La tensione di uscita degli alimentatori non stabilizzati varia a seconda della corrente assorbita dal carico, delle variazioni della tensione di rete, dalle tolleranze dei componenti e fluttua intorno a un valore medio a causa del ripple. Questi scostamenti dal valore desiderato possono non essere accettabili se i circuiti da alimentare richiedono, come nella maggior parte dei casi, una tensione stabile.

Per fronteggiare questo inconveniente, possono essere usati dei circuiti regolatori di tensione, il cui compito è quello di fornire una tensione d’uscita stabile (entro certi limiti) anche a fronte di variazioni della corrente assorbita dal carico e della tensione d’ingresso. Di seguito sono descritte le principali tipologie di regolatori a componenti discreti.

1. Regolatore con diodo Zener

Il regolatore più semplice basa il suo funzionamento sfruttando il comportamento di un diodo Zener polarizzato inversamente. Per comprendere il funzionamento di questo circuito, può essere utile osservare la caratteristica I/V di un generico diodo Zener.

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Come si può vedere, quando la tensione inversa è inferiore a VZK, nel diodo scorre una corrente praticamente trascurabile. Invece, al superamento di VZK, la corrente che circola nel diodo aumenta improvvisamente. Il circuito seguente permette di sfruttare il comportamento del diodo Zener polarizzato inversamente per mantenere costante la tensione in uscita.

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RL rappresenta il carico e Io la corrente assorbita. IZ è la corrente che scorre nel diodo Zener, che viene fissata solitamente a circa 10 mA per garantire una buona stabilità della tensione d’uscita. La somma di queste due correnti fornisce la corrente complessiva Ii in ingresso al circuito.

I_{i}=I_{Z}+I_{o}(1.1)

La tensione d’uscita Vo corrisponde, ovviamente, alla tensione VZ del diodo Zener. Ipotizzando che la tensione d’ingresso Vi non stabilizzata possa essere compresa tra un valore minimo Vi(min) ed uno massimo Vi(max), la resistenza R1 (sulla quale si verifica la caduta di tensione V_{i}-V_{o}) deve permettere, anche nel peggiore dei casi (ovvero con la minima tensione d’ingresso, Vimin), il passaggio della corrente d’uscita Io più la corrente IZ necessaria al funzionamento del diodo Zener. Pertanto, applicando la legge di Ohm, è possibile ricavare il valore della resistenza R.

R=\frac{V_{i(\mathrm{min})}-V_{Z}}{I_{i}}=\frac{V_{i}-V_{Z}}{I_{o}+I_{Z}}(1.2)

La massima dissipazione di potenza da parte della resistenza e del diodo Zener si hanno quando la tensione d’ingresso raggiunge il valore massimo Vi(max). Pertanto, è possibile calcolare le massime potenze dissipate:

P_{R\mathrm{max}}=(V_{i\mathrm{max}}-V_{Z})I_{i}=(V_{i\mathrm{max}}-V_{Z})({I_{o}+I_{Z})(1.3)

P_{D\mathrm{max}}=V_{Z}I_{Z}=V_{Z}\frac{V_{i\mathrm{max}}-V_{Z}}{R_{1}}(1.4)

In particolare, nel caso della potenza dissipata nel diodo Zener, si considera in senso conservativo come se il carico fosse scollegato (ovvero con Io = 0 e tutta la corrente Ii che scorre nel diodo, ovvero Ii = IZ), in modo da fronteggiare anche la condizione più gravosa.

Esempio 1: si dimensioni un regolatore a Zener che fornisca una tensione Vo = 12 V partendo da una tensione che può oscillare tra Vimin = 15 V e Vmax = 18 V con il carico che assorbe una corrente massima Io = 30 mA.

Soluzione: si sceglie di polarizzare il diodo Zener con una corrente IZ = 10 mA. Considerando la condizione peggiore (Vimin = 15 V), si può calcolare il valore della resistenza R.

R=\tfrac{V_{i}-V_{Z}}{I_{o}+I_{Z}}=\tfrac{15V-12V}{30mA+10mA}=75 \Omega

Di seguito, si calcola la massima potenza che il resistore è chiamato a dissipare.

P_{R\mathrm{max}}=(V_{i\mathrm{max}}-V_{Z})({I_{o}+I_{Z})=(18-12)V\cdot(30+10)mA=0,24W

Pertanto si può scegliere in senso conservativo un resistore da 0,5 W. Si calcola quindi la massima potenza dissipata dal diodo.

P_{D\mathrm{max}}=V_{Z}\tfrac{V_{i\mathrm{max}}-V_{Z}}{R}=12V\tfrac{18V-12V}{75 \Omega}=0,96W

Per cui si può scegliere un diodo Zener da 12 V e 2 W di potenza.

Tuttavia, questo circuito presenta degli aspetti che ne limtiano l’uso solo ad applicazioni con requisiti non troppo severi e con carichi che assorbono poca corrente. Il primo aspetto da considerare è che la curva nella regione di scarica non è perfettamente verticale. Pertanto, la tensione d’uscita Vo = VZ varia leggermete per determinate variazioni della corrente di Zener IZ. L’inclinazione di questa retta è espressa della resistenza dinamica del diodo Zener.

r_{Z} = \frac{\Delta V_{Z}}{\Delta I_{Z}}(1.5)

Quanto minore è il valore di rZ, migliore sarà la stabilizzazione della tensione d’uscita, anche a fronte di variazioni della corrente assorbita dal carico. Il valore di rZ è riportato nei manuali tecnici e varia, a seconda del modello del diodo, dalla decina al centinaio di Ohm.

D’altro canto, la potenza dissipata dal diodo dipende dalla corrente IZ che raggiunge il valore massimo quando viene scollegato il carico (Io = 0). Pertanto, la corrente richiesta dal carico può assumere valori non troppo grandi per evitare che, scollegandolo dal regolatore, tutta la corrente Ii si riversi sul diodo Zener danneggiandolo.

Un problema comune dei diodi Zener è il rumore dovuto all’uso nella regione di scarica (rumore di conduzione a valanga) che si presenta nei diodi con tensione di scarica VZK superiore a circa 6 V. Pertanto, spesso è necessario ricorrere a filtri RC o, nelle applicazioni a basso rumore, impiegare esclusivamente Zener con tensione VZK inferiore ai 6 V, eventualmente posti in serie per raggiungere valori complessivi di VZK maggiori.

Le limitazioni legate alla corrente d’uscita possono essere tuttavia superate impiegando un circuito capace di gestire grandi correnti d’uscita Io impiegando piccole correnti di Zener IZ.

2. Regolatore con Zener più BJT

Impiegando un BJT come amplificatore di corrente, è possibile realizzare circuiti con elevata corrente d’uscita Io (anche all’ordine dell’ampére), mantenendo relativamente contenuta la corrente IZ del diodo.

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In questo caso, la tensione d’uscita non corrisponde più alla tensione del diodo Zener. Infatti, considerando la caduta di tensione VBE tra base ed emettitore (tipicamente di ~0,7 V), la tensione d’uscita Vo sarà pari alla tensione del diodo Zener VZ meno la caduta di tensione VBE.

V_{o} \simeq V_{z}-V_{BE}(2.1)

Come al solito, la corrente di base IB del transistore dipende dalla corrente di collettore IC e dal parametro β (che nei BJT al silicio corrisponde praticamente ad hFE).

I_{B}=\frac{I_{C}}{\beta}\simeq\frac{I_{C}}{h_{FE}}(2.2)

Trascurando la corrente di base IB (che comunque risulta piccola rispetto a quella di collettore), si può assumere che la corrente di collettore IC corrisponde circa alla corrente d’uscita Io, ovvero I_{o}\simeq I_{C}, per cui è possibile riscrivere la formula precedente.

I_{B}\simeq\frac{I_{o}}{h_{FE}}(2.3)

A questo punto, è possibile ricavare il valore della resistenza R, considerando che questa volta dovrà permettere il passaggio della corrente IZ più la corrente di base del transistore IB.

R=\frac{V_{i\mathrm{min}}-V_{Z}}{I_{B}+I_{Z}} \simeq \frac{V_{i\mathrm{min}}-V_{Z}}{\frac{I_{o}}{h_{FE}}+I_{Z}}(2.4)

Per le potenze dissipate valgono le considerazioni effettuate in precedenza, con l’aggiunta del calcolo della potenza dissipata nel BJT.

P_{Q\mathrm{max}}=(V_{i\mathrm{max}}-V_{o})I_{o}(2.5)

La configurazione appena descritta, oltre a permettere correnti d’uscita maggiori, ha il pregio di fornire una migliore stabilizzazione della tensione Vo in quanto le variazioni di corrente IZ che interessano il diodo Zener sono ridotte di β volte rispetto al caso precedente.

Esempio 2: si dimensioni un regolatore a Zener più BJT che fornisca una tensione Vo = 12 V partendo da una tensione che può oscillare tra Vimin = 15 V e Vmax = 18 V con il carico che assorbe una corrente massima Io = 800 mA.

Soluzione: impiegando un diodo Zener da 13 V, si ottiene che la tensione d’uscita del cricuito vale

V_{o} \simeq V_{z}-V_{BE}=13V-0,7V=12,3V

Questo valore si avvicina sufficientemente al valore richiesto. In alternativa, volendo ottenere un valore ancora più prossimo a quello richiesto, si sarebbe potuto inserire un comune diodo al silicio in serie ad un diodo Zener da 12 V come rappresentato nello schema seguente.

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In questo caso, la caduta di tensione del diodo al silicio compensa quella del BJT. In ogni modo, si procede con la scelta del transistore. La corrente di collettore IC corrisponde circa alla corrente d’uscita Io, ovvero 800 mA. Pertanto, il BJT dovrà sopportare una corrente maggiore. Il BD139 sopporta una corrente di collettore massima di 1,5 A, dunque si presta allo scopo. L’hFE minimo vale 40, dunque la corrente di base IB necessaria per ottenere la corrente d’uscita richiesta vale

I_{B}\simeq\frac{I_{o}}{h_{FE}}=\frac{800mA}{40}=20mA

Scegliendo di polarizzare il diodo Zener con una corrente IZ = 10 mA e considerando la condizione peggiore (Vimin = 15 V), la resistenza R vale

R\simeq \frac{V_{i\mathrm{min}}-V_{Z}}{I_{B}+I_{Z}}=\frac{15V-13V}{20mA+10mA}=66,7\Omega

Si può scegliere un resistore da 68 Ω. La massima potenza dissipata su questo resistore vale

P_{R\mathrm{max}}=(V_{i\mathrm{max}}-V_{Z})({I_{o}+I_{Z})=(18-13)V\cdot(20+10)mA=0,15W

Pertanto si può scegliere un resistore da 0,25W. Si calcola quindi la massima potenza dissipata dal diodo.

P_{D\mathrm{max}}=V_{Z}\tfrac{V_{i\mathrm{max}}-V_{Z}}{R}=13V\tfrac{18V-13V}{68\Omega}=0,96W

Per cui si può scegliere un diodo Zener da 2 W di potenza. La massima potenza dissipata dal BJT vale

 P_{Q\mathrm{max}}=(V_{i\mathrm{max}}-V_{o})I_{o}=(18V-12,3V)\cdot0,8A=4,56W

Pertanto, è raccomandabile l’uso di un dissipatore di calore.

Il transistore può essere sostituito da una coppia Darlington per ottenere un hFE maggiore, dunque pilotare correnti d’uscita maggiori mantenendo comunque piccola la corrente IZ sullo Zener. In questo caso, bisognerà considerare che la VBE sarà raddoppiata. Inoltre, il circuito può essere realizzato anche per tensioni negative, a patto di impiegare un BJT PNP e collegare opportunamente il diodo Zener.

3. Regolatore con amplificatore d’errore

Per ottenere una migliore regolazione della tensione d’uscita, è utile ricorrere alla reazione negativa. In questo circuito, si ha un BJT (Q1) in serie al carico, che si comporta come una resistenza variabile. Questo elemento viene pilotato da un amplificatore d’errore (Q2), il cui compito è quello di confrontare la tensione effettivamente presente all’uscita del regolatore con una tensione di riferimento, fornita da un diodo Zener. La differenza tra queste tensioni viene amplificata ed impiegata per agire su Q1, in modo da riportare la Vo nelle condizioni prefissate.

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In questo caso, la tensione d’uscita dipende dal rapporto delle resistenze che formano il partitore R1R2, dalla tensione VZ del diodo Zener e dalla tensione VBE di Q2, che anche in questo caso vale ~0,7 V.

V_{o}\simeq(V_{Z}+V_{BE2})\left ( 1+\frac{R_{1}}{R_{2}} \right )(3.1)

La corrente IZ è fornita in parte da R4 ed in parte da Q2. Queste correnti, rispettivamente IR4 e IC2, sono solitamente imposte uguali tra loro.

I_{R4}+I_{C2}=I_{Z}(3.2)

I_{R4} \simeq I_{C2}(3.4)

Fissando la corrente di Zener IZ (ad esempio, intorno ai 10 mA) e considerando la differenza tra la tensione d’uscita e quella di Zener, è possibile ricavare il valore della resistenza R4 necessario per fornire la corrente IR4 al diodo Zener.

R_{4}=\frac{V_{o}-V_{Z}}{I_{R4}}=\frac{V_{o}-V_{Z}}{I_{Z}/2}(3.5)

A questo punto, si sceglie il modello del BJT Q2 e, conoscendo la sua hFE, si calcola la corrente di base IB2 necessaria per ottenere la corrente di collettore IC2.

I_{B2}\simeq \frac{I_{C2}}{h_{FE2}}\simeq \frac{I_{Z}/2}{h_{FE2}}(3.6)

Affinchè il partitore fornisca la corrente IB2 al BJT Q2, è necessario che in esso scorra una corrente abbastanza grande da garantire sufficiente stabilità termica, ma non troppo grande da sovraccaricare l’uscita dell’alimentatore. Ad esempio, si può far scorrere nel partitore una corrente IR ≈ IC2. A questo punto, è possibile ricavare le seguenti espressioni.

R_{1}\simeq \frac{V_{o}-V_{BE2}-V_{Z}}{I_{R}}(3.7)

R_{2} \simeq \frac {V_{BE2}+V_{Z}}{I_{R}}(3.8)

Il BJT Q1 deve fornire una corrente IC1 pari alla somma della corrente d’uscita Io, più la corrente IR4 e IR.

I_{C1}\simeq I_{o}+I_{R4}+I_{R}(3.9)

Pertanto, è possibile calcolare la corrente di base IB1 necessaria al BJT Q1 affinché si ottenga la suddetta corrente di collettore IC1, conoscendo l’hFE del BJT Q1.

I_{B1}\simeq \frac{I_{C1}}{h_{FE}} \simeq \frac{I_{o}+I_{R4}+I_{R}}{h_{FE}}(3.10)

La resistenza R3 deve fornire la corrente IB1 più la corrente IC2, pertanto il suo valore è espresso dalla formula seguente.

R_{3}\simeq \frac{V_{i\mathrm{min}}-V_{u}-V_{BE1}}{I_{B1}+I_{C2}}(3.11)

Trattandosi di un circuito a reazione negativa, può essere utile inserire due condensatori per evitare autoscillazioni ad alta frequenza e migliorare la stabilità del regolatore.

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Essendo costituiti essenzialmente da transistori e resistori, questi circuiti si prestano molto bene ad essere realizzati in forma integrata. Circuiti basati sullo stesso principio, con eventuali ulteriori sofisticazioni (come la limitazione della corrente d’uscita e la protezione da sovratemperatura) sono alla base dei comuni regolatori integrati come, ad esempio, quelli della serie 78xx e LM317.

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