Stabilizzatori LM

Gli stabilizzatori di tensione a tre terminali

I regolatori di tensione integrati a tre terminali, al pari dell’LM723 e dell’LM104 già esposti nel precedente capitolo, sono di tipo lineare. La trattazione in un nuovo capitolo risiede nella considerazione che questi IC costituiscono una famiglia particolare che ha portato, nell’ambito degli stadi stabilizzatori, una notevole semplificazione circuitale unitamente ad una grande facilità di dimensionamento e flessibilità di impiego.
Realizzati inizialmente per un’unica tensione, 5V, perché tale valore era, ed è, necessario per alimentare i circuiti TTL e altri, oggi vengono prodotti per una vasta gamma di tensioni che si estende da 5 V a 24 V e per correnti comprese da qualche centinaio di milliamper a oltre 3 A.

Nella maggior parte dei casi sono dotati di protezione di tipo foldback contro i cortocircuiti e di ulteriore protezione termica che porta l’uscita in OFF quando la temperatura dell’involucro supera mediamente i 165 °C. Alcuni hanno poi la caratteristica di ricondurre automaticamente il punto di funzionamento entro la zona di sicurezza (safe area limiting) quando una qualsiasi causa (sovraccarico, incremento termico, ecc.) tende a scostarli dal predetto punto.

Configurazioni circuitali per tensioni fisse

Dato l`elevato numero di regolatori a tre terminali oggi nel mercato della componentistica attiva, lo studio di questi viene generalizzato. Ciò comporta che quanto viene esposto per un regolatore qualsiasi, salvo diversa indicazione, è estensibile a tutti i regolatori a tre pin.
Le figura forniscono con immediatezza l’idea della semplicità circuitalea cui conduce l’utilizzazione di questi regolatori integrati nei quali si distinguono dunque il pin in (1) di ingresso, il pin out (2) di uscita e il pin common (3) comune all’ingresso e all’uscita e che va solitamente connesso a massa.

l circuiti di cui alle figure adottano, rispettivamente, un regolatore S
per tensioni positive e un regolatore S per tensioni negative.
Come si vede, per la realizzazione di uno stadio stabilizzatore è sufficiente un trasformatore, un ponte a diodi  seguito dalla capacità di filtro Cl – l’IC, scelto in funzione della tensione desiderata, e altri due condensatori elettrolitici Ci e Co.
L’elettrolitico Ci può anche essere superfluo, mentre la sua presenza si dimostra necessaria quando lo stadio regolatore è posto ad una distanza superiore a 10 o 12 cm dall’uscita del ponte a diodi, ossia dal condensatore Cl.

Questo caso si presenta frequentemente quando un unico trasformatore, seguito da un’unica cella raddrizzatrice, alimenta più circuiti per ognuno dei quali è prevista un’alimentazione stabilizzata autonoma.
La reiezione in alternata (ripple rejection), sempre intesa come rapporto fra la tensione efficace del ripple in ingresso e la tensione efficace del ripple residuo presente ai morsetti di uscita, può essere notevolmente migliorata dalla presenza della capacità Co.

Se questa è realizzata con un condensatore elettrolitico al tantalio, il costruttore ne specifica il valore in genere compreso fra 1 μF e 25 μF.
Per componenti elettrolitici che non siano al tantalio la capacità di Co dev’essere aumentata anche fino a 250 μF.

Stabilizzatore di tensione che adotta un regolatore integrato a tre terminali (S) tensioni V0 positive.

Stabilizzatore di tensione analogo al precedente, ma per tensioni V negative

La tensione Vo di uscita di un regolatore a tre terminali può essere resa variabile semplicemente aggiungendo alla configurazione di base due resistenze.

Regolatore di tensione che utilizzando l’lC LM78L05 presenta in uscita una Vo = 10 V eroga una corrente Il = 100 mA.

Andamento delle tensioni Vi di ingresso e Vo di uscita nel regolatore con IC LM 79L05 di cui alla figura.

Adottando per R2 un trimmer, si può ottenere un Vo variabile con continuità a partire dal valore Valore Vomin = Vreg.

Dall’alto verso il basso la tensione Vi di ingresso e le tensioni massima e minima di uscita con riferimento al circuito regolatore di cui alla figura

Quando la tensione primaria di alimentazione Vp ha un valore più elevato della tensione Vimax indicata per l’ingresso dell`integrato regolatore, si può ricorrere a queste disposizioni circuitali che riportano la tensione di ingresso dell’lC nei limiti compatibili.

Il BJT Q – transistor booster – consente di ottenere dal
regolatore correnti più elevate.

L’intervento del BJT Q2 protegge il BJT Q, nel caso di sovraccarichi

Questo circuito, simile al precedente, introduce tramite il BIT Q3 una protezione di tipo foldback.

Questo stadio stabilizzatore, ponendo il rapporto R2/R1 = 5 e utilizzando un IC LM78xxC con corrente Ireg di l A, è in grado di erogare fino a 6 A.

Il regolatore LM117

I circuiti integrati regolatori della serie 78xx si prestano alla realizzazione di stabilizzatori di tensione notevolmente affidabili e altresì economici dato il minimo numero di componenti da disporre all’estemo per il loro conetto funzionamento.
Ma nell’ambito dei regolatori a tre terminali le serie al momento più utilizzate, particolarmente quando si desideri una vasta gamma di tensioni di uscita sia fisse che variabili o la possibilità di variare la stessa Vo con continuità, sono quelle degli LM117 che consentono correnti fino a 1,5 A, degli LM150 e LM138, rispettivamente da 3 A e 5 A.
Le principali caratteristiche dell’LM117 di cui si esporranno molteplici configurazioni circuitali del tutto estensibili ai regolatori delle serie 150 e 138, sono:

Tensione di uscita variabile da 1,2 a 37 V
Massima corrente di carico 0,5 A ÷ 1,5 A (a secondo del modello)
Massima (Vi – Vo) 40 V
Tensione di riferimento 1,25 V
Intervento limitazione di corrente 2,2 A
Potenza dissipabile 4 W + 20 W (a secondo del modello)
Regolazione di linea 0,05 % / V
Regolazione di carico 0,1 % ( per Il = 1,5 A)
Stabilità in temperatura 0,01 % / °C
Reiezione al residuo in c. a. 80 dB
Tensione di rumore in uscita
(RMS in % della Vo) 0,003 %

Oltre alla protezione a limitazione di corrente l’LM l 17 è dotato di shutdown termico che ne blocca il funzionamento quando la temperatura diviene eccessiva, mentre un apposito circuito consente al BJT driver e al BJT di potenza intemi all’IC e in serie al carico di lavorare costantemente nella zona di sicurezza.
La Figura fomisce, quindi, lo schema a blocchi dell’LM117. L’amplificatore operazionale a guadagno unitario, pilota una coppia di BJT in connessione
Darlington. ll riferimento di tensione Vref è fomito dal diodo zener da 1,2 V posto fra il terminale non invertente dell’op-amp e il pin ADJ (adjustement), mentre il generatore di corrente costante fra l’input del regolatore e lo stesso ingresso, fomisce i 50 μA necessari alla sua polarizzazione.

Schema a blocchi semplifiato dell’IC regolatore LM117.

Configurazione di base del regolatore di tensione con LM117.

La figura riporta quindi la configurazione di base dell’LM117 che, come
si può constatare, non si discosta da quella degli altri regolatori a tre terminali. Per la tensione Vo si ha quindi:

Ma essendo:

Sostituendo quest’ultima nella precedente si ricava:

Stadio analogo al precedente ma con due diodi di protezione.

Alimentatore stabilizzato con LM117 con tensione di uscita Vo variabile con continuità da 1,2 V a 25 V per una corrente massima di 1 A.

Stabilizzatore di tensione con Vo variabile da 0 V a 30 V

Dall`alto verso il basso la tensione Vi applicata in ingresso e le tensioni Vomax = 32,2 V e Vomin = 0 nel regolatore di cui alla figura.

Regolatore di tensione con V0 variabile da 0 V a 30 V.

Stabilizzatore con Vo variabile da 1,2 V a 50 V ad alta corrente

Quando siano necessarie correnti particolarmente elevate si può ricorrere alla configurazione del circuito stabilizzatore riportato nella figura. Qui il BJT pnp 2N2905 pilota tre LM195 disposti in parallelo. Questi ultimi sono integrati dal comportamento identico a quello dei BJT npn di potenza, ma dotati di protezione per il sovraccarico, limitazione di corrente e protezione termica.
La tensione Vo di uscita dipende, come sempre, dal valore attribuito alla resistenza R5, e al potenziometro R5. Con i valori attribuiti a questi componenti nel circuito in oggetto, si ha pertanto, in base alla figura, una tensione di uscita variabile da 1,2 V a 50 V.
La figura riporta un’ulteriore stabilizzatore per correnti di carico elevate
senza dover ricorrere a BJT di potenza, ma ponendo in parallelo tre LM117 che, in involucro TO-3, possono dissipare una potenza di 20 W con una Ilmax di 1,5 A Questo circuito è pertanto in grado di erogare una corrente di oltre 4 A.

Stabilizzatore per correnti elevate e tensione Vo di uscita variabile da 1,5 V a 50 V

Stabilizzatore di tensione per una corrente di carico maggiore di 4 A.

Stadio stabilizzatore ad alimentazione ritardata.

Andamento della tensione di uscita nello stabilizzatore a inserzione ritardata.

Stabilizzatore con comando TTL.

Stabilizzatore di tensione con Vo variabile da 1,2 V a 160 V

Dall`aIto verso il basso, le tensioni Vomax  e Vomin con riferimento allo stabilizzatore.

Stadio stabilizzatore a più uscite di eguale tensione a singolo controllo

Generatori di corrente costante

I generatori di corrente costante hanno sempre avuto molteplici applicazioni. Una di queste è, per esempio, nei sistemi di carica della batterie di diversissimo tipo.

Semplici generatori di corrente costante – spesso definiti limitatori di corrente (current limiter) – sono riportati nella figura. Nel circuito di cui alla figura a, che è di impiego del tutto generale, il valore della corrente erogata al carico dipende dalla resistenza R1 secondo la relazione:
Iout = Vref/R1
Posto Vi = Vref + Vo + 2, si assegnano alla R1 valori compresi fa 0,8 Ω e 120 Ω.
Per R1 = 120 Ω, essendo Vref = 1,2 V, lo stadio eroga la minima corrente prevista dal costruttore (10 mA), mentre, per esempio, portando la resistenza R1 a 0,8 Ω si ha una Iout pari a 1,5 A.

Del tutto simile è il circuito proposto nella figura b dove il trimmer R1 è sostituito da una resistenza fissa. In base all’espressione su riportata si ha Iout = 1 A.
Per correnti più elevate si ricorrerà al circuito della figura c.

Regolatori di corrente. In a circuito di impiego del tutto generale. In b lo stesso circuito per una corrente Iout di 1 A e in c circuito con BJT-booster di conente.

Stabilizzatori Duali e in tracking

Nella pratica è sempre molto frequente l’impiego di alimentatori stabilizzati duali, ossia di alimentatori che presentano due uscite una con tensione positiva l’altra con tensione negativa. Le due tensioni possono essere eguali fra loro o differenti. Nel caso siano eguali e vi sia eventualmente un controllo per variare il valore delle due tensioni (che rimangono comunque dello stesso valore) gli alimentatori vengono definiti di tipo tracking.
ll ricorso ai regolatori integrati semplifica notevolmente la realizzazione di
questi stadi di stabilizzazione dal momento che nel mercato della  componentistica vi è da tempo un considerevole numero di IC regolatori per tensioni negative. ULM340, per esempio, ha il suo corrispondente per tensioni negative nell`LM320, la serie 78xx nella serie 79xx, I’LMl l7 nell’LM337, ecc.
La figura mostra una versione semplice di un alimentatore duale che
fornisce due tensioni perfettamente simmetriche di + 15 V e – 15 V.

Stabilizzatore che fomisce una tensione positiva di + 15 V e una negativa di – 15 V

Stabilizzatore per tensioni positive e negative indipendentemente variabili

l regolatori utilizzati sono l’LM320 per il ramo negativo e l’LM340 per il ramo positivo.
Questa configurazione appare fra le più idonee all’alimentazione, per esempio, degli amplificatori operazionali che prevedano la classica alimentazione duale.
La configurazione di cui alla figura può essere realizzata con regolatori
integrati a tre pin con V0 di qualsiasi valore. Volendo in uscita, per esempio, le tensioni di + 5 V e – 5 V, si sostituirà l’LM340 con il 7805 (+5 V) e l’LM320
con il 7905 (-5 V).

La figura riporta quindi uno stabilizzatore duale realizzato con un
LM317 – simile all’LM117 – e con il relativo complementare LM337. ln questo
caso è possibile variare del tutto indipendentemente le due tensioni che hanno, rispettivamente, escursioni da 1,2 V a 20 V e da -1 ,2 V a -20 V.
Uno stadio stabilizzatore di tipo tracking è esposto nella figura. La relativa configurazione consente di avere in uscita due tensioni perfettamente costanti e simmetriche. A qualunque variazione che dovesse manifestarsi su un ramo, per esempio fra il negativo di uscita e massa, consegue istantaneamente un’identica variazione della tensione positiva di uscita (ossia fra il positivo e massa) in modo che le due tensioni siano sempre perfettamente eguali.

Nel circuito in oggetto è sufficiente una variazione di 100 mV fra l’uscita negativa e massa affinché la sezione positiva agisca in modo da riequilibrare le due V0.
Nella condizione di riposo, infatti, il punto A è virtualmente a massa mentre il punto B è al di sopra del potenziale di massa di un’entità pari alla tensione Vbe del BJT Q1. Il BJT Q2 è pertanto percorso soltanto dalla corrente di riposo del regolatore positivo.

Stabilizzatore in tracking che consente l’autobilanciamento delle due tensioni di uscita

Se, per esempio, l’uscita Vo(-) diviene più negativa, il BJT Q1 passa in
conduzione e ciò porta ad una diminuzione del potenziale del punto B e quindi ad un incremento della tensione di collettore del BJT Q2 che è connesso al pin ADJ del regolatore LM340. l’incremento del potenziale del terminale ADJ rispetto al livello di massa determina un aumento della Vo(+) dello stesso ordine dell’incremento della Vo(-). ln altri termini un decremento della Vo(-) porta ad una diminuzione del potenziale di collettore del BJT Q2 a cui segue una minore conduzione del BJT Q2.

ll potenziale del pin ADJ si allontana da massa e ciò
conduce verso l`alto l’uscita del regolatore.
Un’ulteriore versione di uno stadio stabilizzatore di tipo tracking è riportata
nella figura. Il circuito è senz’altro più complesso dei precedenti, ma presenta ottime prestazioni in particolare per quanto conceme la regolazione sul carico che, per il ramo che fomisce la tensione positiva è di 40 mV per correnti di carico comprese fra 0 e l A, mentre per la sezione che fornisce la Vo negativa è di 80 mV per la stessa escursione della corrente.
Si noti che il terminale 3 del regolatore negativo LM320K-05 e il corrispondente terminale del regolatore positivo LM340K-05 sono rispettivamente controllati da un inseguitore di tensione e da un amplificatore in configurazione invertente.

Queste due funzioni sono esplicate dall’operazionale LM1558 (due operazionali in unico involucro). Poiché la massima tensione a questo applicabile è di ±22V, la massima tensione di uscita Vomax non può eccedere 20 V.
La più efficace azione di tracking – tensioni +Vo e – Vo costantemente eguali si ha solo a condizione che i due operazionali presentino lo stesso guadagno. Ciò significa che dev’essere posta notevole cura nella scelta delle resistenza R2 e R3 che devono avere lo stesso identico valore al fine di fornire un guadagno unitario allo stadio invertente.

Stabilizzatore duale in tracking che presenta ottima regolazione di carico, ma a condizione che i guadagni dei due operazionali siano perfettamente unitari. Ciò impone che le resistenze R1 e R2 siano pressoché dell’identico valore.