Raffaele Ilardo


Semplice alimentatore switching

IMAX = 3A; VOUT regolabile da 2V a 35V


© La parziale riproduzione dei contenuti di questa pagina è consentita a patto di citare l'indirizzo del sito e l'autore.

Quando si decide di costruire un alimentatore, quasi sempre si tende ad orientarsi sui classici regolatori di tensione lineari. La scelta è a volte determinata da una certa diffidenza e, direi quasi, timore, verso soluzioni alternative come gli alimentatori switching.

circuito integrato step-down LM2596 Circuito integrato LM2596
In effetti è vero che questa categoria di circuiti è leggermente più impegnativa e richiede l'uso di componenti appositamente selezionati, ma attualmente le difficoltà connesse a tale tecnica sono agevolmente superabili utilizzando circuiti integrati come, ad esempio, l'LM2596 che si vede in figura.

L'integrato "step-down" LM2596

L'integrato LM2596 è uno step-down, cioè un convertitore switching che riduce la tensione in ingresso, stabilizzandola ad un valore prefissato; lavora con una frequenza di commutazione di 150kHz e pertanto i componenti per il filtraggio possono avere dimensioni e valori ridotti.
L'efficienza supera il 70% e risulta quindi notevolmente più alta rispetto ai regolatori lineari; ciò consente di usare un trasformatore di entrata di minor potenza, con maggiore libertà di scelta, visto che l'integrato accetta un'ampia gamma di tensioni; ciò che conta è che la tensione in ingresso sia comunque superiore di almeno 2V rispetto a quella che si desidera ottenere in uscita. L'integrato è in grado di fornire una corrente massima di 3A, con una tensione regolabile da circa 2 a oltre 30V.

Lo schema applicativo è riportato nella figura che segue; come si vede, i componenti da aggiungere non sono molti, ma devono essere di buona qualità e montati osservando precise norme per evitare auto oscillazioni e malfunzionamenti. I collegamenti segnati in blu devono essere tenuti più corti che sia possibile e fatti confluire in un punto di massa unico; è anche opportuno montare i resistori R1 ed R2 molto vicini all'integrato.

schema elettrico di alimentatore switching con LM2596

La tensione di uscita VOUT viene regolata tramite il trimmer R2; volendo determinare un valore di tensione specifico, si può usare la formula: VOUT=Vref (1+R2/R1)
R1 deve essere compresa fra 1 e 5 kohm, mentre Vref ha un valore di 1,23V

diodo condensatori e induttanza per regolatore switching LM2596
I pochi componenti esterni

Elenco dei componenti e loro caratteristiche:

C1: 100µF - 50V (elettrolitici alluminio o tantalio a basso ESR)
C2: 220µF - 50V (elettrolitici alluminio o tantalio a basso ESR)
C3: 100µF - 50V (elettrolitici alluminio o tantalio a basso ESR)
D1: diodo Schottky 1N5824 o equivalenti
L1: 33 µH
L2: 20 µH
R1: 1,2 kohm
R2: trimmer 50 kohm
Come già detto, la tensione d'ingresso VIN deve essere almeno 2V più alta della massima tensione che si desidera ottenere in uscita; in ogni caso VIN non deve superare 40V. Se ad esempio si alimenta il circuito con una tensione continua di 15V, sarà possibile regolare la tensione di uscita fino ad un massimo di circa 12V.
Il condensatore d'ingresso C1 serve a stabilizzare il funzionamento del convertitore ed a prevenire ampli transienti di tensione; va montato il più vicino possibile all'integrato.
Un parametro importante da considerare nella scelta di C1, al fine di garantirne la durata nel tempo, è la corrente di ripple che esso può sopportare; i condensatori per tensioni più alte hanno maggiori dimensioni e sono quindi in grado di dissipare meglio il calore generato da tale corrente.

Fenomeni parassiti nei condensatori

Si tratta di fenomeni che tendono a degradre il funzionamento del convertitore switching:

ESR (Equivalent Series Resistance) è l'equivalente della resistenza che si trova in serie al condensatore reale; causa riscaldamento del componente, dovuto alla corrente di ripple che entra ed esce dal condensatore, fino a provocarne la rottura. Una ESR elevata causa elavati valori di ripple nella tensione di uscita ed, eventualmente, instabilità dell'anello di regolazione. Nello scegliere il condensatore, occorre valutare il valore della ESR non solo a 120Hz, ma nel campo delle frequenze di switching (20 - 100 kHz).

ESL (Effective Series Inductance) è l'induttanza che si trova in serie al condensatore reale e ne limita l'efficienza alle alte frequenze. Quando il convertitore commuta su ON, deve essere prelevato un forte picco di corrente dal circuito di ingresso; è pertanto importante che l'impedenza della sorgente sia molto bassa, dato che anche un piccolo valore di induttanza può causare cattivo funzionamento del convertitore. Per tale motivo è è opportuno collegare un condensatore ceramico di bypass in parallelo all'elettrolitico.
Il condensatore C2 ha l'importante funzione di filtrare la tensione di uscita e garantire la stabilità del funzionamento; anche in questo caso, per avere un valore di ESR sufficientemente basso, è opportuno scegliere un condensatore ad alta tensione di lavoro.
Anche le induttanze devono essere scelte con attenzione, dando la preferenza a quelle avvolte su nucleo toroidale, che garantiscono un flusso disperso quasi nullo. Se un induttore si surriscalda, vuol dire che sta lavorando oltre i limiti consentiti; il calore è dovuto alla corrente nel filo dell'avvolgimento ed alla saturazione del nucleo.
L'induttanza L2 ed il condensatore C3 costituiscono un'ulteriore cella filtrante; aggiungendo tale filtro si riducono di oltre 10 volte il ripple e gli eventuali transienti di tensione.
Il diodo D1 deve essere del tipo "veloce" (detto anche fast recovery), ovvero deve poter ripristinare la conduzione in un tempo ridottissimo, allo scopo di seguire le commutazioni ad alta frequenza del circuito switching.
Il pin 5 permette di realizzare lo shutdown, ovvero di spegnere il convertitore tramite un livello logico; per il funzionamento normale il pin 5 deve essere collegato alla massa (zero volt), mentre applicandovi una tensione superiore a 1,6V l'alimentatore va in condizione OFF.

Lay-out del circuito stampato

L'immagine che segue mostra un possibile circuito stampato, per chi volesse ricorrere a questo tipo di montaggio; nel riportare lo schema sul rame occorre naturalmente adattare la scala del disegno, facendo riferimento per esempio alla distanza fra i piedini del circuito integrato.

layout circuito stampato per LM2596

Nello schema, il pin 5 viene portato all'esterno per consentire, a chi lo desidera, di realizzare la funzione "shutdown"; in caso contrario, per il funzionamento normale, la pista di tale piedino va collegata alla massa.
alimentatore switching montato su scheda millefori
Montaggio di fortuna su scheda millefori

Il "mio" alimentatore

Giusto per tener fede al detto "predica bene e razzola male" io ho costruito l'alimentatore con uno scapestrato montaggio su basetta millefori (figura a lato). Non ci credevo nemmeno io, ma funziona benissimo! Ho montato l'integrato su di un pezzo di profilato di alluminio, allo scopo di smaltire quel poco di calore che potrebbe prodursi in condizioni di carico particolarmente gravose.
Ho voluto esagerare e, per ottenere una ESR ancora più bassa, ho usato, come C1, due condensatori da 68µF in parallelo, scegliendoli con una tensione di lavoro addirittura di 100V (tanto non avevo limiti di spazio).
Per la verità, nel prototipo che mi sono divertito a costruire non ho inserito la cella filtrante L2/C3. Ho osservato all'oscilloscopio il segnale mentre era collegato un carico che assorbiva 1,5 A; in effetti si notavano dei piccoli spike di circa un centinaio di mV, ma per un pò di sperimentazione in laboratorio non mi pare che questo rappresenti un problema.
reading boy












raffaele ilardo