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Alimentatori stabilizzati lineari e Controllo in anello aperto/chiuso

Indice Argomento Corrente

1) Introduzione

2) Sistemi di controllo in anello aperto: definizione

3) Sistemi di controllo in anello chiuso: definizione

1 - Introduzione.

Negli alimentatori lineari stabilizzati si ottengono all'uscita tensioni altamente stabili, sia nei confronti delle variazioni di carico che per quello che riguarda le fluttuazioni della tensione di rete.
Praticamente la regolazione entro certi limiti è assicurata, come è assicurata un'alta reiezione delle componenti alternate, sia del ripple che di quelle indotte dalle variazioni di assorbimento del carico.
Questo viene ottenuto confrontando la tensione in uscita con una tensione di riferimento e innescando con il segnale differenza delle due tensioni una reazione.
Per ottenere una buona regolazione della tensione in uscita del regolatore occorre partire da una tensione più alta all'ingresso dello stesso, quindi ci sarà sempre una caduta di tensione sul regolatore, quindi avremo una dissipazione di calore proporzionale alla potenza che il regolatore dissipa.
Questo peggiora il rendimento del complesso alimentatore-amplificatore. Questo sistema rientra nella tipologia dei sistemi di controllo in anello chiuso.
Per completezza tratteremo anche i sistemi di controllo in anello aperto.

Discorso a parte meritano gli alimentatori non lineari (switching) che anche se hanno una logica di funzionamento simile, che verranno trattati a parte e marginalmente in quanto poco utilizzati per alimentare delle valvole.

2 - Sistemi di controllo in anello aperto: definizione

Il controllo in anello aperto, è una tecnica di controllo contrapposta al controllo in retroazione. Si distingue da esso per l'assenza di una misura diretta della grandezza da controllare, poiché l'ingresso del sistema da controllare è calcolato sulla base delle caratteristiche note di tale sistema e sull'eventuale misura dei disturbi agenti su esso.

Si immagini di avere un sistema da controllare. Tramite la sua osservazione è possibile risalire ad un modello che ne descrive il comportamento. Tipicamente si tratta di un modello matematico costruito sulla base delle leggi fisiche che regolano il sistema. Se il modello così costruito può essere invertito, sarà possibile ricavare l'ingresso da applicare al sistema per ottenere l'uscita desiderata grazie al modello inverso. Risulta evidente che le prestazioni del sistema saranno legate alla capacità del modello di descrivere in modo accurato il sistema da controllare.

Vantaggi:

• L'assenza di una misura diretta della grandezza da controllare riduce la complessità del sistema e di conseguenza ha un impatto positivo su costi, tempi di progettazione.

• Non avere un sistema di reazione aumenta l'affidabilità, e la stabilità.

• L'assenza di ritardi nella lettura dell'uscita misurata garantisce una migliore prontezza di risposta.

Svantaggi:

• La necessità di sviluppare un modello matematico accurato, si traduce in prove sperimentali sul sistema con conseguente aumento dei tempi e dei costi di sviluppo.

• Scarsa stabilità alle variazioni dovute all'invecchiamento dei componenti.

• Scarsa stabilità in presenza di disturbi che agiscono sul sistema.

Nell'immagine sotto il tipico esempio di alimentatore implementato con un sistema di controllo in anello aperto. La tensione sul carico RC non vien in alcun modo misurata, quindi si desume dai parametri funzionali del circuito, che essendo un inseguitore di emettitore (emitter follower) presenta in uscita una tensione che è uguale alla tensione presente sulla base del primo transistor decurtata delle tensioni di polarizzazione diretta delle due giunzioni base-emettitore dei due transistor (in configurazione darlington). Quindi VRC=VDz1-(VceTr1+VceTr2) dove:
Vdz1= Tensione ai capi del diodo zener
VceTr1-VceTr2=tensione di polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore dei due transistor.

I limiti di questo circuito sono dovuti all'amplificazione dei due transistor che varia al variare della corrente che li percorre e in funzione della tensione collettore-emettitore. La stessa corrente di fuga dei transistor e il loro riscaldamento influenzano la tensione di uscita.

Nonostante tutto dove non sia richiesta grande precisione della tensione in uscita, regolabilità della stessa e alta reiezione del ripple, questo circuito è già un ottimo stabilizzatore.

3 - Sistemi di controllo in anello chiuso: definizione

Innanzi tutto vediamo quali sono le regole che occorre rispettare per un corretto funzionamento di un alimentatore lineare stabilizzato:

1) La tensione in ingresso deve essere sensibilmente più alta della tensione in uscita, cosa che implica una dissipazione di potenza da parte dell'alimentatore, ma che permette allo stesso di avere un margine di aggiustamento. Questi alimentatori lavorano solo in discesa, quindi in uscita non avremo mai una tensione maggiore di quella in ingresso.

2) La reiezione del ripple e la compensazione delle variazioni di assorbimento da parte del carico non devono indurre oscillazioni nell'aggiustamento della tensione in uscita. Questo si ottiene progettando e tarando correttamente il circuito di reazione.

Sotto, lo schema di principio per illustrare il funzionamento di un sistema di controllo ad anello chiuso nel caso di un alimentatore. La tensione in uscita viene comparata con una tensione di riferimento (Vref.), il più stabile possibile, normalmente prodotta da un integrato adatto allo scopo o da un diodo zener con in parallelo un condensatore di relativamente grossa capacità che serve per eliminare il rumore introdotto dal generatore di tensione di riferimento e generare una rampa di tensione che si traduce poi in un "soft-start".

Il segnale differenza fra le due tensioni appositamente amplificato viene mandato a comandare lo stadio regolatore dell'alimentatore in modo da correggere il valore in uscita. Maggiore è l'amplificazione del comparatore e maggiore sarà la sensibilità alla variazione della tensione in uscita, tuttavia oltre un certo limite si innesca una instabilità che potrebbe portare il sistema a oscillare o comunque ad avere ondulazioni smorzate della tensione in uscita.

Se invece il sistema è scarsamente sensibile la tensione in uscita non verrà corretta a sufficienza.

Di seguito due esempi di alimentatore con controllo in anello chiuso.

Sotto un esempio di un alimentatore con un semplice circuito con controllo in anello chiuso.
Il trasduttore che misura il segnale di reazione è in questo caso il trimmer posto fra Vout e la massa, che restituisce sul suo cursore una tensione proporzionale alla tensione che abbiamo in uscita. Se detta tensione è più grande di Vdz1 più la tensione di polarizzazione diretta della giunzione Base-Emettitore del transistor T3, questi diminuirà la sua resistenza Collettore-Emettitore togliendo tensione alla base di T1 che condurrà di meno e di conseguenza la tensione in uscita calerà.

Regolando Trim. si varia la tensione VOut con continuità da un valore minimo che è VOutMin=VDz1+VbeTr3 ad un valore massimo che è VOutMax=Vcc-VceTr2. Il limite di questo circuito è da ricercarsi in T3 che essendo (come tutti i transistor) comandato in corrente avrà un comportamento diverso in funzione della posizione di Trim.

Per ovviare a questo inconveniente normalmente come circuito che esegue la comparazione di tensione si utilizza un amplificatore operazionale che ha un'altissima impedenza di ingresso e un'altissima amplificazione che tuttavia può essere variata a piacere.

Esempio di alimentatore con un circuito di controllo in anello chiuso realizzato con un amplificatore operazionale. Come per il precedente si tratta di un esempio che serve per mostrarci il funzionamento di questo tipo di circuiti.