Alimentatore da Laboratorio: Modulo Regolatore Universale
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Alimentatore da Laboratorio:
Modulo Regolatore Universale
La realizzazione di un alimentatore penso che sia uno dei primi lavori in elettronica che ognuno di noi ha affrontato, essendo uno dei principali strumenti per poter dare vita ai propri montaggi. Per questo scopo vi propongo la realizzazione di questo modulo universale che vi consentirà di poter costruire alimentatori di qualsiasi tipo, sia a bassa tensione che a medie ed alte tensioni.
La casa costruttrice del regolatore da me scelto, il LM723, lo da fino a 250 volt, io personalmente ne ho realizzati fino a 500 volt, intendo alimentatori variabili da 0 a 500 volt, 0 - 5 ampere.
Intro
Molti anni fa, mi posi il problema di costruire degli alimentatori, senza doverli riprogettare ogni volta, alimentatori che spaziavano tra 0 e 500 volt e con correnti tra 0 a 20 A e oltre, elaborando un circuito base che mi consentisse poi di adattarlo alle necessità del momento cambiando solo la parte esterna di regolazione di potenza per adattarlo alle esigenze e/o specifiche richieste.
Per ottenere questa estrema versatilità scelsi tra i regolatori lineari dell'epoca, un tipo di circuito che ne permettesse la realizzazione: scelsi il regolatore LM723 nella sua configurazione “FLOATING” che allora, erani i mitici anni 70', era molto diffuso e se la batteva col MC1466 di Motorola.
Questo circuito è stato migliorato per realizzarlo come modulo programmabile:
I Regolatori Lineari Floating
Un regolatore lineare “floating” flottante (galleggiante) è una modalità circuitale adottata per acquisire la capacità di regolare tensioni, che spaziano a partire dallo 0 fino a raggiungere anche qualche kilovolt.
La sua strategia consiste nel legare la sezione di controllo e il transistor serie di regolazione al valore della tensione di uscita
La tensione di uscita viene allora considerata come una "massa galleggiante" per il sistema di regolazione, ed il transistor serie di regolazione è scelto in base alla tensione differenziale ingresso-uscita scelta che è fornita da un alimentatore separato.
E' necessario però che Il Transistor serie di regolazione abbia una Vbrkdwn maggiore della tensione di ingresso al collettore, in quanto allo start-up (all'accensione) esso vedrà l'intera tensione di ingresso applicata ai suoi capi.
Bisogna fare attenzione a che ogni pin di controllo di in o out non divenga negativo rispetto alla massa "flottante" dell'integrato, pena la sua distruzione.
Un ultimo avvertimento vale per il resistore o il potenziometro di regolazione verso la massa: la tensione di Vbreakdown dei resistori comuni da 1/4 di W, è circa 250 volt.
Se la tensione di uscita salisse quindi oltre i 200 volt è bene usare più resistori di sensing verso massa, oppure resistori o potenziometri da 1W che resistono a tensioni superiori, intorno ai 350-500 volt per quelli più comuni, oppure usare quelli per alte tensioni che arrivano fino a 750-1000v.
Per il nostro sistema di regolazione universale programmabile in tensione e corrente, ho scelto dunque un integrato dalla lunga vita, essendo stato concepito negli anni 1970, ma che ancora è forse il migliore sulla piazza per la sua versatilità come regolatore lineare.
Si tratta dell’integrato LM723 o uA723, prodotto da molte case, la cui configurazione scelta è appunto, quella floating, visibile nella foto, presa da datasheet del 723.
Questo circuito preso dal data sheet del 723, è stato migliorato con i consigli dati dalla stessa Fairchiuld per la sua versione, per realizzare il modulo programmabile da me pensato:
La parte disegnata in nero è residente sulla scheda di regolazione, mentre la parte segnata in rosso rappresenta quella personalizzabile da parte dell’utente per i propri scopi.
Da questo schema possiamo derivare alcune interessanti considerazioni:
1 – il 723 è alimentato a parte da un sezione del Trasfo di PWR, con stabilizzazione a 15 v.
2 - è dotato di due diodi di protezione sull’ingresso dell’operazionale di sensing, per l'uso come regolatore "floating" se si superano i 40 volt, ma va anche bene se vogliamo regolare tensioni inferiori,
3 - esso regola la tensione "alzandosi" dalla massa di regolazione con un resistore, il cui valore è pari a circa 1000 ohm per ogni volt che si intende regolare,
4 - La corrente erogata dall'integrato, pari a 150 mA, gli consente di pilotare direttamente la maggior parte di Tr PWR singoli che vogliamo usare in uscita per la regolazione della tensione e corrente di uscita,
5 - Se tale corrente non fosse sufficiente per i nostri scopi, basterà aggiungere un Tr di medio PWR che piloterà il o i TR PWR in parallelo che vorremmo usare in uscita, questo transistor è già previsto sulla scheda universale,
6 - Nella configurazione scelta usiamo Tr PWR di tipo NPN, per un numero minimo di componenti,
7 - La realizzazione, per motivi di compatibilità con i miei alimentatori realizzati in precedenza, è stata fatta su una scheda a 22 pin, per avere la possibilità di una semplificazione nella manutenzione.
8 – ha una Load Regulation pari a 0,005 % di Vout,
9 – ha una Line Regulation pari a 0,01 % di DVin
10 - la Rsc è calcolata: Rsc = 0,51/I limit (Ampere)
Le considerazioni 8,9 sono date dal costruttore, e valgono se utilizzate il modulo senza il preregolatore, che le peggiora leggermente, nell'ordine del 20-25 %.
Benchè l'integrato LM723 (uA723) appartenga a quella schiera di regolatori lineari di vecchia generazione, ho potuto però constatare come esso viaggi ancora a bordo della maggior parte degli alimentatori cinesi e non oggi largamente presenti nella nostra distribuzione.
L'integrato dispone al suo interno di tutti i componenti necessari per poter realizzare una ottimale stabilizzazione sia in tensione che in corrente.
Chi ha tentato di costruire alimentatori si sarà reso conto che la maggior parte dei regolatori ha il limite dei 37 V. in uscita che non è possibile superare se non con particolari precauzioni, come pre-regolatori o quant’altro.
Anche il 723 non esce da queste considerazioni, avendo anch’esso con 40V in ingresso la possibilità di regolarla fino a 37v.
Dovendo utilizzare questo alimentatore per caricare un certo numero di batterie al piombo a bassa capacità, del tipo per allarmi, intorno ai 20 Ah, avevo dunque la necessità di superare i fatidici 37 v per poterne caricare contemporaneamente almeno 5 o 6, e quindi il mio caricatore doveva raggiungere (13,8 per 6) = 82,8 Volt, con corrente di carica pari a 1/10 della nominale di 15 A/h pari a 1,5 A, per poter mantenere ben cariche tale set di batterie connesse in serie (si trattava di batterie nuove!).
Spulciando tra le caratteristiche del LM 723 ho realizzato che era possibile utilizzarlo in una configurazione detta "floating" in tal modo era possibile avere una regolazione tra 0 e gli 80 v necessari.
Questo tipo di circuito necessita di due distinte fonti di alimentazione, una per l’integrato, stabilizzata o dallo zener da 15 v, o da un 7815 come nel nostro caso in quanto alimentiamo anche il Fan di raffreddamento, la seconda alimentazione è rappresentata dalla tensione che si intende regolare, che può raggiungere anche il valore di qualche kV.
Nell’esempio da me realizzato esso è il cuore di un regolatore variabile da 0 a 80 volt, con 5 A di corrente erogata,
che usa come transistor serie un 2N3773, un NPN da 150 V 15 A, ed è pilotato direttamente dal 723 senza l’intermediario di un NPN di media potenza (già previsto sulla scheda), come sarà il caso di aggiungere se vogliamo tirare fuori più ampere dal nostro alimentatore mettendo in parallelo 2 o più transistor Power NPN
Il secondario a 18 vac alimenta il 723, mentre il secondario di potenza gli fornisce gli 80v rettificati e livellati da una coppia di elettrolitici da 10.0000uF 150 Volt, applicati al collettore del transistor PWR serie, e possiamo vedere come il 723 "fluttui" sulla alimentazione da regolare attraverso il resistore R2, sostituito nel nostro caso da un reostato P il cui valore sarà calcolato pari a 1kOhm x volt di uscita, quindi nel nostro caso 80 kOhm.
Per ovviare alle tolleranze dei componenti usati, si è inserito in serie a questo reostato R7 un trimmer, R6, che permetta di regolare esattamente la Vmin a 0.
La tensione di rete è applicata al trasformatore T1 attraverso un fusibile ed un interruttore bipolare, dei due secondari il primo da 18 vac rettificato da P1 (40V, 1A) e livellato da C1 (100uF 35V) alimenta il 723, con una tensione stabilizzata o da Dz1 o da un 7815 a 15 V, mentre il secondo rettificato da P2 (100 V, 20 A) e livellato da C2 10.000 uF 150V) fornisce la tensione per il regolatore del circuito di potenza. I due condensatori da 100 nF servono a bypassare eventuale jam presente nel sistema.
Il 723 consente di regolare sia la tensione che la corrente, la regolazione in tensione viene effettuata dal reostato R7, mentre la regolazione della corrente viene effettuata dal potenziometro R10, e la Rsc è calcolata per la corrente che si intende ottenere con la formula: Rsc = 0,51 / I limit (Ampere), nel nostro caso ho previsto due RSC per poter avere anche la possibilità di regolare basse correnti tra 0 e 1A; il led D2 indicherà quando l'alimentatore è andato in limitazione di corrente oppure se lo state usando come alimentatore a corrente costante.
La versione definitiva del circuito, da me adottata è la seguente, insieme al suo stampato, sempre scaricabile dal file formato fidocad:
Elenco Componenti
Scheda del Regolatore Floating
Schema e PCB
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Elenco componenti Alimentatore Base
R1 2k P1 4,7 k trim verticale
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C1 10.000 uF 150V o parallelo di 5 C da 2200uF 150v
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D1 ponte 100V 10 A Q1 2N2222 IC1 LM723C (uA723C) |
La parte contornata in rosso è quella inserita nella scheda di regolazione, mentre le parti esterne sono quelle che servono a personalizzare il proprio alimentatore da banco.
Nel disegno seguente vediamo i collegamenti alla scheda:
Qui di seguito potete scaricare i files in formato fidocad sia degli schemi che degli stampati dei componenti, cosicchè possiate personalizzarlo come meglio crediate.
Circuito elettrico +Scheda PCB base + Scheda Pre-Regolatore + Scheda Fan progressivo
Sulla scheda è integrato il disegno del transistor di regolazione per basse correnti o come pilota di NPN PWR esterni se si desiderano potenze superiori.
Eccovi le foto della realizzazione:
Scheda base Vecchia scheda (1970)
La scheda la vedete da sola ed inserita nell’alimentatore, nella figura seguente invece vediamo la vecchia scheda che ha “onorevolmente” lavorato come caricabatteria per oltre quindici anni, ed ancora va alla grande, nello stesso alimentatore potete vedere inserito la nuova scheda ridisegnata e compatibile pin to pin.
Nell’alimentatore originale c’è la commutazione manuale tra 25 e 80v di uscita, vi sono i due strumenti, voltmetro ed amperometro, un interruttore per le basse correnti, unito ad un pulsante per la lettura sull'amperometro di piccole correnti, da 1A fs, inserito nella spia di accensione.
Preregolatore a SCR
La realizzazione della nuova scheda, mi ha solleticato a raffinare questa scheda PCB finale, che potete vedere nel file Fidocad, intanto ho realizzato un pre-regolatore per evitare “l’effetto Stufetta” di cui vediamo lo schema:
Elenco componenti Pre-Regolatore a SCR + Schema
Elenco componenti Pre-Regolatore R1 1k C1 0,1uF 63V D1 ponte 100V 10 A
R2 100
R3 4,7 k
R4 1 - 10W
C2 10.000 uF 150V o parallelo di 5 C da 2200uF 150v
D2 1N4148
D3 1N4148
D4 SCR 400v 20 A
D5 Zener 5.6 V
Questo circuito è preso dalle AN della Fairchild per il uA723 e realizzato così semplicemente, il firing dell'SCR è del tipo soft, senza overfireing, quindi conviene usare un SCR dal gate sensibile, inoltre per evitare disturbi che derivano da questo tipo di circuito, basta dare un piccolo carico all'alimentatore, nel nostro caso sono state inserite due resistenza da 680 Ohn 5W in parallelo, come carico in parallelo ai morsetti di uscita dell'alimentatore.
Il firing avverrà quando la tensione ai capi del condensatore 10kµF scende al di sotto di Vz+Vreg+Vout, nel nostro caso la DV ai capi del regolatore PWR viene mantenuta in modo tale da tenere costante la dissipazione del TR PWR finale intorno ai 50W, e varierà al variare della corrente di uscira in modo da mantere costante questo valore.
Regolatore progressivo di ventilazione
Lo schema che vedete è stato preso cercando in rete e leggermente modificato customizzandolo per avere regolabile sia la temperatura di intervento che la regolazione della velocità minima del fan, del tipo per PC; Il C da 100 microF fa in modo che il fan parta all'accensine dell'alimentatore, nonostante che la sua alimentazione di default non sia sufficiente a farlo partire (circa 5V).
Il diodo tra la base del 2N2222 e il negativo di alimentazione assicura la protezione del 2N2222 impedendo che la sua base vada a massa allo spegnimento del sistema.
P2 regola la temperatura d'intervento (intorno ai 45°) con P2 regolato intorno ai 1000 Ohm, diminuendo la resistenza aumenta la temperatura di intervento, aumentando la resistenza diminuisce.
Se usate un fan di potenza, montate il TR di PWR BD138 su un dissipatore + grande di quello che vedete nelle foto.
Elenco componenti del Regolatore Progressivo di Ventilazione forzata
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Elenco componenti Ventilatore R1 1k Q1 2N2222 - NPN |
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Il termistore NTC lo ho realizzato annegando in resina una NTC da 6,8k in un terminale da 4ma, qui vedete la sequenza di realizzazione:
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DIMENSIONAMENTO DEI COMPONENTI.
Per il dimensionamento dei componenti, a partire dal ponte di potenza, che sarà scelto in base alle tensione ed alle correnti volute, è seguito dall’elettrolitico di filtro che verrà dimensionato spannometricamente con i valori di 1000 uF per ampere di uscita richiesti, nel mio caso 80V, 10 A ho scelto 10.000uF a 150V (ricordare sempre che la tensione RMS raddrizzata va moltiplicata per 1,41… sempre spannometrically, basta agiungere il 50% in più della tensione nominale fornita dal trasfo PWR, e magari qualche 20% ancora di più per compensare eventuali variazioni di rete; in pratica raddoppiate la tensione fornita dal secondario del Trasfo PWR.)
Anche per l’alimentazione del 723 siccome partiamo da 18 volt il ponte sarà da 40 volt 0,5- 0.8 A, mentre l’elettrolitico, in omaggio alla regola precedente, sarà da 100 uF 35 volt.
Per i transistor finali di potenza, nel mio caso tiro fuoti fino a 10 A con un solo 2N3773, ma stando sempre attento alla dissipazione: significa che non gli chiedo di dissipare mai più di 80W, quindi mai più di 10 volt ai suoi capi… mi raccomando! (per questo c'è il pre-regolatore a SCR!! e la ventola per il raffreddamento forzato).
Tutti Transistor di potenza usati e l'SCR del preregolatore andranno montati sullo stesso dissipatore, raffreddato dalla stessa ventola del PC
ATTENZIONE !!!!!!
Mi raccomando, per coloro che si cimenteranno con alimentatori di alta tensione: 100. 200, 0 300 volt o ancora di più, di fare estrema attensione alle tensioni ai capi dei condensatori, in quanto in caso di scintille la vostra pelle si comporta come l'elettrodo di un saldatrice elettrica!!!
Si buca e si consumano i tessuti!!!
Ma non saldate niente, anzi.... è capace che vi fate una bella (brutta) fistola che "versa" in continuazione...
Ed Ora, oltre agli auguri di Buon Anno e Buona Befana per i vostri figli, vi auguro buon divertimento e Buon lavoro a chi vorrà realizzarlo tutto o in parte!
Marvi
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