneamente, il pin dā€™ingresso cortocircuitato a massa. Si tratta, dunque, di una eventualitĆ  estremamente remota.

Figura 7: il diodo di protezione tra uscita e ingresso non ĆØ piĆ¹ necessario

Come ottenere diverse tensioni

Tra il pin dellā€™uscita e il pin di regolazione vi ĆØ 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. Eā€™ sufficiente una corrente di 10 mA per ottenere tale regolazione, in maniera precisa. Implementando un trimmer o un potenziometro si puĆ² realizzare un alimentatore a tensione variabile. La corrente che fluisce sul pin di regolazione ĆØ molto bassa, nellā€™ordine dei microAmpere, e puĆ² 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 piĆ¹ di quella desiderata di uscita, quindi Vin>15;
  2. tra il pin di uscita e quello di riferimento vi ĆØ sempre una tensione di 1.25 V;
  3. la resistenza R1 tra il pin di uscita ĆØ quello di riferimento deve essere attraversata da una corrente di 10 mA;
  4. il valore di R1 ĆØ uguale al rapporto tra la differenza di potenziale sulla resistenza e la corrente che la deve attraversare;
  5. la tensione del pin di riferimento ĆØ 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 puĆ² calcolare facilmente con la legge di Ohm.

Con i valori, dunque, rispettivamente di R1=125 Ohm e di R2=1275 la tensione di uscita ĆØ di 14 V esatti. Con un potenziometro di 3.3 kOhm al posto della resistenza R2 si puĆ² ottenere un alimentatore variabile con tensione compresa tra 1 V e Vin.

Figura 8: il calcolo delle resistenze del partitore per ottenere qualsiasi valore di tensione

 

Figura 9: le formule per il calcolo delle due resistenze

Conclusioni

Il regolatore LT1083 a 3 terminali ĆØ, come si ĆØ visto, regolabile ed ĆØ molto semplice da utilizzare. Esso ĆØ 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 165Ā° C. La eccezionale stabilitĆ  consente di realizzare sistemi di alimentazione di prima qualitĆ . Eā€™ richiesto un condensatore elettrolitico da 150 uF o al tantalio da 22 uF di uscita per la completa stabilitĆ .

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