Calcolo Regolatore Lineare 78xx/79xx: Ripple, Dropout, Dissipatore e Rumore
Dal secondario del trasformatore alla tensione stabilizzata: ondulazione, margine di caduta, dissipatore e rumore residuo di un regolatore a tre terminali.
Il regolatore a tre terminali è la scatola nera che tutti abbiamo nel cassetto: due condensatori, tre piedini, e si ottiene una tensione fissa. Funziona quasi sempre, e quando non funziona è quasi sempre per uno di tre motivi — sul fondo dell’ondulazione la tensione d’ingresso scende sotto il minimo che il regolatore richiede, il contenitore si scalda oltre il punto in cui la protezione termica interviene, oppure il ripple residuo in uscita è troppo alto per quello che c’è a valle. Questo tool prende i tre motivi uno per uno, partendo dalla tensione del secondario.
Il calcolo dell’ondulazione non è fatto con la formula del dente di sega: il condensatore viene simulato periodo per periodo, con la resistenza del secondario e la caduta dei diodi al loro posto, e il regime si trova risolvendo la condizione di periodicità. È lo stesso motore del tool sul raddrizzatore, e restituisce anche la corrente di picco nei diodi e l’efficace nel condensatore, che sono i due numeri con cui quei due componenti si scelgono.
Uscita e regolatore
I quattro valori qui sotto arrivano dal datasheet della parte scelta e sono modificabili: se il tuo esemplare è di un altro costruttore, o vuoi lavorare sul valore massimo invece che sul tipico, scrivi il numero che hai davanti. Dove la tabella non ha un valore verificato il campo resta vuoto e il tool te lo dice.
Ingresso: trasformatore, raddrizzatore, condensatore
La tensione da indicare è quella efficace del ramo che alimenta il raddrizzatore: con il ponte è tutto il secondario, con la presa centrale è mezzo secondario, e nel duale è mezzo secondario per ogni ramo. La resistenza serie è quella del secondario più i collegamenti: su un trasformatore da qualche VA sono unità di ohm, su uno da 50 VA qualche decimo.
Risultati a rete nominale, carico massimo, condensatore al valore di targa.
Perché la corrente di picco nei diodi è tanto più alta della corrente d’uscita
Il condensatore si ricarica solo mentre la sinusoide raddrizzata sta sopra la tensione che il condensatore ha già: una finestra stretta, qui intorno ai cinquanta gradi su centottanta. In quella finestra deve passare tutta la carica che il carico consuma nel resto del periodo, quindi la corrente di picco è diverse volte quella continua. È il motivo per cui il fattore di forma è così alto, per cui il secondario scalda più di quanto la potenza d’uscita suggerisca, e per cui il condensatore va scelto sull’ondulazione efficace e non sulla capacità e basta.
Aumentando la capacità l’ondulazione scende ma la finestra si stringe ancora: la corrente di picco sale. È un compromesso, non una direzione da percorrere fino in fondo.
Verifica della caduta minima
È la prova che decide se il progetto sta in piedi. Va fatta nel punto peggiore contemporaneamente: rete al minimo, condensatore al minimo della sua tolleranza, corrente d’uscita massima, e tensione d’uscita al massimo del campo garantito, perché è quella che alza la soglia.
Tensione d’ingresso nel caso peggiore su un periodo di rete. La linea orizzontale è la soglia sotto la quale il regolatore esce di regolazione.
Potenza dissipata e dissipatore
Tutta la differenza fra ingresso e uscita finisce in calore nel regolatore, moltiplicata per la corrente che ci passa: è il prezzo della semplicità. Il caso peggiore qui è l’opposto di prima — rete al massimo, perché è quando la differenza di tensione è più grande.
Potenza dissipata al variare della tensione d’ingresso media, con i tre punti di lavoro e il tetto imposto dal raffreddamento.
La piastra equivalente e il dissipatore vero
L’area indicata viene da un modello dichiarato: dieci watt per metro quadro e per grado, contando entrambe le facce di una piastra verticale annerita, convezione più irraggiamento. Serve a capire se stiamo parlando di una alettina da dieci centimetri quadri o di un profilato da mezzo metro, non a scegliere il pezzo.
Il dato con cui si compra è la resistenza termica di catalogo, misurata a una certa differenza di temperatura — di solito settantacinque gradi — e in aria ferma. Se il dissipatore sta dentro un telaio chiuso, o è coricato invece che verticale con le alette in verticale, il valore reale peggiora facilmente del trenta per cento. Meglio prendere il primo taglio più abbondante.
Ondulazione residua in uscita
Il regolatore attenua l’ondulazione che gli arriva, ma non la cancella, e la attenua meno man mano che la frequenza sale. Quello che resta in uscita si somma al rumore proprio del regolatore.
Righe dello spettro dell’ondulazione, prima e dopo il regolatore. Le ampiezze d’ingresso vengono dalla simulazione; l’attenuazione è il modello a un polo descritto qui sotto.
Come è modellata la reiezione, e quanto fidarsi
Il datasheet dà un solo numero garantito, a centoventi hertz, in condizioni precise di tensione e corrente. La curva completa in funzione della frequenza c’è come grafico ma non come tabella. Qui la reiezione è tenuta piatta a quel valore fino alla frequenza d’angolo che indichi tu, e poi fatta scendere di venti decibel per decade: è il comportamento tipico di questi regolatori, non un dato del costruttore.
Sulla prima armonica — cento hertz con la rete a cinquanta — il numero è quello di targa e la stima è solida. Sulle armoniche alte è una stima e basta. Se ti serve il numero vero, si misura: sonda in alternata sull’uscita, carico vero, e si guarda.
Condensatori, protezioni e montaggio
Cosa non saltare in fase di montaggio
- Il condensatore da 0,33 µF va sul piedino d’ingresso, non a mezzo metro di filo dal serbatoio: serve a impedire l’oscillazione ad alta frequenza, e un filo lungo la rende possibile lo stesso.
- La massa del condensatore d’uscita e quella del regolatore devono incontrarsi in un punto solo, e da lì partire verso il carico. Un anello di massa fra ingresso e uscita si porta dietro i picchi di ricarica dei diodi, che sono ampi e ripidi.
- Il contenitore metallico del TO-220 è collegato al piedino centrale: su un 78xx è la massa, su un 79xx è l’ingresso. Due 79xx sullo stesso dissipatore non isolati sono un cortocircuito.
- La pasta termica è un velo che riempie le asperità, non uno strato: troppa peggiora la resistenza termica invece di migliorarla.
Uscita alzata con il partitore
Mettendo una resistenza fra il piedino comune e massa il regolatore vede la sua tensione fissa fra uscita e piedino comune, e l’uscita si alza di quanto cade su quella resistenza. Funziona, ma la corrente di riposo attraversa la stessa resistenza e non è ben definita: è quella che sposta il risultato.