Per molti anni, tutti i dispositivi amatoriali, fossero essi radio piuttosto che amplificatori o accessori, sono stati progettati per il funzionamento a 12V in corrente continua. I motivi sono molteplici quali ad esempio:
• standardizzazione della tensione di alimentazione
• disponibilità di componenti attivi progettati per uso mobile
• possibilità di essere alimentati colla batteria dell’auto
• bassa tensione di sicurezza in stazione
Negli ultimi anni però, il progresso della tecnologia dei semiconduttori ha reso disponibii nuovi dispositivi quali ad esempio gli LD-MOS, alimentati a tensione superiore e con caratteristiche tali da ripagare abbondantemente lo sforzo di abbandonare la consueta alimentazione a 12V.
Ecco allora, che dopo mille e più schemi di alimentatori a 12V, occorre aggiornarsi e studiare qualcosa per le nuove tensioni, tipicamente di 24-28 e 50V. Il problema non è certo insolubile ma la letteratura in materia non è ancora abbondante quanto lo è per le alimentatazioni a 12-14V, nè lo sono i dispositivi dedicati a tale applicazione. Ecco allora l’opportunità per un breve periodo di studio ed indagine. L’alimentatore che oggi vi presenterò è un ibrido ad alta efficienza, compatto e semplice da riprodurre, capace di erogare 12A a tensioni variabili da 24 a 28V.
Descrizione generale
Un alimentatore è di solito composto da quattro stadi come esemplificato in figura:
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riduzione della tensione di rete
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raddrizzamento
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filtratura
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regolazione e stabilizzazione
Riduzione, raddrizzamento e filtratura
Per il primo blocco, ho scelto per motivi di semplicità di impiegare una configurazione classica, lineare. Un trasformatore, nel mio caso toroidale, riduce la tensione dal valore di rete (230Vac) a 35Vac per ramo; successivamente, la coppia di diodi a bassa soglia provvede al raddrizzamento ed i condensatori elettrolitici alla filtratura della componente continua.
Lo schema elettrico di questa sezione lo trovate qui:
Illustrazione 1: Schema elettrico di trasformazione, raddrizzamento e filtraggio
Erogare 12A a 28V, significa una potenza di circa 340W. Considerando un rendimento del sistema nell’intorno del 70-80% si può dimensionare il trasformatore per circa 450-500VA. La coppia di diodi BYV32 in singolo contenitore, dissipano circa 8W a pieno carico, é quindi necessario montarli su un dissipatore da almeno 10°C/W.
Regolazione e stabilizzazione
Una volta disponibile una tensione continua occorre ridurla e stabilizzarla al valore voluto.
Esistono essenzialmente due strade per ottenerlo: regolatori lineari e regolatori switching. Senza entrare in una trattazione che esula dagli obiettivi di questo scritto, vale la pena rammentare per sommi capi schemi e proprietà delle due soluzioni:
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Lineare |
Switching |
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Schema tipo |
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Efficienza |
bassa |
alta |
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Peso |
alto |
basso |
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Ingombro |
alto |
basso |
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Rumore all’uscita |
basso |
alto |
Vista la potenza in gioco di oltre 300W, ho preferito orientarmi verso la regolazione a commutazione che garantisce leggerezza, compattezza e limitato riscaldamento dei componenti.
Un grande aiuto nella progettazione di questa tipologia di alimentatori viene da una serie di regolatori in tecnologia ibrida, della Sanken, famiglia SI-80000, le cui caratteristiche sono riassunte come di seguito:
Illustrazione 2: Tavola riassuntiva della famiglia SI-8xxxx
Per il nostro progetto, il dispositivo più idoneo è lo SI-82412z, capace di erogare 24V nominali con 12A massimi di corrente.
Lo schema elettrico
Lo schema elettrico è quanto mai semplice, aiutati in questo dal grande lavoro fatto a monte dai progettisti del circuito ibrido Sanken. Pochi componenti non sono stati integrati e specificamente solo quelli di rilevanti dimensioni quali condensatori di filtro e l’induttanza.
Illustrazione 3: Schema elettrico di regolazione e stabilizzazione
Considerazioni realizzative
Per garantirsi una esperienza soddisfacente, occorre rispettare alcune buone regole di progettazione e realizzazione del circuito.
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i condensatori di filtro (C1-C7,C10) devono essere di ottima qualità e montati quanto più vicini al circuito ibrido
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l’induttanza (L1) deve avere un valore di almeno 100uH anche a pieno carico (12A). Diffidare da quelle con nucleo di ridotte dimensioni che rischiano di saturare con conseguente crollo del valore al crescere della corrente. Io ho impiegato un componente di commercio, Epcos, con ottimi risultati anche in termini di resistenza serie.
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il condensatore C8 va montato sui morsetti di uscita dell’alimentatore
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il condensatore C9 invece, va installato nei pressi di L1
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MAI unire i pin 5 e 6, pena la perdita della protezione di sovracorrente del circuito. Per questo, prestare attenzione alle masse.
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RV1 regola la tensione di uscita. Alla prima accensione partire da un valore medio.
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i nodi indicati nelle aree tratteggiate in figura devono essere fisicamente coincidenti
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l’ibrido ma montato su un dissipatore da 2-3°C/W
Le misure
Tutte le misure seguenti sono state eseguite sul mio prototipo al banco, alimentato a 230Vac e tensione di uscita regolata a vuoto a 28Vdc. Il carico, quando presente, richiedeva 12A.
rumore
Il rumore in uscita all’alimentatore a vuoto, misurato su una banda di 10MHz è risultato di 3mV RMS. Lo stesso, a pieno carico sale a circa 35mV RMS.
risposta transitori
Illustrazione 4: Prova attacco: 150mV/div, 10mS/div
nel primo test, il cui esito è illustrato qui a fianco, all’alimentatore inizialmente a vuoto, viene applicato il carico massimo e si valuta l’andamento della tensione in uscita ed il tempo di recupero.
All’applicazione del carico la tensione in uscita scende di circa 500mV, poi l’errore viene recuperato con una velocità di circa 10mV/ms.
Illustrazione 5: Prova distacco carico: 150mV/div, 10mS/div
Il secondo test invece, l’alimentatore inizialmente a pieno carico, viene disconnesso dal carico e si valuta l’andamento della tensione in uscita ed il tempo di recupero.
Al distacco, la tensione in uscita sale di circa 500mV in 10ms, poi l’errore viene recuperato con una velocità di circa 10mV/ms.
efficienza
il mio prototipo a pieno carico (336W in uscita) ha mostrato un assorbimento di circa 470W dalla rete, pari al 71% di rendimento complessivo.
Conclusioni
L’integrato ibrido Sanken si è rivelato un ottimo dispositivo, facile da impiegare, versatile ed affidabile. In poco meno di 2 litri di volume è possibile realizzare un alimentatore da oltre 300W, con elevata efficienza energetica. La stabilizzazione è buona così come la risposta dinamica. Il rumore rimane sempre molto contenuto per la sua classe. Se fosse necessaria una alimentazione a 48-50V, è possibile collegare “in serie” due dispositivi, sommando così le tensioni. Non rimane da dire che è pure economico… quindi.. buon lavoro!
Bibliografia
Brown M. (1994), Power supply cookbook, Butterworth-Heinemann
www.DatasheetCatalog.com
www.rfmicrowave.it/catalogue.php?lang=ita
www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Overview/Page,locale=en.html
www.DataSheet4U.com
www.mag-inc.com
digilander.libero.it/nick47/smps.htm
www.biagiobarberino.it/