Una sana alimentazione - Parte 2

Oggi voglio mostrarvi un circuito di alimentazione che potrete realizzare per i Vostri progetti elettronici digitali. La figura seguente mostra il prototipo utilizzato per le prove in laboratorio:

(Alimentatore da 5,0V e 3,3V 1A, a partire da una tensione Vin di 9-30V)

 

In un precedente post, che trovate qui, ho illustrato alcuni vantaggi e svantaggi degli alimentatori lineari, mentre ora è il momento di introdurre gli alimentatori a commutazione, detti anche switch-mode o switching.

Per fare ciò, prendiamo in considerazione un circuito integrato che ha fatto la storia di una particolare categoria di regolatori; il circuito è LM2575 nelle due varianti  con preset da 5,0V e 3,3V, la categoria è quella degli step-down ovvero circuiti che possono convertire una tensione continua da un valore di ingresso Vin ad un valore di uscita Vout, regolato e stabilizzato, tale per cui Vout<Vin. Analogamente, i regolatori step-up, sono ingrado di fornire una tensione Vout>Vin, cioè sono degli elevatori di tensione.

Nella figura seguente trovate lo schema applicativo standard suggerito dal data-sheet del componente, mentre il link sotto la figura vi porterà direttamente nella pagina della casa che lo produce.

(Cortesia National Semiconductor)

Avete già montato il vostro prototipo?

No? Occore mezz'ora ...al massimo!

Si? Benissimo, andiamo a misurare le tensioni di uscita. Dovremo leggere sul nostro multimetro i valori 5,0V +/- 2% e 3,3V +/- 2%. Poi, con l'aiuto di un oscilloscopio visualizziamo l'andamento temporale delle tensioni in uscita, che dovranno somigliare alla seguente figura:

(I due canali per le tensioni di 5 e 3,3V sono predisposti in AC e 50mV/Divisione)

Ok, funziona tutto, ma "sorpresa" ecco il punto debole dei regolatori switching: essi tendono ad introdurre del rumore nei circuiti a valle. Rumore che generalmente ha un contenuto armonico centrato sulla frequenza dell'oscillatore interno (nel nostro caso vediamo che è visibile un pattern a 52KHz). Tale rumore dovrà essere filtrato opportunamente, pena ritrovarlo su tutti i segnali del circuito a valle che si intende alimentare.

Ma allora perché li usiamo se hanno prestazioni inferiori ai regolatori lineari che risultano anche più semplici dal punto di vista del circuito applicativo?

Perché i regolatori SW hanno un pregio che li rende unici: l'efficienza di conversione è molto elevata  (77% TYP per LM2575-5.0, 88% TYP per LM2575-12) e può, in alcuni componenti, raggiungere e superare anche il 95%. Ciò significa che per differenziali di tensione elevati (Vin-Vout) la dissipazione di energia sul regolatore è minima, mentre con i regolatori lineari si avrebbero grandi problemi costruttivi e dispendiosi sistemi di raffreddamento, oltre a trasformare le nostre applicazioni in vere e proprie stufe elettriche, con un inutile quanto dannoso, spreco di energia.

Questo semplice ed efficiente circuito non può mancare nel vostro laboratorio.

Qui Pianeta Terra, a presto.

Laboratorio: ...una sana alimentazione

Anche i circuiti elettronici richiedono una corretta alimentazione, pertanto, dobbiamo fornire loro tensioni regolate entro le tolleranze limite accettabili dal carico e dobbiamo immettere su di esso una quantità minima di rumore. Per queste ragioni, oggi, descriverò un semplice alimentatore lineare che ho realizzato per Voi.

Questo circuito è tra i più semplici (apparentemente) che si possano realizzare. Esso si basa sull'impiego di due Circuiti Integrati che hanno fatto la storia dei regolatori lineari: LM7805 e LM1086.

Vediamo lo schema elettrico...

Più semplice di così.... Ma come funziona questo alimentatore?

La tensione VIN viene prelevata da una sorgente non regolata (es. un accumulatore da 12V nominali), il Diodo D1 protegge dalle inversioni accidentali di polarità che risulterebbero distruttive per il circuito (...forse anche per il generatore se non sufficientemente protetto). Il componente U1 provvede a fornire una tensione stabile di uscita di 5V, mentre il componente U2 ha il compito di generare una tensione stabile di 3,3V. Il Led D2 ci fornisce una indicazione visuale che tutto è ok, rappresentando anche un utile precarico.

Ma è veramente tutto ok?

Solo una prova strumentale ci può fornire ulteriori indicazioni!

Con il nostro tester misuriamo le tensioni in uscita dai due regolatori lineari e assicuriamoci che il primo generi 5V +/- 2% ed il secondo generi 3,3V +/- 2%.

Tutto bene?

Guardiamo adesso i segnali di uscita con un oscilloscopio...

(i due canali sono accoppiati in AC e la scala è regolata su 20mV/Divisione)

E' questo il punto forte dei regolatori lineari!

Essi introducono, nei circuiti a valle, una quantità di rumore estremamente bassa e, pertanto, li utilizzeremo soprattutto quando dovremo alimentare dei circuiti analogici (es. amplificatori, convertitori A/D e D/A, ecc.) garantendoci, così, un ottimo rapporto S/N (segnale/rumore).

Quali sono gli svantaggi?

L'unico reale problema è costituito dalla dissipazione di energia che essi comportano. Supponiamo di voler alimentare un carico che richiede una tensione di 3,3V (es. un microcontrollore), a partire da un accumulatore Pb-gel, sapendo che il nostro carico assorbirà ipoteticamente 100mA. Supponendo una tensione di 12V, fornita dall'accumulatore, il regolatore lineare dissiperà un potenza P = (Vin-Vout)*I = (12-3,3)*0,1 = 0,87 Watt. Tutta energia convertita in calore.

Serviva una stufa? No, serviva un circuito a basso rumore!

Questo alimentatore non può mancare nel vostro laboratorio e si monta in mezz'ora ...al massimo :)

Qui Pianeta Terra, a presto.