alimentatore



Alimentatore da 25A
Studio e Realizzazione

Iniziamo subito parlando dello schema, iniziando dall'ingresso e procedendo con ordine.
Come si potrà notare, nello schema non ho inserito ne il Trasformatore ne il Ponte di Diodi. Inutile dire che, senza questi due elementi, non è concepibile parlare di Alimentatori!



trasformatore                      ponte di diodi


Trasformatore
Potenza da 400 a 600 VA per un'erogare di corrente da 25 a 37.5A. Primario 220V. Secondario 16V
Per trasformatori sotto la soglia dei 400VA, si rimanda alla trattazione della '
Protezione per Sovratensioni '
Su uno degli ingressi del primario, va inserito un fusibile da 5A.
Per il secondario i 16V in uscita, sono ottimali per alimentatori da 13.8V. Va ricordato che la tensione in ingresso, moltiplicata per il fattore di guadagno del ponte raddrizzatore, sottratto il valore della tensione di uscita, sarà dissipata come calore dai transistor di potenza.

V_dissipazione = ((V_in * 1.41) - 1.4) - V_out

16 * 1.41 = 22.56 - 1.4 = 21.16 - 13.8 = 7.36V

18 * 1.41 = 25.36 - 1.4 = 23.96 - 13.8 = 10.16V

1.41 = fattore di guadagno del ponte di diodi
1.4 = caduta di tensione del ponte di diodi

Come si vede dagli esempi, la tensione che, sotto forma di calore i transistor di potenza dovranno dissipare, è notevolmente maggiore della semplice differenza tra la tensione d'ingresso e quella di uscita. Questo fattore, deve essere preso seriamente in considerazione, quando si progetta un alimentatore.

Ponte di Diodi
Ponte di diodi 600 - 1000V / 35 - 50A.
La potenza del ponte, dipende dalla tensione d'ingresso e dalla capacità dei condensatori di livellamento. Dovrà poter sopportare l'elevata corrente di carica dei condensatori, al momento dell'inserimento del carico, superiore rispetto a quella massima erogata e con una tensione pari almeno a quattro cinque volte quella erogata dal trasformatore.


Condensatore di Livellamento C1
Elettrolitico, il cui valore dipende dalla massima corrente erogabile.

Esempio per un alimentatore da 25A

C1 = 1.8 * I

C1 in microfarad
1.8 valore costante
I in milliamper
C1 = 1.8 * 25.000 = 45.000 mF

Se si tiene conto che l'amperaggio preso in considerazione è di picco e si può supporre un'erogazione massima costante di 20A, si può pensare di prendere in considerazione uno da 35.000 mF.
Sicuramente non si troveranno condensatori di questo valore, se ne dovranno inserire due o più, di valore inferiore, in parallelo.


R1
Serve ad abbassare rapidamente la tensione dell'alimentatore, quando si dovrà spegnerlo.

Protezione per sovratensioni
I1  è un normale interruttore automatico monofase da 25A, del tipo che si utilizza nel generale di casa.
Se si volesse sottoprogettare l'alimentatore, con un trasformatore al disotto dei 400VA, e con una tensione in uscita diversa da 16V, si dovrà ricalcolare la potenza d'intervento dell'interruttore, secondo la formula:

I = W / V = 400 / 16 = 25 A

D1  è un grosso Diodo SCR da 200V 50A. In caso di sovratensioni in uscita, questo diodo sarà attivato, cortocircuitando il positivo con la massa, facendo così scattare l'interruttore automatico. Dovrà perciò sopportare tutti gli amper che l'alimentatore sarà in grado di erogare.

C8 - R9  sono dei normali componenti, salvo che R9 dovrà essere da 2W o più.

D2  è l'elemento centrale della protezione. Diodo Soppressore (Diodo a valanga) DVS 1.5KE15. Non è molto facile da trovare, ma si può far ordinare, anche se poi se ne dovranno prendere almeno una decina, anche se non costano molto.

Funzionamento del circuito di protezione 
Come risulta palese dal circuito il D2 è montato in controfasce, con il catodo collegato all'uscita positiva dell'alimentatore. In questo modo il diodo risulta interdetto, fintanto che la tensione rimane al disotto dei circa 16V. Superata questa soglia, il diodo si cortocircuita, e nel giro di qualche nanosecondo, scaricando attraverso R9 parte della tensione positiva in uscita. Questo fatto attiva il gate dell'SCR che andando in conduzione, cortocircuita a massa l'ingresso. Attraverso l'SCR passeranno tutti gli amper che il trasformatore sarà in grado di erogare, facendo così scattare l'automatico e spegnendo l'alimentatore.
Anche se l'automatico, dovrà essere riarmato a mano, bisognerà prestare attenzione alle cause che ne hanno determinato l'intervento.
Solitamente questo è dovuto ad una rottura di uno dei transistor di potenza, con la conseguente cortocircuitazione dell'ingresso con l'uscita.
Si può inserire un interruttore tra il positivo e il D2, così da escluderlo, nei casi in cui serva una tensione maggiore di 16V.


Transistor di potenza T1 - T2 - T3
Tre o più darlington MJ-15004 montati su alette di raffreddamento. Se si vuole si può montare un sistema di ventilazione. E' imperativo che siano della stessa casa costruttrice e possibilmente della stessa partita, per far sì che siano il più possibile identici.

C2 - C3 - C4
Servono a cortocircuitare sulla base, le oscillazioni degli stessi transistor.

R3 - R4 - R5
Resistenze filari da 0.05ohm 20W. Solitamente si trovano da 0.1ohm 10W, di colore grigio e di sezione quadrata. Basta montarne due in parallelo. Il wattagio così alto, dipende dal fatto, che attraverso di loro, passa tutta la potenza erogata dall'alimentatore. Queste resistenze servono a far si che i transistor di potenza, che per quanto uguali, non potranno comportarsi in maniera perfettamente identica, eroghino la stessa quantità di amper.

Stabilizzatore L200 e circuiteria ausiliaria
L200 è un ottimo regolatore di tensione stabilizzato. L'escursione è da +3V a +33V. Protezione per le sovracorrenti con soglia di intervento determinata dalla resistenza inserita tra i terminali 2 - 5. Protezione termica. Ormai difficilmente è possibile trovarlo in configurazione TO3, ma anche nel classico contenitore plastico, dovrà essere montato su un dissipatore dedicato.

R2  serve a pilotare i transistor di potenza, determinando una caduta di tensione tra le basi e gli emettitori, quando l'L200 inizia ad erogare.
Agiunta in data 13/07/2021
Anche se sarrà poca la potenza che il regolatore L200 erogherrà, essa passerrà attraverso questa resistenza. Meglio che sia dimensionenata adeguatamente. Sarrà sufficiente una da 3 o 5 watt.
Un ringraziamento a Paolo I1IMA, che mi ha fatto notare questa mia dimenticanza.


C5 - C6  con questi condensatori si scaricheranno a massa eventuali oscillazioni residue presenti prima e dopo l'L200 e i darlington.

R7 - R8  tramite queste due resistenze, si potrà regolare la tensione d'uscita dell'alimentatore.

R6  questa resistenza, inserita tra i terminali 2 e 5 dell'L200, determina la soglia d'intervento della protezione contro le sovracorrenti. Questa protezione interna è in base alla tensione che si leggerà ai capi della resistenza, in base alla seguente formula.

I_out = V_2-5 / R6 per V_2-5 = 0.45V

Percui, se pensiamo di avere una corrente di uscita massima di 35A, avremo:

R6 = 0.45 / 35 = 0.0128 Ohm

Invece per 25A:
R6 = 0.45 / 25 = 0.018 Ohm

C7  serve come ulteriore filtraggio della tensione d'uscita, per prevenire eventuali oscillazioni della stessa.
Una cosa che non è stata descritta, sono i filtri per il rientro di radiofrequenza, che saranno trattati appresso, nelle Note Pratiche.

Note pratiche di costruzione

Si può percorrere due strade, per la realizzazione del circuito.

La prima è creare un circuito stampato, tenendo conto, nel calcolo della larghezza delle piste, di rapportarle alle potenze in gioco, almeno per quello che riguarda l'ingresso, fino all'inserzione degli emettitori dei transistor di potenza e dai collettori fino all'uscita, mentre per l'L200 e la circuiteria ausiliaria, le piste possono anche essere abbastanza strette. Anche per il circuito di protezione, si dovrà avere l'accortezza di avere piste larghe. La pista negativa, potrà espandersi fino a coprire il restante spazio della basetta, lasciando comunque sufficiente spaziatura tra questa e le piste positive, c'è sempre una potenza discreta in gioco.

L'altra strada è utilizzare una basetta millefori e su di questa creare il circuito, usando del cavo unifilare da 2mm, per il positivo, fino all'I1, D1 e da questo fino all'R2, per il trasformatore, il ponte di diodi, il C1, gli emettitori dei transistor di potenza, i collettori di questi ed il collegamento alle R3/4/5, R6, C6, D2, C7, gli strumenti e le uscite e tutta la parte negativa.

Per la parte riguardante l'R2, C5, piedinatura dell'L200, R7, R8 e base dei transistor di potenza, tra il D2, R9, C8 e gate del D1, potrà essere utilizzato un cavetto unifilare da 1mm.

Sarà opportuno collocare il ponte di diodi, su un dissipatore o avvitarlo alla scatola dell'alimentatore. L'L200 se in configurazione TO3, dovrà essere montato su dissipatore, insieme ai transistor di potenza, preferibilmente nella parte posteriore dell'alimentatore, avendo l'accortezza di usare l'apposita pasta tra il corpo del componente, i foglietti di mica e il dissipatore. Per una migliore sicurezza, potranno essere inseriti degli isolatori, sui piedini di questi componenti, ricavati dalla guaina dei fili unifilari da 1mm. Anche se l'L200 è in contenitore plastico, sarà preferibile montarlo su un dissipatore dedicato, da agganciare sullo stampato.

I condensatori C2/3/4 saranno montati direttamente tra collettore e base dei transistor di potenza.

Per le R3 R4 e R5 possono essere usate due resistenze a filo da 0.1 ohm 10W, montate una sull'altra con le estremità saldate a due spezzoni di cavo unifilare da 2mm che poi servirà ad inserirle sullo stampato.

Stessa cosa per l'R6, otto da 0.1 ohm 10W, montate quattro a quattro.

L'interruttore automatico potrà essere montato sul frontale dell'alimentatore, così che in caso di intervento, non si debba aprire quest'ultimo, per riarmarlo.

Gli elettrolitici più grandi, potranno essere trovati con ghiere di fissaggio, montati all'esterno dello stampato e collegati a questa con cavetti unifilari da 2mm.

Per il trimmer R8 si userà un variabile a filo da 10 giri, montato sul frontale, per una regolazione più accurata della tensione di uscita.

Il porta fusibile si monterà lateralmente o nella parte posteriore della scatola. Sarà collegato ad uno degli ingressi del primario del trasformatore e dalla parte opposta, all'interruttore di accensione, montato sul frontale. La strumentazione, ad ago o digitale, montata sul frontale, potrà essere costituita da in volmetro collegato tra positivo e negativo, in parallelo a C7 e un amperometro , inserito tra il positivo in arrivo dal C7 e i vari connettori positivi.

Sarà meglio inserire tanti filtri contro il rientro di radiofrequenza, quante sono le uscite, per attenuare al massimo l'interferenza tra i vari dispositivi alimentati e tra questi e l'alimentatore. Si possono utilizzare delle bobine VK200, se si prevedono uscite di bassa potenza. Nel caso di forti erogazioni, può essere usato del cavetto smaltato da 2mm avvolto con 3 - 4 spire, su dei nuclei cilindrici di ferite. Tra i capi di queste bobine e la massa, dovranno essere montati dei condensatori da 100 nF, del tipo adatto a lavorare con la radiofrequenza. Lo schema è quello riportato nel disegno che segue.

Filtro Radiofrequenza

Conclusioni

Sperando di essere stato esauriente e chiaro nell'esposizione, non mi resta che augurarvi buon divertimento, nell'intraprendere la realizzazione di questo alimentatore. Quello che ha realizzato il sottoscritto, sta funzionando da dieci anni, senza problemi.

Un saluto da IK0UXL Paolo






Note scritte anno 1997
Aggiornate anno 2009

per chiarimenti, scrivere a

palfen@palfen.net



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IK0UXL palfen 21/03/2015 ore 16:00:00
Grazie Andrea per il commento.
Vengo subito al problema della tensione di intervento della protezione.
Questa è decisa direttamente dalle specifiche costruttive interne del diodo soppressore DVS 1.5KE15. Quel 15 finale si riferisce proprio alla tensione di intervento di quello specifico diodo.
Guardando sulle specifiche di questa serie di diodi, rintracciabili sul sito,
http://www.littelfuse.com/products/tvs-diodes/leaded/1_5ke.aspx,
ho notato che agiscono su un range che va da un minimo ad un massimo, nello specifico per il 15 da Vmin 13.545 a Vmax 16.555.
Per il fatto che la protezione ti interviene proprio in quello che sembra il massimo di questo range, può voler dire che la sfortuna ti ha fatto venire in possesso di un diodo estremo?
Comunque i nostri apparati riescono a reggere bene quella tensione, per un tempo di gran lunga superiore a quello di intervento di questo tipo di protezione.
Altrimenti potresti vedere di sostituirlo con uno dei diodi che hanno una soglia di intervento inferiori, controllando sempre le specifiche sul sito su indicato.
Diversamente non saprei ,così su due piedi, come far vedere al diodo una tensione superiore a quella effettiva presente sull'uscita. Forse con un qualche sistema di amplificazione di tensione? Non so!
Però la protezione gioca anche sul rapido intervento del diodo soppressore, che nel giro di qualche nanosecondo scarica parte della tensione dell'uscita sull'R9, con questo già abbassando la differenza di potenziale che sta andando a sovralimentare i carichi, già salvaguardandoli in parte.
L'intervento dell'SCR e dell'automatico solo successivamente e molto più lentamente, ne interromperanno l'erogazione.
Ora se un sistema di elevazione di corrente sul catodo del diodo soppressore, ne interrompesse il collegamento con l'uscita, penso che farebbe venir meno l'efficienza di questo tipo di protezione.
IK0UXL palfen 04/03/2018 ore 22:00:00
Ciao Stefano
Grazie per il commento.
Venendo al quesito: Le tensioni dei due trasformatori, anche se potenti, per i 24v che vorresti all'uscita dell'alimentatore,
sono o leggermente bassa per l'uscita 0 20v o troppo alta se prelevi la tensione sulle due linee da 20v dove complessivamente
avresti una differenza di potenziale di ben 40v.
Come già da te ipotizzato, non prendo in considerazione i 65 0 65v.

Nel primo caso, prelevando dallo 0 e dal 20v, anche contando sul guadagno che si avrà grazie al ponte di diodi,
(20*1,4)-1,4 = 26,6v
sia sul fatto di mettere i secondari dei due trasformatori in parallelo, per aumentarne la potenza, per una tensione di 24v all'uscita
dell'alimentatore, potrebbero verificarsi dei cali di tensione anche al di sotto della tensione dei 24v che l'alimentatore deve erogare,
all'aumentare della potenza richiesta da carichi di una certa importanza.
Se invece il secondario lo prelevi sulle due uscite 20v, non avresti di certo questo problema, ma calcolando che a quel punto avrai
all'ingresso ben 40v dovrai rapportare a questo livello di tensione sia il ponte di diodi sia i condensatori elettrolitici che dovranno
resistere ai valori di tensione e corrente che entreranno in gioco. Oltre tutto penso che così grossi, neanche siano di facile
reperimento. C'è anche da pensare al calore che dovrà essere dissipato dai transistor di potenza che, con i dissipatori dovranno
poter resistere a tale sforzo, prevedendo anche un buon sistema di raffreddamento ventilato.
Facendo un rapido calcolo, la tensione da dissipare sarà di ben
((40*1,41)-1,4)-24 = 31v
Te lo sconsiglio. Anche per il conseguente e superfluo spreco di energia.

Quello che è possibile fare, sono delle prove con la prima ipotesi. Cioè, prelevare la tensione dalla linea 0 20v, mettendo i secondari
dei due trasformatori in parallelo (in parallelo anche i primari).
Io a suo tempo feci delle prove simili usando questo sistema che vado a descriverti:
Presi una serie di lampadine da auto per fari abbaglianti, nel mio caso erano da 12v a te serviranno quelle per camion da 24v.
Le misi in serie tramite dei faston saldati su due barra parallele di rame, unipolare di almeno un millimetro e mezzo. Per irrigidire
il tutto le ho bloccate su una tavoletta di legno.
Poi ho inserito una alla volta le lampadine sommandone la potenza e controllando l'andamento della tensione all'aumentare del carico.

Per il quesito sui due primari in serie... In linea teorica si dovrebbe ottenere una tensione dimezzata sui secondari nel senso che sulle
due linee 20 0 20 avresti 10 0 10 e su quelle 65 0 65 si avrà 32,5 0 32,5.
Questo però in linea teorica perchè, sempre in linea teorica i due trasformatori dovrebbero essere esattamente identici, in che nella
realtà non si verifica praticamente mai, andando incontro a possibili fluttuazioni di tensione e corrente.
Ma tanto vale provare e vedere cosa succede, prendendo le opportune precauzioni di isolamento del tutto, quando lo si fa.
Leggi questa discussione in proposito
http://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?t=38208,

Tienimi informato.
Un saluto Paolo