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Laboratorio di tecnologia disegno e progettazione - Progettazione di un alimentatore variabile stabilizzato

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Laboratorio di tecnologia disegno e progettazione


Progettazione di un alimentatore variabile stabilizzato


Obiettivi: Progettare e realizzare su basetta ramata un alimentatore variabile stabilizzato con una tensione massima di 12Volt con una corrente massima di 0.5 A, l'alimentatore inoltre deve avere una DVo del 35%.


Introduzione



In un qualunque circuito elettronico una delle parti più importanti è lo stadio di alimentazione. Esiste tutta una serie di regolatori di tensione per poter fornire al circuito le giuste tensioni.





I regolatori di tensione variabile più usati sono: LM317 e LM337, rispettivamente per la tensione positiva e negativa, prodotti dalla National Semiconductor.



Schemi e dati di progetto


Lo schema a blocchi di un alimentatore stabilizzato è illustrato in figura.









I primi tre blocchi che costituiscono il cosiddetto alimentatore non stabilizzato comprendono:


o        Il trasformatore, che ha il compito di abbassare la tensione di rete;


Il trasformatore: è una macchina elettrica (necessaria per il funzionamento dell'alimentatore) capace di variare i due fattori che costituiscono l'espressione della potenza (V*I),e quindi è usato per trasferire potenza elettrica da un livello di tensione alternata ad un altro. Un trasformatore è costituito da un nucleo magnetico e da almeno due avvolgimenti. Nel suo circuito di ingresso, detto anche primario, entra potenza elettrica, nel circuito di uscita o secondario, esce potenza elettrica con valori di tensione e corrente modificati e più appropriati alle nostre esigenze. Il trasformatore lavora solo in corrente alternata e la frequenza di ingresso è identica a quella di uscita. Nella figura sottostante è rappresentato il simbolo elettrico d 626g63g el trasformatore.


o        Il raddrizzatore, che rende la tensione unipolare;

Il raddrizzatore è una delle molteplici applicazioni del diodo ed è sicuramente la più utilizzata. Per raddrizzatore si intende un dispositivo in grado di convertire la corrente alternata in corrente continua (in verità si tratta di corrente di tipo pulsante positiva). È abbastanza noto che in elettronica l' uso della corrente continua è fondamentale, e quindi bisogna trovare il modo di disporre di essa senza incorrere in grandi spese. Visto che l' energia elettrica (per convenienza) viene fornita sotto forma di corrente alternata, è indispensabile poterla trasformare in continua per le varie applicazioni. A tale scopo si utilizza il raddrizzatore. Nel nostro caso il raddrizzatore è caratterizzato dal ponte di Graetz esso è costituito da 4 diodi predisposti opportunamente per ottenere un collegamento a ponte.

o        Il filtro,che stabilizza la tensione, rendendola approssimativamente continua.


Il filtro: Come accennato in precedenza, dal raddrizzatore viene erogata una corrente di tipo pulsante e unipolare, e per ovviare a questo inconveniente intervengono i filtri, di solito formati da condensatori. Dunque il filtro ha il compito di livellare la tensione pulsante in uscita dal raddrizzatore fornendo una tensione di valore sostanzialmente costante. In relazione alla potenza ed al grado di livellamento richiesto le capacità assumono una determinata configurazione circuitale. Come detto il filtro è composto da condensatori che, come nel nostro caso, possono essere sia polarizzati che non polarizzati.


La tensione fornita dal filtro presenta, sovrapposta alla componente continua, un evidente ondulazione residua denominata, ripple, che è tuttavia accettabile in numerose applicazioni, per esempio per l'alimentazione degli amplificatori finali audio e dei motori in corrente continua di piccola potenza.

Viceversa per l'alimentazione dei circuiti integrati, in particolare digitali, è necessario che il ripple venga drasticamente ridotto in pochi mV, necessita a questo scopo un quarto blocco, il regolatore di tensione.

Questo ha inoltre la funzione di mantenere la tensione di uscita il più possibile costante, indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso del carico e della temperatura.


Circuito di misura





















L'alimentatore non stabilizzato, costituito dall'ingresso k3 il ponte di raddrizzamento e dal condensatore di filtro C1 alimenta il regolatore integrato LM 317 collegato secondo la configurazione.

I condensatori C2 e C3 hanno la funzione di filtrare ulteriormente la tensione e di diminuire il ripple di uscita.

I diodi D2 e D2 forniscono un percorso di scarica rispettivamente ai condensatori C2 e C3 in particolari condizioni di funzionamento, impedendo di stabilirsi pericolose sovratensioni fra i terminali del regolatore. In particolare D2 consente la scarica di C3 nel caso di cortocircuito dell' ingresso e D3 la scarica di C2 in caso di cortocircuito all'uscita.


LM 317


Esistono sul mercato molteplici regolatori di tensione integrati in grado di fornire tensioni variabili da circa un volt ad alcune decine di volt. Uno dei più comuni è lm317 la cui tensione di uscita può essere variata da1.25 V a ben 37 V, come indicato nei fogli tecnici. Lo schema applicativo dell' Lm317 è illustrato in figura:












Il regolatore è realizzato in modo da mantenere costante la tensione tra il terminale di uscita Vo e quello di Adjustment ossia regolazione; tale tensione, chiamata tensione di riferimento V ref è pari ad 1.25 V.

Il valore della corrente di Adj è molto basso circa 100 mA.


Di seguito riportato lo schema dimensionale del regolatore.






 



Questo componente dispone di soli tre piedini ed è venduto in contenitore TO 220 come mostrato in figura. Viene anche fornita la versione a bassa corrente in contenitore TO 92.



Fig.8


E = entrata, si collega la tensione d'ingresso (V in) non stabilizzata, ma già raddrizzata e livellata.

R = Regolazione, opportunamente collegato questo piedino permette di regolare la tensione di
uscita (questo terminale spesso viene chiamato adjust).

U = uscita, si preleva la tensione stabilizzata (V out).


Massima corrente di uscita

IMAX=1.5 A

Minima tensione di uscita

Vmin=1,25 V



Potenza massima dissipabile

PMAX=15 W

Reiezione al ripple

r = 80 dB

Minima differenza tensione in/out

Vi/o_min=3 V


La versione a bassa corrente viene indicata facendo seguire un L (Low) alla sigla LM317 e la corrente massima che può erogare è di: IMAX=100 mA.

 

Dimensionamento

Regolatore di tensione


Dalla relazione di figura 2 si ricava il rapporto che deve sussistere fra le resistenze R1 ed R2 del partitore di tensione,affinché si possa ottenere la massima tensione di uscita Vo(max), nel nostro caso di 12V.


alimentatore_2.png





Occorre scegliere i componenti tenendo conto dei valori commerciali e del fatto che il valore R1 deve essere compreso tra i 120 e 240W.


Sostituendo otterremo:


R1 / R2 = (12 / 1.25) - 1


R1 / R2 = 8.6


Data la disponibilità di materiale sono stati scelti i valori R1 = 200 W e R2 = 2.200 K W.

Per i condensatori sono stati scelti i valori consigliati dal costruttore del valore di :

C1 = mF      C2 = 22 mF     

Per I diodi la scelta è caduta sui comuni diodi 1n 4001.

Dai fogli tecnici del regolatore LM317 si vede che la tensione di droupout vale 2 Volt quindi si ricava che la tensione minima d'ingresso vale:

Vi (min) = Vo (max) + Vdropout

Vi (min) = 12 + 2 = 15 Volt

Capacità di filtro


La tensione Vo' sulla capacità di filtro C1 coincide con Vi pertanto 15 Volt.

L'ampiezza massima dell'ondulazione deve essere contenuta entro il valore data dalla formula:


DVo < = 0.35 V 'o (min)


DVo = 0.35 x 15 = 5.25 Volt


Il valore 0.35 ci è stato dato all'inizio del progetto da parte dell'utente. Il valore DVo si è scelto il valore 2



Il valore medio ed il valore massimo pertanto valgono:


Valore medio Vo' = (V ' o (min) + DVo ) / 2 = ( 15 + 2 ) / 2 = 8 . 5


Valore massimo Vo' (max) = (V ' o (min) + DVo ) = 15 + 2 = 17

Trasformatore


Per il dimensionamento del trasformatore bisogna ricavare il valore massimo ed il valore efficace Vs (eff) della tensione del secondario.

Per ottenere VsM occorre utilizzare la seguente formula:


VsM  =

 
Vo(max) + kVf

0.92

 




Dove K viene posto uguale a 2, Vo(max) tensione di ripple massima, ricavata in precedenza.

VsM = (17 + 2) / 0.92 = 20,65 V

Il suo valore efficace è Vs (eff) = Vs M / 2 = 20,65 / 2 = 14.6 volt


Abbiamo quindi scelto un trasformatore commerciale con rapporto di trasformazione 230 : 15 .

La corrente nel secondario a sua volta vale:


I s (eff) = 1.8 x I 0 = 1.8 x 0.5 = 0.9 Ampere



La potenza erogata dal trasformatore deve essere pari a:


P trasformatore = V s (eff) x   I s (eff) = 14.6 x 0.9 = 13.14 Va

Si è scelto quindi un trasformatore della potenza di 15 Va facilmente reperibile in commercio.

Ponte di raddrizzamento


Per il ponte di raddrizzamento si è optato date le caratteristiche elettriche del circuito un ponte in grado di erogare una corrente media di 1 A a 250 Volt. In grado di sopportare una tensione inversa di 100V.

Dissipatore


Il regolatore si trova nella condizione più gravosa per quanto riguarda la potenza dissipata, quando la corrente è massima a 0.5 A la tensione di uscita è minima si ha la massima potenza dissipata. Viceversa al crescere della tensione diminuisce la caduta ai capi del regolatore quindi la potenza dissipata è minima. La potenza dissipata dall'integrato si ricava mediante la formula:

P D = ( Vi - Vo ) x I o

Pertanto:

P D = - 12 ) x 0.5 = 1.8 Watt

Dalla disponibilità è stato scelto un dissipatore più che sufficiente per la potenza dissipata.


Elenco componenti:

Numero Nome Valore Package diametro foro trapano


o            C1 2200µ ELKO10-25 1 mm

o            C2 10µ ELKO1.5-4 0.8 mm

o            C3 22µ ELKO2.5-6 0.8 mm

o            D1 LED (Verde) 0.8 mm

o            D2 1N4001 D4 1 mm

o            D3 1N4001 D4 1 mm

o            GL1 B250C1000 ponte 2A 1.5 mm

o            IC2 LM317CT TO-220 1 mm

o            K1 connettore (facoltativo) 1.5 mm

o            K3 connettore 1.5 mm

o            R1 2,2K R3a 1.5 mm

o            R2 220 R3 0.8 mm

o            R3 2.2K potenziometro 1.5 mm


Il connettore K1 è opzionale, nel caso venga inserito in una scatola.


Procedimento di realizzazione


La fase iniziale della progettazione riguarda la scelta del circuito. Si scelto di realizzare un alimentatore variabile di date caratteristiche.

La seconda fase riguarda il dimensionamento e scelta dei componenti che devono essere scelti in base all'utilizzo dell'alimentatore. Successivamente si passa al disegno attraverso un software del circuito finale già con i componenti dimensionati. Una volta compiuto si passa alla realizzazione del PCB.

Esso viene realizzato sempre mediante il software, si scelgono le dimensioni della basetta e grazie all'autopiazzamento dei componenti ne facilita il lavoro. Vengo disposti i componenti seguendo alcune regole.

I componenti vengono raggruppati in modo da sfruttare tutto lo spazio disponibile, i componenti che richiedono una regolazione dovrebbero essere disposti lungo i bordi della scheda, in ogni caso devono essere facilmente accessibili, occorre disporre e orientare i componenti in modo regolare e ordinato, i componenti ad elevata dissipazione devono essere posti lontano da componenti sensibili.

Successivamente completata la realizzazione delle piste e del PCB in generale viene stampato su carta lucida e passato alla fase di fotoincisione, asportato il fortoresist polimerizzato attraverso un lavaggio di soda caustica viene inserito nel cloruro ferrico, un sale, che elimina il rame in eccesso. Realizzata al basetta di rame si passa alla foratura con punte che variano da 0.8 a 1.5 mm. Per il fissaggio del dissipatore viene utilizzata una punta del diametro di 3mm. La saldatura finale avviene con un saldatore a stazione esterna con una temperatura sulla punta di 350°,il tipo di saldatura usata è lo brasatura dolce con materiale d'apporto costituito da una lega di stagno è piombo. Vengono prima fissati viene fatto uso della pasta dissaldante chiamata flussante. Viene poi posto il circuito a prova finale.    


PCB lato rame (scala 1:1):








PCB lato componenti (scala 1:1):











Collaudo o prova finale

IL collaudo va eseguito prima di un eventuale assemblaggio nel contenitore.

Come primo test si verifica che, a vuoto, la tensione di uscita sia regolabile entro i limiti imposti dalle specifiche richieste dall'utente. Si ripete poi il test con carico medio ( Io = 0.25 A ) e carico massimo ( Io = 0.5A ), per diverse tensioni di uscita. Per le tensioni più basse si tenga sotto controllo la temperatura del regolatore e del dissipatore.

Si verifichi infine l'entità del ripple nella condizione più gravosa di carico massimo.


Dati rilevati:


La prima parte del collaudo è stato inserito un carico ohmico tale che la corrente massima fosse di 0.25 A.

Secondo la legge di ohm:

R = V / I


R = 12 / 0.25 = 48 ohm


Data la disponibilità di materiale sono state poste in serie due resistenze del valore di 24 W

Una volta interposto il carico si è variata la tensione di uscita:


Tensione (V)

Corrente (A)
















Successivamente si è interposto un carico che producesse una corrente di uscita di 0.5 A, per la legge di ohm:

R = 12 / 0.5 = 24 W

Si è rilevata la corrente per la tensione di uscita:

Tensione (V)

Corrente (A)






















Infine l'entità del ripple è stata misurata con l'oscilloscopio. Si è interposto il carico massimo e attraverso l'oscilloscopio si è visto che il ripple assumeva la grandezza di qualche millivolt.


Circuito finale











Text Box: Progettazione di un alimentatore variabile stabilizzato








Lanzoni Fabio Anderlini Matteo 4° a I.T.I.S.
 Anno scolastico 2005 - 2006






















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