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Elettronica |
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Alimentatore Switching regolabile.
da 5.1 a 15 Volt con 4 Ampère.
Prima di presentare lo schema elettrico del progetto è doveroso almeno un rapido confronto tra le caratteristiche di un alimentatore lineare e uno switching. Questo ultimo risulta più efficiente del tipo lineare così che a parità di potenza erogata si può optare per un trasformatore e un dissipatore più piccolo e quindi più economico. Ne ha ovviamente vantaggio anche l'ingombro e il peso del prodotto finito.
Facciamo un rapido confronto tra le due topologie analizzando i calcoli riportati nella sottostante tabella. Si prenda come riferimento il nostro alimentatore regolabile per il quale si voglia una regolazione 4A su 5.1 Volt.
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Lineare |
Switching |
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Per una regolazione ottimale la caduta minima deve valere almeno 5Volt su 4A. La tensione nominale del trasformatore dovrà valere almeno 14 Vnom per ottenere in qualsiasi condizione di stress una tenuta dela fornitura di energia senza cali di tensione. La potenza dissipata dalla cascata di componenti dalla sorgente fino all'uscita vale Pd=(Vnom-Vo)Io = 36W il dissipatore necessario a smaltire il calore avra una resistenza termica Rth = 0.8 °C/W La potenza fornita dal trasformatore deve vale: Pdiss = 14 x 4 = 56 W Questi dovrà quindi essere dimensionato per: Pd= 56/0,9 = 62 VA
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Assunto lo stesso voltaggio nominale di 14
Vnom, il data sheet del circuito integrato L296 indica che la
potenza dissipata in questo caso è di soli 7W. Tale potenza è dissipata in soli due elementi, Il circuito integrato L296 e nel diodo di ricircolo ( nello schema BPW80). Ne consegue che il trasformatore può essere dimensionato attorno a 30 VA è il dissipatore di calore deve avere una resistenza termica nell'intorno di 11°C/W. questa comparazione mette in evidenza che il regolatore switching L296 consente un risparmio all'incirca del 50% nel costo del trasformatore (in denaro e in spazio) ed un impressionate vantaggio del 80 - 90% nel costo del dissipatore Va considerato inoltre che che il circuito integrato mette inoltre a disposizioni un numero piuttosto elevato di opzioni che se implementate con componenti discreti richiederebbero una ulteriore spesa. Per finire va segnalato che L296 grazie alla sua bassa dissipazione di potenza è il componente ideale per lavorare in chassy di ridotte dimensioni. |
il circuito integrato L296 è alloggiato in un housing plastico di tipo MULTIWATT® a 15 pin, che ne include anche la sezione di potenza e un regolatore p.w.m. utilizzablie anche per pilotare motori in continua di piccola e media potenza. Questa sezione pwm è controllata da un oscillatore implementato internamente in grado di generare un segnale fino a 200 Khz. La sezione di potenza può fornire fino a 4 ampère al carico e la tensione risulta regolabile da 5.1 Volt fino a 40 volt, mentre la tensione massima con cui alimentarlo non deve superare i 46 Volt. con un accorgimento circuitale è possibile far regolare la tensione fino a livello 0 volt o addirittura fargli generare tensioni negative, è quindi possibile costruire alimentatori duali o di uscite multilivello. La capacità di dissipazione termica del dispositivo è molto alta infatti la resistenza termica (vedi sezione di fisica tecnica di questo sito) è molto bassa, appena 3°C/W tra la giunzione e il corpo metallico a contatto con il dissipatore termico. Tutto il percorso termico tra la giunzione e l'ambiente attraverso il punto di contatto tra corpo metallico del componete e il dissipatore si mantiene sotto i 35°C/w.
La figura sottostante mostra il pinout (connessione interna dei reofori) dell'integrato L296, in modo particolare viene evidenziato che l'aletta di raffreddamento risulta essere elettricamente collegata al pin 8, quindi il necessario dissipatore esterno risulterà connesso ed equipotenziale a massa.
La casa costruttrice SGS-Thompson, mette a disposizione la seguente tabella che chiarisce la funzionalità di ogni pin del circuito integrato.
Attenzione: una caratteristica degli alimentatori switching è quella di non essere operativi in assenza di carico applicato all'uscita, in questo caso l'integrato L296 si accende solo se la corrente minima estratta dall'uscita vale 100 mA.
download schema elettrico in formato GIF.
Il trasformatore a presa centrale può essere sostituito da un trasformatore a singolo avvolgimento con tensione al secondario non inferiore a 15 Vac, ma in questo caso si dovranno sostituire i due diodi BY251 con un ponte preferibilmente costituito con quattro essi.
Nello schema elettrico vi sono due punti nei quali si deve procedere a un dimensionamento, il punto di regolazione e il punto reazione induttiva costituito dall'induttanza da 300 uH. Per la regolazione da 5,1 fino a 15 d'uscita la serie del potenziometro da 5K con la resistenza da 2,2k è corretta, ma nel caso si volesse realizzare una versione a tensione fissa può sostituire il gruppo con una serie dimensionata come in tabella.
| Valore delle resistenze del partitore per Vo fisse | ||||
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Vo |
R a massa | R a +Vcc | ||
| 12 Volt | 4,7 KΩ | 6,2 KΩ | ||
| 15 Volt | 4,7 KΩ | 9,1 KΩ | ||
| 18 Volt | 4,7 KΩ | 12 KΩ | ||
| 24 Volt | 4,7 KΩ | 18 KΩ | ||
Il dimensionamento dell'induttanza posta in serie all'uscita procede secondo la tabella riportata che utilizza sezioni di filo di rame standard e core toroidali metallici di serie. seguendo questi suggerimenti otterrete il valore di 300 uH richiesti dal progetto.
| Tipo di core | n° avvolgimenti | sezione filo | spazio tra i fili | ||
| Magnetics 58930 - A2MPP | 43 | 1,0 mm | - | ||
| Thomson GUP 20x16x7 | 65 | 0.8 mm | 1 mm | ||
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Siemens EC35/17/10 (b6633&-G0500-X127 |
40 | 2 x 0,8 mm | - | ||
| VOGT 250 uH bobina Toroidale, numero d'ordine 5730501800 (standard) | |||||
Il circuito stampato che alloggia il circuito è di dimensioni abbastanza ridotte, circa 80mmX50mm, nell'immagine sottostante è rappresentato il layout dei componenti.
come si può vedere il circuito integrato L296 è come di consueto posizionato in posizione tale da poter essere fissato al dissipatore di calore. Sul lato sinistro è rappresentato l'induttanza L1, avvolta su un nucleo toroidale con un numero di spire e sezione del filo indicato nella tabella precedentemente riportata. Sul lato destro si nota la presenza di un trimmer che in realtà non verrà montato perchè sostituito dal potenziometro di regolazione della tensione d'uscita che sarà fissato sul frontalino del contenitore.
il disegno sovrastante mostra lo sbroglio del circuito eseguito con il FidoCad, in nero sono state evidenziate le piste che costituiscono la massa. Il primo morsetto a vite sulla sinistra è l'uscita positiva regolata. I primi tre morsetti da destra sono l'ingresso ed a essi andranno collegati gli avvolgimenti del secondario del trasformatore con l'avvertenza di collegare al centro la presa centrale di esso.
Viste le ridotte dimensioni in una basetta fotosensibile di misura standard otteniamo ben quattro esemplare dell'alimentatore.
nota importante: Dal link sottostante potrai scaricare il PCB per realizzare il circuito, esso è realizzato con FidoCad, se quando lo apri vedi solo una lista di numeri (netlist), significa che non hai installato il Fidocad nel tuo PC, questo software è gratuito, è totalmente sicuro per il tuo PC e richiede solo un minuto per il download da questo sito. Se ancora non lo hai scaricato lo puoi ottenere cliccando qui -> FidoCad.
download file FidoCad "alimentatore Switching 5,1 to 15V, 4 ampère
nella foto seguente vediamo la distribuzione delle parti interne alla scatola da un punto di vista in pianta.
Nella foto che segue è messo ben in evidenza il diodo BPW80 che assieme all'induttanza costituisce la parte circuitale che completa lo switching.
Nella foto possiamo vedere un alimentatore montato ed alloggiato nel contenitore, bene in evidenza c'è l'induttanza avvolta manualmente sul nucleo torroidale. Sul pannello frontale verranno montati il potenziometro, le boccole di collegamento rosso-nera per prelevare la tensione continua, l'interruttore di accensione e se lo si desidera anche uno strumento per la visualizzazione del livello d'uscita quale ad esempio il VU-Meter digitale con dispaly a 3 cifre presentato sempre in questo sito.
VU-meter digitale a 3 DIGIT.
Un'altra versione dello stesso display è nella foto sottostante, il PCB è un pò più ingombrante ma il montaggio dei due circuiti integrati necessari alla realizzazione risulta più agevole.
Il cavetto flat ricavato da un vecchio computer è la soluzione ottima per un collegamento rimuovibile rapido e sicuro. Sulla basetta viene montato un pettine di pin mentre sul flat vi è la femmina del connettore multipolare.
versione Eagle.
A febbraio 2010 il progetto dell'alimentatore è stato rivisto nel formato Eagle ottenendo una versione più professionale e nel contempo più compatta. gli spessori delle piste sono stati estremizzati e la eventuale tecnologia FR4 dual Layer garantisce elevata affidabilità anche alle alte correnti.
Schema elettrico eseguito in formato Eagle dell'alimentatore regolabile switching
Nella foto vediamo la fase di sbroglio della nuova versione Eagle.
Aspetto definitivo del progetto 50mm x 22mm