Come costruire un alimentatore stabilizzato

Un alimentatore stabilizzato è un circuito indispensabile in qualunque apparecchio elettronico per fornire la tensione di alimentazione al resto dell’apparecchio. Può dunque essere molto utile, per lo scienziato dilettante, disporre di alcuni schemi di alimentatori stabilizzati (a tensione fissa, duali, a tensione variabile) per applicazioni specifiche oppure per utilizzi generali o di laboratorio. Anche per chi preferisce acquistarli in tutto o in parte già pronti, comprenderne meglio le caratteristiche ed il funzionamento – ad es., le differenze fra i regolatori di tensione ed i convertitori switching – aiuterà nella scelta.

Le operazioni base svolte da un alimentatore normale, cioè non stabilizzato, sono: (1) trasformazione della tensione di rete ai voltaggi necessari; (2) rettificazione della corrente da alternata in “raddrizzata a doppia semionda”; (3) livellamento della corrente ottenuta. In un simile alimentatore, tuttavia, la tensione realmente fornita varia in funzione del carico applicato all’uscita, dunque esso non è adatto per usi elettronici.

Schema di un alimentatore normale, non stabilizzato.

Un alimentatore stabilizzato, invece, è un circuito elettronico progettato per fornire una tensione continua prefissata indipendentemente dalla corrente prelevata dal carico, dalla temperatura e da qualunque variazione della tensione di rete. Pertanto, la tensione continua ottenuta sarà molto simile a quella fornita da una pila.

Ma comprare un buon alimentatore stabilizzato può essere costoso, anche se oggi potete trovare interessanti alimentatori stabilizzati da laboratorio con un buon rapporto qualità/prezzo (ad esempio, qui). Quindi in questo articolo ti mostrerò come costruire il tuo alimentatore stabilizzato: perché comprarlo se puoi costruirlo? Questo progetto è molto semplice da realizzare e richiede soltanto competenze elettroniche di base, dopodiché su Internet ci sono buoni tutorial su come saldare i vari componenti su una basetta millefori.

Un alimentatore stabilizzato a tensione fissa

Proponiamo qui il progetto di un alimentatore stabilizzato che eroga una tensione fissa scelta da voi prima di realizzare il circuito (ad es. 5V, 12V, 15V, 24V) e 1A di corrente, ed è dunque adatto per alimentare un apparato ben preciso.

Esso è basato su un circuito integrato regolatore di tensione a tre terminali molto comune, della serie LM 78xx (o LM 340xx), disponibile per un’ampia gamma di tensioni di uscita, tra cui 5V (utilizzata per i circuiti logici), 12V (comune per molti dispositivi elettronici), 15V: LM 7805, LM 7812, LM 7815, etc. Ecco lo schema elettrico del circuito da realizzare:

Schema di un alimentatore stabilizzato a tensione fissa. Puoi anche trovare dei kit di alimentatori stabilizzati che puoi montare da solo qui.

È possibile usare lo schema precedente per realizzare, con banali sostituzioni di componenti, alimentatori stabilizzati in grado di fornire la tensione di uscita che ci serve, purché compresa tra 0 e 24 V (e sempre 1 A di corrente massima).

In pratica, al posto del circuito integrato LM 7805, occorre usarne uno che fornisca la tensione d’uscita desiderata. Le tensioni disponibili sono: 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18, 24 V. La disposizione dei piedini di un circuito integrato LM 78xx è mostrata in figura per permetterne un corretto montaggio.

Un circuito integrato regolatore di tensione come ad es. l’LM78xx.

Il circuito integrato dissipa, senza dissipatore, 2 W a 25°C; perciò, nel caso di una tensione d’uscita di 5 V e di una corrente fino a 0,5 A, la potenza erogata è: P = V x A = 5 X 0,5 = 2,5 W, per cui non è necessario montare un dissipatore.

Oltre al circuito integrato, occorre adeguare anche il trasformatore (la cui corrente erogabile deve essere di almeno 1 A se si vuole un alimentatore da 1 A) alla nuova tensione d’uscita, e si dovranno usare condensatori elettrolitici con tensione di lavoro pari ad almeno il doppio di quella fornita dal trasformatore, nonché un raddrizzatore dell’amperaggio corretto.

La regola pratica è che il trasformatore deve avere un tensione d’uscita di almeno un paio di volt più alta di quella che deve fornire l’alimentatore. Tuttavia, è importante che la tensione d’uscita del trasformatore non sia troppo più elevata rispetto a quella richiesta all’alimentatore, per non fare dissipare eccessivamente il circuito integrato (quelli della serie 78xx dissipano fino a 15 W).

Occorre sempre dimensionare anche il raddrizzatore (a sinistra) e il trasformatore (a destra).

Per sapere quanta potenza viene dissipata dal regolatore di tensione, è sufficiente misurare la tensione tra il suo terminale di ingresso e il suo terminale d’uscita e moltiplicare tale valore per la corrente fornita al carico.

In alternativa a un trasformatore ad hoc, potete usare da es. quello di un laptop, se ha una potenza sufficiente e la tensione adeguata per il tuo progetto. In tal caso, è ovviamente necessario le estremità prima del connettore che va nel computer, rimuovere l’isolamento e saldare i giunti. Fatto ciò, è necessario saldare i terminali di alimentazione ai terminali di ingresso della scheda con il circuito dell’alimentatore stabilizzato.

Un’alternativa: gli alimentatori di tipo “switching”

In alternativa all’integrato classico che viene usato per regolare la tensione, per questo progetto potete usare un modulo convertitore “buck” (cioè riduttore, o step-down) LM2596, un regolatore di tensione economico montato su scheda e comprendente vari componenti (v. figura qui sotto per lo schema di quelli presenti su un tipico modulo).

Esso ha una maggiore efficienza rispetto a quelli della serie 78xx, ed è in grado di convertire tensioni fino a 40 V in ingresso fornendo una corrente massima di 3 A con una regolazione del carico eccellente. Ovviamente, l’alimentatore va completato con il trasformatore e con il raddrizzatore, come nello schema precedente. I condensatori di livellamento, invece, sono già inclusi nel convertitore.

I componenti montati sul modulo di un convertitore “buck” DC-DC LM2596 da 12 V a 5 V .

Questi dispositivi sono facilmente reperibili in commercio (vedi qui), ad esempio, con tensioni di uscita fisse di 3,3 V, 5 V, 12 V e in una versione con uscita regolabile, tramite un potenziometro di alta precisione, da 1,2 a 37 V. Poiché il convertitore LM2596 è un alimentatore di tipo “switching” (cioè a commutazione), la sua efficienza è significativamente più alta rispetto ai popolari regolatori lineari a tre terminali, in particolare con tensioni di ingresso più elevate.

L’LM2596 opera con una frequenza di commutazione di 150 kHz, e quando la corrente di uscita è maggiore di 2,5 A (o  la potenza di uscita superiore a 10 W), occorre aggiungere un dissipatore di calore. Il lato negativo di un convertitore “buck” (o del tipo “boost”, che è invece un elevatore di tensione) è che ha un induttore montato sulla propria scheda (come si vede da schema e figura), per cui se il tuo progetto è basato su un qualche tipo di radio o è sensibile ai campi elettromagnetici è meglio usare un regolatore di tensione lineare tradizionale.

Un convertitore di tensione DC-DC step-down LM2596 variabile e con display digitale incluso. Puoi trovare alcuni ottimi convertitori step-down di vario tipo qui.

Un alimentatore “switching”, infatti, è un alimentatore elettronico che incorpora un regolatore di commutazione per convertire l’energia elettrica in modo efficiente. A differenza di un alimentatore lineare, il transistor di un’alimentazione a commutazione commuta continuamente tra stati a bassa dissipazione, a pieno carico e a pieno carico, e trascorre pochissimo tempo nelle transizioni ad alta dissipazione, che minimizzano l’energia sprecata.

Idealmente, un alimentatore switching non dissipa energia. La regolazione della tensione si ottiene variando il rapporto tra tempo di attesa e spegnimento. Al contrario, un alimentatore lineare regola la tensione di uscita dissipando continuamente la potenza nel transistor. Gli alimentatori switching possono anche essere ben più piccoli e leggeri di un’alimentazione lineare a causa delle dimensioni e del peso del trasformatore più piccolo.

In conclusione, mentre i regolatori di tensione permettono di realizzare alimentatori stabilizzati molto semplici quando ci servono tensioni di uscita comprese soprattutto nell’intervallo da 5 V a 24 V (con un’efficienza del 20-75%), i convertitori switching permettono di realizzare circuiti ancora più semplici nell’intervallo da 1,2 V a 37 V (dunque più esteso, specie verso l’alto), con un’efficienza del 75-95%.

La versione “duale” per usi di laboratorio

In laboratorio può essere utile disporre di un alimentatore stabilizzato “duale”, cioè con tensioni positive, negative e zero (0 V), che serve per alimentare gli amplificatori operazionali (componenti impiegati in molti moderni circuiti) e altri dispositivi elettronici che richiedono anche delle tensioni negative.

Le uniche differenze rispetto a quanto siamo venuti fin qui illustrando riguardano il trasformatore, che deve essere del tipo con “presa al centro”, e la presenza di un componente aggiuntivo diverso dai precedenti, il circuito integrato IC2: un regolatore di tensione della serie 79xx che fornisce tensioni negative.

Schema di un semplice alimentatore stabilizzato duale a tensione fissa.

Si noti che per gli integrati della serie 79xx i piedini E e R sono invertiti rispetto ai 78xx. Per le tutte le altre caratteristiche del trasformatore e dei componenti, si faccia riferimento allo “schema base” e ai criteri di modifica già esposti.

In pratica, ora possiamo facilmente costruire un alimentatore duale che abbia, ad esempio, le seguenti tre tensioni di uscita: 15 V, 0V, -15 V. Questo alimentatore “include” il tipo precedente, perché se un dispositivo necessita di una semplice tensione di 15 V (cioè non duale) useremo le sole uscite +15 V e 0 V.

Un alimentatore stabilizzato duale da laboratorio di tipo professionale. Se vuoi dotartene per il tuo laboratorio, ne troverai di ottimi qui.

Si prega di notare che il tipo di design fin qui illustrato ha dei limiti. Principalmente, l’uscita non è protetta da cortocircuiti. Se si cortocircuitano i terminali di uscita insieme per un breve periodo, è probabile che il circuito non subisca danni. Tuttavia, ciò può causare danni permanenti all’integrato regolatore di tensione, nel qual caso sarà necessario sostituirlo. Fai quindi molta attenzione a non cortocircuitare i terminali di uscita, o poni un fusibile in serie con il cavo positivo sulla linea di ingresso DC dell’alimentatore.

Un alimentatore stabilizzato a tensione variabile

È possibile fare una piccola modifica al circuito base illustrato all’inizio dell’articolo aggiungendo due resistenze R1 (fissa) e R2 (variabile, in pratica un potenziometro) per ottenere un alimentatore stabilizzato variabile con una tensione d’uscita regolabile a piacere da 5 V a 24 V semplicemente agendo sulla manopola del potenziometro.

Lo schema del circuito è il seguente:

Schema di un alimentatore stabilizzato a tensione variabile.

Se usiamo il circuito integrato 7805 e un trasformatore con uscita a 9-12 V, e vogliamo ottenere dall’alimentatore una tensione di uscita variabile tra 5 V e 12 V circa, dobbiamo usare R1 = 470 Ω e R2 = 500 Ω. Se, con lo stesso integrato e un trasformatore con uscita a 24-36 V, vogliamo dall’alimentatore una tensione di uscita variabile fra 5 V e 24 V, dobbiamo usare R1 = 1 k Ω e R2 = 5 k Ω.

Lo svantaggio di questo circuito è che fa dissipare molto calore al regolatore di tensione, che quindi deve essere dotato di un apposito dissipatore metallico. Proprio a causa dell’elevata dissipazione, nel caso di un trasformatore con uscita di 24-36 V l’alimentatore non può fornire più di 100 mA alla tensione di 5 V.

Alcuni esempi di dissipatori di calore per l’integrato regolatore di tensione.

Naturalmente, come accennato prima, in alternativa all’alimentatore stabilizzato variabile classico appena descritto, potete considerare l’acquisto di un convertitore di tensione DC-DC step-down, del tipo con potenziometro di regolazione ad alta precisione.

Su Internet potete trovare anche schemi di circuiti che incorporano un limitatore di corrente di uscita elettronico che controlla efficacemente la corrente di uscita alla potenza massima che il circuito può erogare, oppure un regolatore della corrente massima erogabile, in modo limitare la corrente anche a potenze inferiori a quella massima.

Ciò rende questo tipo di alimentatore indispensabili nel laboratorio degli sperimentatori in quanto è possibile limitare la corrente al massimo tipico che un circuito sotto test può richiedere, quindi accenderlo, senza temere che possa essere danneggiato se qualcosa va storto. A volte c’è anche un’indicazione visiva che il limitatore di corrente è in funzione in modo da poter vedere a colpo che il circuito sta superando o meno i suoi limiti preimpostati.

La tensione sulla morsettiera di uscita è variabile e può essere visualizzata automaticamente su un display digitale, ad esempio, da 0-20 VDC o 0-30 VDC a 4 cifre, che costa solo pochissimi euro. Basta connettere il suo cavo rosso al polo positivo di uscita dell’alimentatore e il cavo nero al polo negativo o massa. Si può anche aggiungere un amperometro digitale, per poter misurare la corrente assorbita dal carico.

Un alimentatore stabilizzato variabile autocostruito e con display digitale alloggiato in un case in alluminio. (fonte: Instructables)

Leave a Reply