Generalità sui regolatori lineari di tensione

In un laboratorio ben attrezzato non può certamente mancare un alimentatore versatile, in grado di fornire diverse tensioni e, all'occorrenza, una corrente notevole. Questo progetto descrive la realizzazione di un alimentatore lineare di concezione sicuramente classica, basato sulla stabilizzazione della tensione di uscita tramite la comparazione con una tensione di riferimento.

Mi sembra opportuno premettere una breve considerazione sugli alimentatori lineari. E' noto che la regolazione della tensione avviene tramite un transistor che si trova in serie all'utilizzatore; tale transistor si comporta in pratica come una resistenza variabile, che adatta di volta in volta il suo valore in modo da determinare la giusta caduta di tensione necessaria ad ottenere in uscita un valore stabile. Ovviamente, a causa della caduta di tensione sul transistor regolatore, un circuito di questo tipo fornisce in uscita una tensione che è sempre inferiore a quella di entrata; la differenza fra la V_IN e la V_OUT viene indicata come drop-out voltage.
Questo tipo di funzionamento, pur essendo assolutamente valido e piuttosto semplice da realizzare, comporta tuttavia un notevole dispendio di potenza, che viene dissipata dal transistor regolatore. Quando il circuito è chiamato ad erogare la corrente massima, e la tensione richiesta dal carico è molto inferiore a quella di entrata, la potenza dissipata diventa notevole, e spesso superiore rispetto a quella utilizzata dal carico collegato in uscita.

E' per tale motivo che, volendo essere concreti, non ha senso progettare e costruire un alimentatore lineare in grado di erogare una corrente elevata su un ampio range di tensioni. L'alimentatore qui descritto può fornire una corrente massima di 4 ampere, ma per quanto detto si è ritenuto opportuno limitare la tensione di uscita ad un campo di valori che va da 5V fino a circa 18 V; in tal modo, pur potendo disporre di una gamma di tensioni accettabile, si evita di partire da una tensione di ingresso eccessivamente elevata.

Schema del nostro regolatore

L'immagine che segue illustra lo schema del regolatore:


Come si può vedere, lo schema è piuttosto semplice, anche se le prestazioni sono sicuramente molto valide, sia in termini di stabilità che in considerazione della corrente disponibile.
T1 è un transistor di potenza che riceve sul collettore la tensione di entrata Vin. La tensione di uscita Vout è presente sull'emettitore e da tale nodo viene derivato il partitore formato dalla resistenza R2 e dalla resistenza variabile Rv (potenziometro o trimmer).
L'amplificatore operazionale Op agisce come amplificatore di errore: in effetti confronta la tensione prelevata dal partitore con una tensione di riferimento, applicata sull'ingresso non invertente, e che, nel caso specifico, ha un valore di 5 V; se la tensione di uscita tende a variare, l'amplificatore operazionale pilota la base del transistor in modo da compensare la variazione.

Componenti:

- T1 Transistor darlington npn TIP102 o equivalenti (caratteristiche: Ic=8A; Ptot=80VA)
- Op Amplificatore operazionale uA741 o altri per uso generico
- Vreg Regolatore di tensione L78L05, Imax=100 mA (viene usato solo come tensione di riferimento)
- R1 Resistenza 1 kohm 1/4 W
- R2 Resistenza 1,8 kohm 1/4 W
- Rv Potenziometro lineare da 4,7 kohm


Naturalmente per realizzare l'alimentatore completo occorre aggiungere un trasformatore di entrata, con relativo ponte raddrizzatore e condensatore elettrolitico di livellamento.
Per ottenere in uscita una corrente di 4 A occorre fare uso di un trasformatore di almeno 80VA di potenza. Un modello adatto a questo progetto è per esempio quello che segue (ordinabile presso la RS, anche on-line)

Schema della sezione di rete e alimentatore completo

Lo schema della sezione rete può essere quello classico, riportato di seguito:


In questo caso si utilizza un trasformatore con presa centrale 15-0-15; sono quindi sufficienti due soli diodi, che possono essere degli MBR10100 o altri adatti ad una corrente di almeno 4 A.
Una soluzione interessante può essere anche il doppio diodo a catodo comune STPS10H100, dotato di aletta di raffreddamento che ne agevola anche il fissaggio (immagine che segue):

Il condensatore elettrolitico C è da 4700 µF, 50 V di lavoro
Nella figura che segue è illustrato lo schema dell'alimentatore completo:

Resistenza termica - raffreddamento del transistor regolatore

Particolare rilievo assume in questo caso la dissipazione del calore generato dal transistor di potenza T1. Tale transistor deve necessariamente essere montato su un apposito dissipatore di caratteristiche adeguate.
In breve, il rapporto tra l'incremento di temperatura di un dissipatore, in conseguenza della relativa potenza elettrica che lo ha determinato, viene definita resistenza termica ed espressa in °C/W.
La possibilità di un componente elettronico di smaltire il calore generato, dipende da una serie di parametri. Occorre infatti considerare diversi valori come la resistenza termica fra la giunzione e il case (contenitore), la resistenza fra il case e il dissipatore e la resistenza caratteristica del dissipatore, che esprime la sua capacità di trasferire all'ambiente il calore accumulato.
Noi possiamo agire solo su quest'ultima parte della catena, scegliendo un dissipatore avente una superficie non inferiore a 600 cm², e interponendo, per un contatto ottimale, l'apposita pasta termoconduttrice.