ALIMENTATORE REGOLABILE - RELAZIONE DI LABORATORIO DI TDP - Alimentatore stabilizzato

TITOLO DELLA PROVA: Alimentatore stabilizzato

OBIETTIVI: Dopo aver studiato il circuito, realizzare lo schematic e il PCB; costruire infine il circuito e fare la verifica.

CIRCUITO DI MISURA:

STRUMENTAZIONE USATA: Bread-board, trasformatore 15 V, cavi di collegamento, trapano con varie punte, stagno, un sald 646f53g atore, una basetta di vetronite ramata di 12 x 6 cm, multimetro

COMPONENTI USATI:

Nr Nome Valore Package

C1 3300µ ELKO7.5-18.5

C2 10µ ELKO5-5.5

C3 22µ ELKO5-5.5

D1 led verde LED1ST

D2 1N4001 D4

D3 1N4001 D4

GL1 B250C1000 BRÜCKE2A

IC3 LM317CT TO-220

K2 AMP6,3-stehend AMP6,3-STEHEND

K4 K1X2 1X02

R1 330 R3

R2 2 K STE-POT1

R3 1K 75T

R4 1,5K R3

Inoltre è stata utilizzata una resistenza da 12 Ω di 12 W per la prova a carico.

SINTESI OPERATIVA:  Alle basi di questa esperienza c'è un lungo studio teorico su come è composto l'alimentatore: trasformatore, raddrizzatore, filtro e stabilizzatore (argomenti trattati nei cenni teorici). Guardando i dati riportati sul testo di TDP (pag 291) li abbiamo modificati al fine di ottenere un alimentatore da 1A considerando una Vo=12 V e ΔVo≤30%.  Per ogni valore delle resistenze e condensatori abbiamo cercato quelli delle serie commerciali e riportato tutti i nuovi componenti in un elenco. Dopo di che abbiamo iniziato la realizzazione dello schematic sul programma Target ed è stato un po' difficile trovare i componenti a nostra disposizione nel programma. Siamo poi passati al PCB e dopo moltissime modifiche il circuito è risultato quello giusto (sono state rispettate tutte le dimensioni delle piste e dei pin in proporzione alla corrente e tensione e ai diametri dei reofori). Abbiamo poi inserito i nostri nomi e abbiamo stampato il circuito su carta lucida. Lo abbiamo posto sopra la basetta di vetronite e sottoposto alle radiazioni dei raggi ultravioletti. In questo modo le piste sono state impressionate ed il circuito è stato poi immerso nella vaschetta con l'acido (cloruro ferrico), infine il circuito è stato pulito ed è stato pronto per il fissaggio dei componenti. Abbiamo provveduto a forare la basetta con la punta da 1 mm, 1.5 mm e da 3 mm ed abbiamo inserito tutti i componenti. Sono stati poi stagnati con stagno e pasta e le saldature sono risultate tutte perfette. Abbiamo poi proseguito l'esperienza con la verifica che è stata negativa per i primi 3/4 tentativi e ci ha portato al bruciare 3 potenziometri. Non ci siamo dati per vinti e abbiamo riflettuto a lungo sul circuito con l'aiuto dei prof e siamo arrivati alla conclusione che un diodo era invertito e arrivava una corrente troppo elevata direttamente sul potenziometro e faceva si che questo si bruciasse. Una volta sistemato tutto abbiamo proseguito con la prova a carico (calcolando il valore del carico e della potenza) e la rilevazione del valore massimo e minimo di tensione.

VERIFICA DEGLI OBIETTIVI:

Cenni teorici:

Un alimentatore stabilizzato trasforma, e di conseguenza riduce, una tensione alternata in una tensione continua. Per farlo, però, occorrono diversi passaggi, quindi diversi componenti. Lo schema a blocchi mostra i diversi passaggi della trasformazione da alternata a continua.

I primi tre blocchi costituiscono l'alimentatore non stabilizzato:

- il trasformatore, che abbassa la tensione di rete;

- il raddrizzatore, che rende la tensione unipolare;

- il filtro, che rende approssimativamente la tensone continua.

Dopo il filtro abbiamo ancora la presenza di una piccola ondulazione residua (ripple), che risulta essere pienamente accettabile in numerose applicazioni. Il regolatore serve per i circuiti integrati, dove il ripple deve essere drasticamente ridotto a qualche mV. Inoltre il regolatore ha il compito di tenere costante la tensione del circuito, indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso, del carico e della temperatura.

Sul mercato esistono molti regolatori di tensioni in grado di dare in uscita tensioni partendo da 1 fino ad arrivare ad alcune decine di V. È il caso del LM317 CT, scelto per la nostra esperienza. Però prima di scegliere il regolatore bisogna stabilire la tensione continua di uscita V_O e la massima corrente I_O che l'alimentatore deve essere in grado di fornire. A questo punto si sceglie il regolatore; occorre però ricavare la tensione V_I al suo ingresso. Bisogna quindi tenere conto della tensione di dropout, ossia della minima tensione che deve sussistere fra ingresso e uscita (generalmente tra 2 e 3 V), affinché il regolatore possa funzionare correttamente. Trascurando in prima approssimazione la corrente assorbita dal regolatore, si può anche stabilire la corrente di ingresso I_I, la quale risulta essere circa uguale alla corrente di uscita I_O. Dopo aver stabilito tutte queste cose, bisogna passare al dimensionamento di tutti i componenti del circuito, quali condensatori, resistenze, diodi.

Una volta scelto il regolatore è stato necessario utilizzare un dissipatore (un mezzo che aiuta il regolatore a dissipare calore).

I condensatori vanno dimensionati in base alla frequenza del circuito, in base all'ampiezza del ripple (ampiezza espressa in V, ΔV_O') e in base alla corrente I_O' (corrente che l'alimentatore non stabilizzato deve fornire).

Le resistenze vanno calcolate; però il risultato che otteniamo non risulta essere presente in commercio; quindi dobbiamo approssimare il valore ottenuto per eccesso al primo valore seguente.

Per i diodi si è fatto riferimento ai comuni 1N4001.

Il ponte di raddrizzamento va preso in base alla corrente media I_Dm che lo attraversa (stimata in 1 A) e alla massima tensione che devono sopportare (alternata 15 V, continua 12 V).

Abbiamo usato un raddrizzatore a doppia semionda, illustrato in figura qui sotto.

Questo schema rappresenta una particolare configurazione, detta ponte di Graetz.

Durante il primo semiperiodo di V_s, la corrente scorre in D₁, R_L, D₂, essendo questi due diodi polarizzati direttamente. Durante il secondo semiperiodo, la corrente scorre in D₃, R_L, D₄ mentre D₁ e D₂ sono polarizzati inversamente. Questo circuito è molto usato poiché non occorre un trasformatore a presa centrale e la tensione inversa è ripartita tra due diodi; così facendo si possono raddrizzare tensioni maggiori. Questo tipo di componente trasforma la parte sinusoidale negativa in positiva, ma non rende la tensione complessivamente continua, poiché questa rimane alternata. Bisogna quindi ricorrere ad altri componenti, quali condensatori, diodi, resistenze, regolatori, illustrati precedentemente.

-Valori calcolati:  

Si considera Vo=12 V    Io=1 A ΔVo≤30%

Il costruttore del circuito consiglia di prendere un valore commerciale per R₁ compreso tra 120 e 240 Ω →  220 Ω

V_O = 1.25x (1+ R₂/ R₁ ) →  R₂ = R₁x( V_O /1.25 -1) = 1892 Ω

Quindi abbiamo dato ad R₂ un valore commerciale di 2.2 KΩ.

Cosa diversa per i condensatori, in quanto C₂ e C₃ sono stati forniti dal costruttore:

C₂ = 10 F; C₃ = 22 μF.

Dai fogli tecnici del regolatore LM 317 CT abbiamo letto la tensione di dropout, che vale 2V (V_dropout). Allora si ricava:

V_i(min) = V_O(max) + V_DROPOUT = 12+2 = 14 V.

Adesso dobbiamo scegliere la capacità di filtro; la tensione V_O' sul filtro C₁ coincide con Vi; pertanto si può scrivere V_O'_(min) = V_i(min) = 14 V.

Quindi l'ampiezza massima dell'ondulazione deve essere contenuta in un determinato valore:

ΔV_O' ≤ 0.3x V_O'_(min) = 0.3x14 = 4.2 V. Prendiamo quindi un valore di ΔV_O' = 3 V.

Pertanto il valore medio V_O' e il valore V_O'_(max) valgono rispettivamente:

V_O' = V_O'_(min) + ΔV_O'/2 = 14+3/2 = 14+1.5 = 15.5 V

V_O'_(max) = V_O'_(min) + ΔV_O' = 14+3 = 17 V

Il valore della capacità di filtro C₁ è:

C₁ = I_O /(2fΔV_O') = 1/(2x50x3) = 1/300 = 3300 μF

Abbiamo quindi preso un condensatore elettrolitico da 3300 μF a 35 V.

Adesso dobbiamo passare alla scelta del trasformatore; la tensione massima del secondario del trasformatore è ricavata nel seguente modo:

V_sM = (V_O'_(max) +2V_F)/0.92 = (17+2)/0.92 = 19/0.92 = 20.7 V

Il suo valore efficace è V_s(eff) = V_sM /√2 = 20.7/√2 = 14.6 V

Abbiamo scelto un trasformatore commerciale con rapporto di trasformazione 200/15. La corrente di secondario a sua volta vale I_s(eff) = 1.8xI_O = 1.8 A e la potenza è data dal prodotto 15x1.8 = 27 VA. Abbiamo pertanto scelto un trasformatore commerciale da 30 VA.

Come ponte di raddrizzamento se n'è usato uno in grado di erogare una corrente media di 1 A e di sopportare una tensione inversa di 100 V.

A questo punto manca solo il dimensionamento del resistore R₄, e si procede.

R₄ = (V_O'-V_d1)/I_d1 = (15.5-1.7)/(10^-3) = 1.38 KΩ → 1.5 KΩ

Dove V_d1 e I_d1 sono, rispettivamente, la tensione e la corrente che attraversa il diodo led.

I valori rilevati dopo la realizzazione del circuito sono:

V_min= 1.26 V    V_max=11.95 V

La resistenza di carico è data da:

R=V/I=12/1= 12 Ω

P=VI=12.1= 12 W

Il valore della tensione sul carico = 11.68 V che è inferiore al valore a vuoto poiché ci sono delle perdite.

Circuito realizzato con PCB e pista

CONCLUSIONI: L'esperienza è riuscita alla perfezione e l'intero circuito è stato compreso perfettamente. Se non fosse stato per il piccolo inconveniente il lavoro sarebbe riuscito al primo colpo invece nel fissaggio dei componenti per sbaglio è stato invertito un diodo e ha provocato danni al circuito. Per fortuna abbiamo capito l'errore e dopo aver sistemato il tutto il circuito è funzionato alla perfezione come previsto dagli studi eseguiti. La realizzazione dello schematic è stata semplice mentre quella del PCB ha presentato qualche punto oscuro infatti è stato difficile coincidere i componenti del Target con quelli a nostra disposizione e sembrava impossibile ma ad ogni controllo del circuito da parte dei prof c'era sempre qualcosa che non andava e questo ci ha portato allo spreco di parecchi fogli ed a un po' di nervosismo. Tutto però si è calmato quando abbiamo visto il nostro circuito che funzionava correttamente.