Alimentatore switching con LM2576

La tecnica "switching", ovvero a commutazione, ha gradualmente conquistato spazio in varie realizzazioni elettroniche. Fondamentalmente, la tecnica a impulsi consente di controllare le tensioni e le correnti con uno spreco di energia minimo, potendo usare componenti di minor peso e dimensioni, ed anche di minor costo.
Sono così diventati di uso sempre più frequente gli alimentatori switching, in luogo di quelli a regolazione lineare, così come gli amplificatori digitali, definiti in classe "D", al posto dei classici stadi finali in classe B, AB, ecc.
Senza voler descrivere in dettaglio la tecnica switching, osserviamo brevemente le caratteristiche principali dei due tipi di regolatori:
- Il regolatore di tensione lineare, agisce come una resistenza in serie al carico; a seconda della tensione in entrata e della corrente richiesta in uscita, il regolatore adatta, per così dire, la sua resistenza, in modo da determinare di volta in volta la caduta di tensione necessaria. Naturalmente, se la tensione di uscita è molto più bassa di quella di entrata, e soprattutto se la corrente richiesta è elevata, il regolatore si trova a dissipare una notevole potenza elettrica, che molto spesso è notevolmente maggiore di quella che realmente arriva all'utilizzatore.
- Il regolatore che usa la tecnica switching, lavora come un interruttore, che si chiude per determinati istanti, facendo passere corrente, e si apre in altri istanti. Il risultato è che il valore medio della corrente che fluisce in un certo tempo è effettivamente quelo richiesto. Tuttavia, proprio perché la corrente arriva a tratti, la tensione in uscita è costituita da una serie di impulsi; il compito di trasformare questa forma d'onda in una corrente continua è affidato ad uno o più filtri costituiti da un'induttanza e da un condensatore. Non sempre il livellamento risulta ottimale, per cui è facile riscontrare un certo "ripple", e cioè una ondulazione residua che si sovrappone al valore medio della tensione.

In questa pagina parleremo di come realizzare un semplice alimentatore in grado di fornire fino a 3 A, quindi sufficiente per un normale uso di laboratorio, con tensione regolabile in un ampio campo di valori, e cioè da circa 2 V fino a 35 V. Il cuore del progetto è il circuito integrato LM2756 e, per garantire un miglior filtraggio delle componenti impulsive, vengono usati, come vedremo, due filtri in cascata.
Lo schema dell'alimentatore è riportato nella figura a lato
alimentatore switching con LM2576
trasformatore con ponte di diodi La tensione che arriva sui terminali di ingresso VIN del regolatore proviene da un trasformatore con relativo ponte di diodi (figura a lato).
Se si desidera utilizzare l'alimentatore al massimo delle sue prestazioni, occorre un trasformatore in grado di erogare la potenza necessaria, vale a dire circa 100 VA. Quanto alla tensione del secondario (V2), l'integrato LM2576 accetta in ingresso tensioni da 7 a 40 V; comunque, per un funzionamento più regolare ed affidabile, è consigliabile usare trasformatori il cui secondario dia una tensione compresa più o meno tra 15 e, al massimo, 20 V (è bene tenere presente che una tensione alternata di 24 V, una volta raddrizzata, assume un valore di circa 35 V, quindi già prossima al limite massimo consigliato).
integrato LM2576 L'integrato LM2576 si presenta come nell'immagine a lato, dotato di 5 piedini.
La tensione da regolare entra sul pin 1 ed esce dal pin 2; il pin 3 è la massa comune; a tale pin è anche elettricamente collegata l'aletta di raffreddamento.
Sul pin 4 ritorna il segnale che fornisce informazioni sulla tensione in uscita, mentre il pin 5 permette di "bloccare" il funzionamento del regolatore, ovvero di portare a zero la corrente, facendovi pervenire un livello logico High (5 V); per il funzionamento normale il pin 5 deve essere collegato a massa.
La potenza dissipata dall'integrato è modesta, per cui l'uso di un dissipatore di calore addizionale può non essere strettamente necessario; per condizioni di lavoro gravose, risulta sufficiente un dissipatore di dimensioni contenute.
Nei regolatori switching è sempre molto importante la disposizione dei pezzi e dei collegamenti. Le rapide variazioni di corrente, se associate alla induttanza dei fili di cablaggio, possono causare transienti dannosi. Per garantire un'induttanza minima ed evitare i "ground loops" tutti i collegamenti che nello schema appaiono di colore arancione devono essere più corti che sia possibile e confluire in un unico punto di massa. Anche il potenziometro che regola la tensione di uscita va situato vicino al regolatore.

Il condensatore di bypass C1 serve a minimizzare i transienti di tensione che potrebbero essere presenti all'ingresso del regolatore (pin 1); deve essere un elettrolitico del tipo in alluminio o al tantalio, deve avere un basso valore di ESR (Equivalent Series Resistance) e va collocato vicino all'integrato, con collegamenti molto corti.

Il diodo D1 interviene nelle fasi in cui il ciclo di switching è "OFF"; esso crea un percorso di ritorno alla corrente immagazzinata nell'induttanza L1 e nel condensatore C2, permettendo a tale corrente residua di scaricarsi sull'utilizzatore, in attesa del nuovo ciclo "ON". Per dissipare la minor potenza possible quando è attraversato da corrente, D1 deve essere caratterizzato da una ridotta caduta di tensione in senso diretto, deve avere bassa capacità e veloce tempo di recupero; la scelta di un diodo Schottky tipo 1N5822, o MBR360, o MUR420 soddisfa tutte queste esigenze.

induttore da 150µH 5A Gli induttori (immagine a lato) sono i componenti di base dei regolatori switching; il tipo di nucleo e la tecnica di avvolgimento hanno grande influenza sull'affidabilità di tutto il progetto. L'uso di un induttore di scarsa qualità può determinare la presenza di picchi di tensione elevati, con possibile saturazione del nucleo e danneggiamento dei semiconduttori. Gli induttori avvolti su nucleo toroidale costituiscono una buona scelta. Occorre anche fare attenzione che non venga superata la massima corrente per cui è previsto l'induttore, per evitare il surriscaldamento e la saturazione del nucleo, con conseguente malfunzionamento generale.
Nel nostro schema si usa un primo induttore L1 da 150µH, fondamentale ai fini del funzionamento del circuito switching, seguito da un secondo induttore L2, da 20µH, che ha soltanto la funzione di migliorare il filtraggio, eliminando le ondulazioni residue.
forma d'onda filtrata Il filtro in uscita, formato dall'induttore L2 (20µH) e dall'elettrolitico C3 (100µF), consente di ridurre la tensione di ripple di circa un fattore 10, come mostra la figura a lato: in alto si vede la forma d'onda prima del filtro L2/C3, in basso l'onda all'uscita del filtro.

Per garantire una bassa tensione di ripple ed una buona stabilità, il condensatore di uscita C2 deve essere scelto con un basso valore di ESR. In genere i condensatori elettrolitici per alta tensione hanno un valore di ESR più basso, pertanto è opportuno che il condensatore C2 (da 2200 µF) abbia una tensione di lavoro pari almeno ad una volta e mezzo quella prevista; poichè la tensione di uscita può arrivare a circa 35 V, è bene scegliere un condensatore adatto a lavorare a non meno di 60 V.

La tensione di uscita viene regolata variando il valore di R2, secondo la formula VOUT = 1,23 (1 + R2 / R1).
Per R2 si può usare un normale potenziometro da 47 o 50 Kohm per applicazioni audio, scegliendo il tipo definito come "curva A" (cioè a variazione lineare), oppure un trimmer o, meglio, un multigiri con resistenza a filo avvolto, che consente una regolazione precisa e stabile (immagine sotto)

tipi di potenziometri

Se non interessa poter variare con continuità la tensione di uscita, ma si desidera impostarla ad un determinato valore fisso VOUT, si può procedere come segue:
si sceglie per R1 il valore di 1,8 kohm quindi si calcola R2 con la formula R2 = 1,8 (VOUT / 1,23 - 1)

Come raccomandazioni finali si ricorda di montare i componenti osservando quanto già specificato; C1, C2 e il diodo D1 devono essere il più possibile vicini all'integrato, con terminali molto corti; se si usa un circuito stampato, è bene stagnare le piste corrispondenti ai percorsi in arancione, per aumentarne la sezione e quindi la portata in corrente. Ugualmente importante è la scelta dei componenti, che devono possedere i requisiti descritti nel testo.



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