Alimentatore lineare 0-10V 0-1A

Un alimentatore "state of the art"

Piccolo alimentatore lineare da laboratorio che utilizza integrati (quasi) ultima generazione

Un alimentatore da laboratorio deve avere al minimo tensione e corrente regolabili.
Per piccole applicazioni attorno a microcontroller o lineari serve spesso solo una tensione al di sotto dei 10V, variabile possibilmente da 0, ma precisa, stabile e priva di ripple, con correnti che in genere non superano l' ampere.

La soluzione a cui si pensa in prima battuta è quella di un regolatore lineare a tre pin, genere LM317. Il problema di questo componente è duplice: 
- in primo luogo, non permette la regolazione della corrente
- in secondo, ha una tensione minima al di sopra del volt. 

Per risolvere il primo occorrono componenti esterni, per il secondo occorre una tensione di riferimento negativa. In entrambi i casi si complica un circuito semplice e finisce per valere la pena di implementare la cosa diversamente.

Linear Technology ha realizzato un regolatore lineare monolitico a "tre terminali" denominato LT3080. 
Nonostante sia sul mercato da un certo tempo, si trova poco citato tra gli hobbisti (a parte, spesso con scarsa competenza, nell' ambito dell' alta fedeltà audio, per il basso rumore in uscita.), a favore di altri 3 terminali più "antichi".  Le cause, oltre alla naturale inerzia (e alla sempre condannabile mancanza di informazione),  sono certamente da legarsi alla (fino a poco tempo fa) non immediata reperibilità in Italia e al costo,che, come spesso per i prodotti di Linear, è abbastanza elevato (circa il doppio di LM317). Nonostante questo, vale la pena di prenderli in considerazione, poichè hanno possibilità maggiori dei loro predecessori.

LT3080

In effetti, LT3080 di terminali ne ha 5 ed è realizzato in numerose varianti  SMD e, fortunatamente, anche in un TO220-5, che è quello che usiamo qui.

Le funzioni dei pin sono:

• IN - ingresso della tensione
• OUT - uscita del regolatore
• SET - ingresso della regolazione
• Vcontrol - possibile alimentazione separata per la logica interna

Il pin 1 non è collegato internamente  e può essere lasciato libero o connesso con qualsiasi altro; il tab, invece, come comune in questo genere di componenti, è connesso internamente con il terminale OUT. Questo determina che se più LT3080 vanno sullo steso dissipatore, è necessario isolarli.

Anche con i 5 terminali, di cui 4 attivi, è comunque classificabile nella famiglia dei lineari a tre terminali. Le sue particolarità, però, lo differenziano da altri precedenti modelli:

• è completamente floating rispetto alla massa e può funzionare quindi sia come regolatore di tensione che regolatore di corrente
• è un low dropout, ovvero la differenza tra tensione di ingresso e di uscita è riducibile a soli 350mV. Questo permette realizzazioni di stabilizzatori dove la differenza tra tensione di ingresso e di uscita è minima, come sarà minima la potenza persa in calore.
• contiene una sorgente di riferimento in corrente ed è programmabile con una sola resistenza
• l' uscita può andare a zero senza il bisogno di tensioni negative
• tratta correnti fino a 1.1A e tensioni di ingresso fino a 36V (LT3083 arriva a 3A e 23V)
• genera un rumore inferiore a 50uV
• ha una regolazione del carico migliore di 1mV e dello 0.001% rispetto alla linea
• è stabile anche con condensatori di piccolo valore
• è parallelabile per aumentare la corrente in uscita aggiungendo in serie una resistenza di ballast di piccolo valore

L' applicazione tipica è questa

Si tratta rispettivamente di:

• un LDO con caduta di tensione minore di 0.4V, ingresso tra 1.2 e 36V e uscita stabilizzata regolabile
  Osserviamo come sia necessaria una sola resistenza rispetto alle due utilizzate da altri regolatori a tre terminali, con la tensione di uscita direttamente proporzionale e lineare rispetto al valore della resistenza
• un generatore di corrente costante da 0 a 1A. In modo classico, la regolazione della corrente avviene su una resistenza esterna in serie all' uscita. Qui si nota bene come LT3080 sia completamente flottante rispetto alla massa e costituisca praticamente un limitatore di corrente a 2 terminali.

Il foglio dati, poi, consiglia una applicazione interessante, collegando in serie le due configurazioni per ottenere un semplice, ma efficace alimentatore variabile con regolazione della corrente:

Non resta che provare.

Il circuito.

Trattandosi di componenti integrati studiati appositamente per queste applicazioni, il circuito è extra semplice e ricalca l' application consigliata:

Il primo LT3080 limita la corrente al secondo LT; la regolazione si effettua con il potenziometro R1 da 100k che deriva una tensione proporzionale alla corrente dalla resistenza in serie da 1ohm (= 1V per ampere). 

Il secondo regolatore è quello relativo alla tensione, che è variata con il potenziometro R2 da 1M, alimentato dalla sorgente interna di corrente da 10uA ( 10uA * 1Mohm = 10V).

C1, C2, C3 sono condensatori elettrolitici (alluminio, basso ESR), mentre C4, C5, C6 sono ceramici  mutistrato X5R, per la stabilizzazione del circuito. Rispetto all' application i valori sono maggiori, a scanso di sorprese.
Ed ecco il relativo stampato, altrettanto semplice

I due LT sono posizionati sul bordo per poterli collegare ad una aletta di raffreddamento.

Precauzioni.

Vanno considerati bene alcuni punti:

1. il componente è previsto per rispondere con prontezza a variazioni di carico e di linea e questo richiede una "banda passante" elevata. Ne risulta ovviamente che il pin di SET è piuttosto sensibile
2. data la sua "reattività", non richiede grosse capacità che compensino inadeguatezze delle funzioni integrate, ma deve trattarsi di capacità di qualità, nel senso che vanno scelte come se si trattasse di uno switch mode.
   Ovvero, niente elettrolitici qualunque, ma elementi low ESR e, in particolare, ceramici multistrato per le capacità minori.
3. sempre analogamente agli SMPS, anche questo circuito richiede un minimo carico per la stabilità. Ovvero non si fa lavorare a vuoto.
4. anche se LDO, si tratta sempre di un lineare, che trasformerà in calore la potenza pari al prodotto tra la differenza tensione ingresso-uscita e la corrente. In parole povere, scalda ed ha bisogno di un dissipatore

Questi sono i punti principali, di cui il 2 non va sottovalutato. Nel prototipo è stato utilizzato un mix di elettrolitici low ESR e ceramici X5.

Per chi recupera, i low ESR sono facilmente estraibili da mainboard o altri prodotti simili; si tratta degli elettrolitici che sono utilizzati nei VRM onboard e che, quindi, sono ideali per questa applicazione. E' opportuno, però, che non si tratti di schede molto vecchie o che hanno lavorato per troppe ore: in tal caso gli elettrolitici, che hanno "una scadenza", possono essere da buttare. 

I componenti.

I potenziometri.

Il problema dei potenziometri non è secondario. 
Come visto sopra, corrente e tensione sono funzioni lineari della corrente che scorre nella resistenza variabile collegata al pin SET.  Quindi, in primis, sono da scartare tutti i potenziometri non lineari.
Va anche considerato che i potenziometri non sono dei componenti di precisione; normale è una tolleranza del 20% e questa si rifletterà nel valore ottenuto dalla regolazione a fine corsa. Quindi, se il potenziometro di set della tensione è 900K invece di 1M, si otterrà in uscita solo 9V massimi.

La cosa si risolve utilizzando potenziometri di buona qualità, con pista in plastica conduttiva o cermet.  Quelli usati sono modelli con tolleranza al 10%, ma che in effetti si sono rivelati molto più precisi. Certamente dei 10 giri sarebbero l' ideale, alme3no per la regolazione della tensione, ma nella pratica quelli a 1 giro di buona qualità si sono rivelati adeguati, senza spendere un capitale per i multigiri.

Vanno esclusi tassativamente potenziometracci recuperati dal surplus, strausati, arrugginiti, ecc, dato che se la pista non è di buona qualità, sarà difficoltoso centrare i valori di tensione/corrente voluti. E va anche considerato che, dove il contatto tra spazzola e pista è fallace, una sua interruzione porta la tensione in uscita al valore di quella di quella di ingresso, con i risultati immaginabili per un carico sensibile.

La Rs.

La resistenza R3 da 1ohm determina la caduta di tensione di 1V @ 1A di corrente. Questa tensione viene prelevata con il potenziometro da 100k e determina la limitazione della corrente. 

Qui la precisione del potenziometro è in  relazione a quella della resistenza; differenze dai valori nominali si rifletteranno in differenze nella portata.
Nel prototipo, non disponendo di una resistenza da 1ohm di precisione, ne è stata usata una da 5W a blocchetto, che, tra terminali e piste, è risultata abbondante ed è stata corretta mettendo in parallelo un' altra (R5, in questo caso da 6.8ohm), ottenendo un fondo scala da poco più di 1A.

Il carico minimo.

Dato che si tratta di un regolatore floating, per ottenere la "regolazione" occorre un carico minimo, altrimenti non potrà agire l' azione stabilizzatrice; il foglio dati indica 0.5mA.
In pratica la R4 da 1k - 2W costituisce un carico adeguato. 
Far funzionare l' alimentatore senza carico porta la tensione in uscita ad essere instabile e casuale.
Ricordiamo che si tratta di un componente floating e quindi, non chiudendo l' anello di regolazione con un carico minimo, questa viene a mancare.

Strumentazione.

Il circuito stampato permette di derivare l' alimentazione e i segnali di corrente e tensione per l' immancabile strumentazione sul pannello frontale.
Due diodi separano l' alimentazione primaria da quella degli strumenti (che deviamo più avanti) e dal circuito del sensore di corrente (che vediamo anch'esso più avanti).

L' alimentatore completo.

Quanto visto finora è sufficiente per realizzare un proprio alimentatore da utilizzare all' interno di altri apparecchi, ma, dato che l' insieme pare funzionare proprio bene, è stata costruita una scatola con gli accessori minimi.

Costruita perchè non ho trovato niente di adeguato e, pur essendomi le realizzazioni "meccaniche" quanto mai di poco gradimento, non c'era altra via. Dalle foto si nota appunto la lavorazione non professionale del metallo.
Il pannello frontale, in mancanza dell' alluminio foto sensibilizzato, è stato fatto con un foglio plastico (KPS) da stampante laser trattato poi con uno spray di protezione (Letraset).

Vista laterale con in evidenza il lato saldature del circuito stampato principale e di quello del supporto dei potenziometri. Sul primo si nota la resistenza da 1K di carico minimo, saldata su questo lato (solo perchè dall' altra parte rendeva difficile arrivare alla vite della squadretta di supporto). I potenziometri hanno bisogno di un cs di supporto per due ragioni: rendere facilmente assemblabile il tutto nel contenitore e, sopratutto, evitare tensione meccaniche sui pin dei potenziometri stessi, che sono, almeno per il modello usato, di piccola sezione e si possono rompere con facilità. Come solito, gli stampati sono stagnati a freddo per evitare la corrosione del rame nel tempo. L' interruttore on/off è a tre vie solamente perchè avevo a disposizione questo tipo. Il LED del pannello frontale riceve l' alimentazione dal circuito stampato di supporto del rettificatore.

L' insieme si basa su un dissipatore del genere del Fischer SK81 da 100x145 attorno al quale è composta la scatola, con elementi di alluminio di  Alfer, che è possibile trovare in alcuni Brico.

Il dissipatore è fondamentale, dato che, come abbiamo accennato, i regolatori lineari scaldano in base alla loro caduta di tensione. 

Quello scelto è più che sufficiente, tenuto anche conto del fatto che l' accoppiamento integrato-dissipatore è molto peggiorato dalla necessità di isolare i tab, che sono collegati al pin OUT. Come detto, il tab degli integrati è collegato ad un pin attivo e quindi si rende necessario isolarli dal dissipatore, con pad in mica e compound termo conduttivo. La scelta del modello è dovuta al fatto che ne ho in laboratorio alcuni pezzi e che la sua forma si prestava bene per occupare il lato posteriore della scatola.

Ovviamente va bene qualsiasi altra forma costruttiva e un dissipatore con resistenza termica adeguata.

Il circuito stampato dell' "unità centrale" è fissato al dissipatore e sostenuto dagli integrati, ma questo non è sufficiente, dato che scarica eventuali stress meccanici e vibrazioni sui pin degli stessi. Per dare sufficiente robustezza meccanica sono state aggiunte due squadrette in nylon.

L' alimentazione primaria.

L' alimentazione primaria viene erogata da un qualunque wall plug con uscita a pieno carico >12V. Questa scelta consente: di avere un apparecchio più piccolo che se dovesse contenere il trasformatore non porta la tensione di rete all' interno dell' apparecchio e, abbastanza importante, almeno per le applicazioni con cui si può avere a che fare, può essere alimentato con un accumulatore, rendendo il sistema del tutto separato dalla rete, cosa molto utile nelle prove.

La tensione di alimentazione necessaria è risultata essere di almeno 12V se si vuole una uscita da 0-10V. Infatti va considerato che ogni LT ha una propria caduta minima di circa 350mV, oltre a quella di 1V sulla Rs, per cui occorrono per sicurezza un minimo di 2 volt al di sopra della tensione massima che si vuole in uscita.
Certamente vanno bene anche di più, entro i limiti dell' integrato, ad esempio 20V, ma si deve tenere presente che la dissipazione di calore sarà maggiore quanto maggiore è differenza tra tensione di ingresso e tensione di uscita, richiedendo un sistema di raffreddamento molto ingombrante.
Quindi, anche se possibile, non è consigliabile superare i 15-16V per evitare inutile riscaldamento.

In ogni caso, gli LT3080 hanno un sistema interno di protezione contro la sovra temperatura che dovrebbe evitare loro danni, anche se, come al solito, non è buona norma progettuale fare conto su questo se non nei casi di emergenza.

Se è disponibile un trasformatore, si farà seguire dal solito ponte di Graetz e da un elettrolitico genere 2200 uF.

Nella realizzazione è stato inserito un piccolo stampato con il ponte e il condensatore, oltre ad una presa per un LED di segnalazione

L' accesso è realizzato con il solito plug coassiale.  E ce ne sono due, uno a monte del ponte per un ingresso in ca e uno a valle per un ingresso in cc, per una alimentazione a batterie.   Un fusibile da 2A è stato inserito per la sicurezza del tutto. Un interruttore frontale  a due vie serve per l' on/off.

Il piccolo stampato trova posto alla base del contenitore, isolato con due rondelle del genere di quelle utilizzate per i transistor in TO-3.

Gli strumenti.

Non potevano mancare il voltmetro e l'amperometro. Piuttosto che utilizzare il solito microcontroller con un display LCD, ho preferito due classici strumentini da pannello.

Sono LCD da 45x22mm, a 3 1/2 cifre con il solito fondo scala di 199.9 mV; se ne trovano anche a prezzi più che abbordabili, ad esempio i DVM210 a € 8.61 o meno (Conrad). Quelli usati qui sono dei DPM-951R.

Lo schema della sezione "strumentazione" è questo:

IC1          78L05 C3/4/5/6  100nF C7             10nF C1           100uF-25V C2            47uF-10V R2     R1            10giri R4             867k R3             100k-10giri

Per evitare cablaggi complicati e poco gradevoli, è stato realizzato un circuito stampato di supporto, in cui gli strumenti sono inseriti sfruttando il loro connettore CN1.

Vista laterale del supporto degli strumenti. I due strumenti sono innestati in un piccolo circuito stampato che porta le resistenze e i trimmer necessari.  In vista, quello di zero per la misura della corrente. Sullo stesso stampato è montato anche il regolatore 78L05.

Resistenze e condensatori ceramici sono SMD, dove è disponibile una ampia gamma di valori e che occupano pochissimo spazio, sono saldati sul lato opposto a quello dei componenti a foro, rendendo molto compatto il tutto.

Per la misura della tensione, prelevata dai morsetti di uscita, è inserito un partitore (1:100) in modo da avere 100mV per 10V di ingresso. Lo strumento indicherà allora 10.00. Non disponendo di resistenze per un partitore decadico, resistenze peraltro fuori dalle serie E e non semplici da trovare a costi ragionevoli, si è utilizzato un partitore con un trimmer R1 in modo da aggiustare con precisione il fondoscala. Qui è usato un 10 giri, però, non avendolo, è possibile utilizzare quello da 1 giro (di buona qualità comunque) inserendolo tra due resistenze calcolate in modo da ottenere la massima risoluzione sul giro del cursore.

Per la misura della corrente è potrebbe essere considerato inutile aggiungere uno shunt, dato che c'è gia la R6 da 1 ohm. Il problema è che si trova a monte del regolatore di tensione e quindi è attraversata sempre da una corrente, variabile con la tensione di uscita. Inoltre, quella usata è abbastanza imprecisa per diventare uno shunt per la misura della corrente.
Quindi è stato necessario aggiungere una resistenza di minimo valore sul lato positivo dell' uscita. In queste condizioni, lo strumento di misura, che può operare come differenziale, per leggere la tensione ai capi dello shunt deve avere una alimentazione separata. Per evitare questo, i due strumenti sono alimentati da un unico regolatore genere 78L05, che riduce deriva dalla tensione di ingresso dell' alimentatore, mentre il segnale di corrente è prodotto da un high side current monitor, genere MAX4372.

Si tratta di una amplificatore differenziale che rende una uscita in tensione proporzionale alla caduta di tensione misurata sulla Rsense. Esiste in tre versioni con diverso guadagno: T *20 F  *50 H *100 La tensione al pin OUT è Vout = ILoad * Rsense * guadagno. Avendo a disposizione una Rsense da 5 milliohm, con la versione T si ottiene una uscita di 100mv per una corrente di 1A. Con la versione F si avrà la stessa uscita su una Rsense da 2 milliohm.

Il sensore di corrente è stato realizzato su un sotto-circuito stampato che viene innestato su un connettore nello stampato principale del regolatore.

Sfortunatamente, il MAX4372, come la maggior parte dei componenti di ultime generazioni, non esiste in packages per montaggio su foro, ma solo come SMD. In effetti si tratta di un piccolo SOT23-5. Occorre quindi realizzare un piccolo circuito abbastanza preciso. Però si tratta di di un circuito extra semplice, comprendendo solamente il MAX4372, il condensatore e il connettore passo 2.54. Per comodità, date le piccole dimensioni, è stato inciso su una lastra con spessore 0.8mm.

Nella foto più avanti, lo vediamo accanto alla resistenza di misura della corrente.

Questa può essere realizzata con una pista del circuito stampato, ma, avendo a disposizione resistenze di shunt di valori adatti, è preferibile usare quelle. La Rsense sullo stampato ha costo zero, però non è semplice ottenere il giusto valore, dato che dipende da una certa precisione nelle dimensioni, non facile da realizzare in casa. Si  può, però, semplicemente fare un poco più grande la pista (resistenza più bassa) e poi "calibrarla" tagliandone via delle striscette per aumentarne il valore, ma è una operazione noiosa. Oppure si può lasciare un valore leggermente maggiore e regolare la tensione all' ingresso dello strumento, analogamente al voltmetro.
Dal punto di vista della precisione della misura va tenuto presente che il rame ha un coefficiente di temperatura sensibile e la resistenza cambierebbe in funzione della temperatura, cosa che in applicazioni "serie" può non essere tollerata (anche se qui potrebbe essere adeguata).

R6, indicata dalla freccia verde, è un ponticello di metallo calibrato.  Se possono recuperare resistenze del genere da alimentatori PC che hanno una seria protezione contro ctocto e sovracorrenti; commercialmente si trovano con facilità e non hanno un costo esagerato. Chi ama fare da sè ogni cosa, può ricavare una resistenza simile da un qualche conduttore di un elemento di riscaldamento, uno shunt di un vecchio tester e simili.  Se di valore molto basso, tipo 1 milliohm, sarà compensata dall' uso del MAX4372H, con guadagno 100.

Accanto alla R6 vediamo il sub-stampato del sensore di corrente.
Dalla foto si notano anche la R5 e la R6 e i due LT3080 isolati dal dissipatore. Parte delle connessioni è realizzata con connettori passo 2.54 per facilitare le prove e rendere possibile il montaggio nel contenitore.

Ovviamente la Rsense in serie aggiunge una caduta di tensione che non viene compensata dal regolatore (sarebbe possibile, dato che l' integrato è floating, a patto di una discreta complicazione, ad esempio con l' aggiunta di un paio di operazionali, ma questa soluzione non è presa in considerazione in quanto è in conflitto con l' idea primaria di realizzare un insieme più semplice possibile). Si tratta, però, di una caduta minima: con 5 milliohm, si avranno 5 millivolt in meno alla massima corrente, cosa che non viene percepita dallo strumento di misura della tensione; la cosa non è il massimo, dato che LT3080 ha esibito una fenomenale regolazione alla terza cifra decimale. Però, anche così la stabilità dell' uscita è paragonabile a quella di circuiti ben più blasonati.

Nella pratica, il sensore di corrente presenta una certa tensione di offset che impedisce allo strumento di misura della corrente di indicare 0.000 quando manca il carico. Si rende necessario cancellare questo offset, cosa possibile aggiungendo qualche componente. Però c'è una via più semplice: gli strumenti che sono basati sull' ICL7106 o cloni hanno ingresso differenziale (INhi e INlo). Per compensare l' offset, basterà attribuire un valore uguale a INlo, con un partitore (R3-R4) in cui un trimmer multigiri consente di regolare con precisione la tensione voluta. Se il 10 giri non c'è, si può ricorrere alla soluzione indicata precedentemente.

Non volendo introdurre un riferimento di tensione di precisione, è stata usata la stessa tensione di alimentazione degli strumenti: il 78L05 lavora con un carico minimo (una decina di milliampere), essenzialmente costante, per cui offre una stablità sufficiente per l' applicazione.

I circuiti stampati del rettificatore, del supporto degli strumenti e dei potenziometri sono del tutto banali e troppo relativi ai componenti usati; chi vorrà replicarli, probabilmente lo farà in forma diversa e sarà facile realizzare gli stampati necessari.

Espansioni?

Dato che il componente permette tensioni di ingresso maggiori di 12V, sarebbe possibile realizzare una versione diversa, ad esempio fino a 20V, alimentando il tutto a 23-24V (il massimo sopportato dal current monitor è 28V). 
Di conseguenza occorrerà cambiare il valore del potenziometro collegato al pin SET .
Va da se che serve tassativamente una superficie radiante molto maggiore per dissipare il calore che si ha con la maggiore caduta sul regolatore, che è lineare. Un miglioramento sensibile si avrebbe utilizzando radiatori separati per i due LT ed eliminando l' isolamento.

Una circuiteria analoga è realizzabile anche con LT3083 che permette una corrente di 3A. Anche qui sarà obbligo un dissipatore di dimensioni adeguate.

Conclusioni.

Il rumore in uscita è realmente trascurabile. 
La stabilità con il carico è il parametro che è risultato più sorprendente (alla terza cifra decimale!) e con le variazioni di linea è impercettibile.

Questo componente, anche se non economicissimo e non immediato da reperire, è sembrato un oggetto che mantiene quanto promette e non è particolarmente difficile da utilizzare, sempre a patto di un cablaggio non disordinato e uso di componenti di altrettanta buona qualità.. 

Dove occorre qualcosa di più raffinato del vecchio LM317, può essere seriamente preso in considerazione. LT3080, come LDO, è ottimo in alimentatori a tensione fissa o regolabili in una certa gamma, anche con tensioni di ingresso veramente molto vicine a quella di uscita; l' uso di condensatori di bassa capacità riduce le dimensioni del tutto.
Potrebbe essere ragionevole mandare in pensione i vari LM317 e 7805 in molte applicazioni.