Calcolo Regolatore LM317/LM337: Partitore, Ripple, Corrente e Dissipatore
Partitore, dispersione fra esemplari, carico minimo, finestra di corrente e dissipatore di un regolatore regolabile a tre terminali.
L’LM317 fa una cosa sola e la fa bene: tiene 1,25 V fra l’uscita e il piedino di regolazione, sempre, e tutto il resto discende da lì. Due resistenze decidono la tensione d’uscita, e il piedino di regolazione — che è il punto debole del circuito — ci aggiunge il suo contributo. Questo tool parte dal secondario del trasformatore, sceglie il partitore, dice quanto può muoversi davvero la tensione d’uscita fra un esemplare e l’altro, verifica il carico minimo, disegna la finestra di corrente che resta disponibile e dimensiona il dissipatore.
L’ondulazione d’ingresso è simulata periodo per periodo con la resistenza del secondario e la caduta dei diodi al loro posto, come nel tool dei regolatori a tensione fissa. La reiezione dell’ondulazione è invece ricavata dal partitore e dal condensatore sul piedino di regolazione, con un modello che riproduce i due punti pubblicati dal costruttore entro un decibel e mezzo.
Il componente
I valori qui sotto vengono dal datasheet della parte scelta e restano modificabili: se lavori con un esemplare di un altro costruttore, o preferisci il caso peggiore al posto del tipico, scrivi il numero che hai davanti.
Il partitore e la tensione d’uscita
R1 sta fra uscita e adjust e vede sempre il riferimento: è lei a fissare la corrente che scorre nel partitore. R2 sta fra adjust e massa e alza l’uscita. Il valore classico di R1 è 240 Ω, ma non è una legge: è il compromesso fra la corrente sprecata nel partitore e il carico minimo che il regolatore pretende.
Tensione d’uscita al variare di R2, con la fascia entro cui può cadere un esemplare qualsiasi tenendo conto del riferimento, della corrente di adjust e della tolleranza delle resistenze.
Perché la corrente di adjust conta, e quando smette di contare
La corrente che esce dal piedino di regolazione attraversa R2 e ci lascia sopra una tensione che si somma a quella del partitore. Sono cinquanta microampere tipici, cento al massimo, e cambiano poco nel campo di lavoro: la loro variazione garantita è cinque microampere. Il guaio non è il valore, è che moltiplica R2: con R2 da duemila ohm sono un centinaio di millivolt, con R2 da ventimila sono un volt.
Da qui la regola pratica di tenere R1 piccola, intorno ai duecento ohm: R2 resta bassa a parità di tensione, il contributo della corrente di adjust si riduce, e in più il partitore assorbe abbastanza da soddisfare da solo il carico minimo. Il prezzo è qualche decina di milliwatt buttati via, che a queste correnti non interessano a nessuno.
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.
Verifica del salto minimo
Il caso peggiore va preso tutto insieme: rete al minimo, condensatore al minimo della tolleranza, corrente d’uscita massima, e tensione d’uscita al massimo del suo campo, perché è quella che alza la soglia.
Tensione d’ingresso nel caso peggiore su un periodo di rete, con la soglia sotto la quale il regolatore esce di regolazione.
Finestra di funzionamento
Quanta corrente resta davvero disponibile dipende da due limiti che si muovono in direzioni opposte: il raffreddamento, che stringe quando il salto di tensione cresce, e la protezione interna del regolatore, che sopra un certo salto riduce la corrente per tenersi dentro l’area sicura.
Corrente disponibile in funzione del salto ingresso-uscita. La curva continua è il limite del raffreddamento, calcolato; i due tratti in basso sono i soli valori di corrente che il costruttore pubblica, e fra l’uno e l’altro la forma non è nota.
Potenza dissipata e dissipatore
Potenza dissipata al variare della tensione d’ingresso media, con i tre punti di lavoro e il tetto imposto dal raffreddamento.
Ondulazione residua in uscita
Qui il partitore si vede: l’ondulazione che arriva al piedino di regolazione viene amplificata dallo stesso rapporto che alza la tensione d’uscita. Il condensatore sull’adjust serve proprio a togliergliela, e vale più di qualunque altro condensatore del circuito.
Come è ricavata la reiezione, e quanto vale la stima
Il datasheet dà due soli numeri: sessantacinque decibel senza condensatore sull’adjust, ottanta con dieci microfarad, misurati a dieci volt d’uscita e centoventi hertz. Da soli non servono, perché la reiezione dipende dal partitore che hai messo tu.
Il meccanismo però è tutto lì: l’ondulazione presente sul piedino di regolazione arriva in uscita moltiplicata per uno più R2 su R1, e il condensatore mette R2 in cortocircuito alle frequenze sopra il suo taglio. Ricavando da quei due punti la reiezione riferita a guadagno unitario si ottiene ottantatré decibel, e ricalcolando il caso con dieci microfarad il modello dà ottantuno e mezzo contro gli ottanta pubblicati. Un decibel e mezzo di scarto sul dato del costruttore.
Protezioni, condensatori e montaggio
I due diodi che quasi nessuno mette
- D1, dall’uscita all’ingresso, catodo verso l’ingresso. Quando spegni, il condensatore d’uscita resta carico mentre l’ingresso si scarica: senza questo diodo la corrente torna indietro dentro il regolatore.
- D2, dall’uscita al piedino di regolazione, catodo verso l’uscita. Protegge il condensatore sull’adjust: se l’uscita va in cortocircuito, quei dieci microfarad si scaricano dentro il chip attraverso il piedino di regolazione, che è la parte più fragile.
- Il condensatore d’uscita è richiesto per la stabilità: un microfarad al tantalio, o dieci-venticinque microfarad di elettrolitico. Non è opzionale come sui regolatori a tensione fissa.
- Il contenitore metallico del TO-220 è collegato all’uscita, non alla massa: se il dissipatore è a telaio va isolato.