INFORMAZIONI TECNICHE

L'alimentatore AT-ATX Il regolatore lineare

Regolatore lineare

Il disegno seguente schematizza la soluzione : dopo il raddrizzatore inserisco in serie una resistenza variabile .
(Per chi proprio non ha idea, diciamo approssimativamente che è una cosa come il controllo del volume della radio). Agendo sull manopola della resistenza, ne faccio variare il valore in modo da mantenere costante la tensione in uscita sia al variare del carico, sia al variare della tensione di rete; per ogni combinazione possibile di Vin e I modifico il valore di R in modo che la tensione di uscita sia costante. 

Si può giustamente obbiettare che non è pensabile di variare a mano questa resistenza perchè non c'è modo di intervenire con sufficiente prontezza sulle rapide variazioni della tensione di rete e non avrebbe senso passare il proprio tempo a mantenere stabile la tensione di alimentazione di un apparecchio invece di utilizzarlo !

Fortunatamente ancora l' elettronica ci viene in aiuto.

Con il circuito qui sotto semplificato, il problema è risolto : la resistenza variabile è sostituita da un transistor e la manopola di comando della resistenza variabile è sostituita da un circuiti elettronico (il rettangolo reg. nello schema) che controlla lo stato della tensione in ingresso, comparandola con quella di uscita ed attribuisce al transistor-resistenza variabile, istante per istante, il giusto valore per ottenere una caduta di tensione tale da mantenere l' uscita perfettamente stabile. Il circuito reg. agisce in tempi brevissimi e con una grande precisione e la variazione del transistor-resistenza è praticamente istantanea e continua, senza alcun intervento dell' utente.

		TO-3
		TO-220
	Simbolo del transistor	Vari tipi di transistor

Questa configurazione si chiama "lineare" perchè l' elemento di regolazione varia in modo continuo, lineare appunto, il suo valore adeguandosi alle condizioni imposte; è una soluzione che permette stabilità più che ottime (per circuiti un poco più complessi si arriva facilmente allo 0,1% o meglio)  con una qualità della tensione in uscita eccellente, priva di ondulazione e disturbi.

Abbiamo detto che il transistor, pilotato dal regolatore, mantiene costante la tensione in uscita variando la sua resistenza : se la tensione in ingresso è troppo alta oppure se il carico varia la corrente richiesta al ribasso, il regolatore aumenta la sua resistenza ( e il prodotto V=R*I cresce); se la tensione in ingresso scende o se il carico aumenta la richiesta di corrente, la resistenza del regolatore diminuisce; in questo modo la caduta di tensione sulla sua resistenza compensa sempre esattamente la differenza tra Vin e Vout.
La regolazione della tensione in uscita è ottenuta quindi variando la caduta di tensione ai capi del transistor. In questa situazione, il transistor è l'elemento di regolazione in serie.
Per curiosità, esistono anche soluzioni con funzionamento analogo dove l' elemento attivo si trova collegato in parallelo, ma sono utilizzati solo per bassissime potenze o carichi a corrente quasi costante.

Tutto bene fino a qui e, nella pratica, il circuito lineare è stato uno dei più utilizzati per le più varie applicazioni, proprio per le sue caratteristiche di semplicità e per le ottime prestazioni. Ancora oggi i circuiti di regolazione lineari, integrati in un unico componente, fanno la parte del leone nel campo delle piccole potenze, permettendo di realizzare alimentatori eccellenti con pochissimi componenti. 
Infatti, data la relativamente bassa complicazione circuitale e le ottime caratteristiche dell' approccio lineare, l' intero circuito, ovvero il regolatore e l' elemento variabile sono anche stati integrati in un unico componente con il vantaggio del basso costo e della estrema semplicità costruttiva. In commercio si trovano moltissime famiglie di integrati lineari per la regolazione della tensione e sui siti dei principali costruttori (Motorola, ST, Fairchild, Texas, Linear, tanto per citarne alcuni ) si possono consultare caratteristiche tecniche e applicazioni consigliate.

Perchè diciamo "piccole potenze" ?

La prima considerazione da fare è che, se voglio ottenere una tensione stabile di 12V con 1 A di corrente media, dovrò partire da un trasformatore che abbia una uscita sufficientemente alta. Ad esempio, uno che passi il 230V ad almeno 15V. Perchè ?
Perchè come abbiamo visto, la tensione di rete varia di un 20% e per ottenere 12V con 184V di ingresso, il trasformatore deve essere non 230/12V, ma almeno 230/14,4V. 
Questo mi va certo bene, perché un circuito lineare come quelli qui visti ha la possibilità di regolare solo "in discesa", ovvero partendo da una Vin maggiore della Vout (infatti abbiamo visto che Vin = Vout + Vr, ovvero Vout non può essere maggiore di Vr) : in ogni caso, per funzionare, il regolatore lineare ha necessità una differenza Vin > Vout : minimizzarla è possibile, ma solo entro certi limiti.

Allora partiamo da Vin di 14,4V che arrotondiamo a 15V per semplicità.
Il valore della resistenza variabile dovrà "variare" a seconda della tensione di ingresso, come riportato nella tabella qui sotto,m supponendo che la corrente sia 1 ampere :

Facendo variare la tensione di ingresso del 20% e volendo mantenere costante la tensione di uscita, il regolatore varierà la resistenza tra 0,5 e 6 ohm. Questo è facilmente fattibile : tutto bene per quello che riguarda la tensione, ma meno bene per quello che riguarda la potenza.
Infatti, la caduta di tensione sulla resistenza indica che viene impegnata una potenza pari a :

P = V * I

che dipende proporzionalmente dal valore della corrente e della resistenza; maggiore è la resistenza, a parità di corrente, maggiore sarà la potenza impegnata. Questa potenza non è utilizzata da carico, ma dispersa dal regolatore per mantenere costante la tensione di uscita. E si trasforma tutta, per effetto Joule, in calore.

Quindi il problema primario del regolatore lineare è il suo rendimento basso e la produzione di calore. Due cose che cerchiamo proprio di evitare.
 
Il nostro lineare, per produrre 12W in uscita, nelle condizioni peggiori disperde in calore altri 6W, assorbendone dalla rete 18, con un rendimento del 66%. Sostanzialmente, il sistema lineare, per rendere una certa potenza stabilizzata, ne consuma dalla rete una maggiore e dissipa la differenza in calore.
Rispetto all' esempio, nella realizzazione pratica si dovrà partire da una tensione Vin ancora maggiore, per motivi di sicurezza, cosicchè la potenza persa sarà maggiore : maggiore sarà la differenza tra la Vin e la Vout, maggiore sarà la potenza persa sulla resistenza e maggiore sarà il calore prodotto.