Autore: Werner Ogiers
Questa è una versione leggermente più semplice rispetto allo shunt a transistor discreti trattato nel primo articolo della serie. Presenta un guadagno ad anello aperto più basso (ne parlerò più approfonditamente di seguito), e il condensatore di compensazione C3 va aggiunto per assicurare la stabilità al circuito. Senza alcun intervento esterno si ottiene un'impedenza di 100 milli-Ohm, fino a 200kHz (che tende ad aumentare senza compensazione).
Come si evince dal grafico, anche con condensatori di piccola capacità si ottiene una curva d'impedenza piatta e regolare.
Neanche questo regolatore è sensibile all'ESR della capacità, in quanto non assume un comportamento induttivo al di sotto dei 100 kHz, per cui il passaggio ai condensatori reali è immediato e non comporta risonanze.
Questo è un esempio di impedenza piatta e di tipo resistivo, con una rotazione di fase di soli 10 gradi in banda audio.
Il nostro Shunt a due-transistor raggiunge un'impedenza di uscita di qualche centinaio di milli-Ohm. Risulta molto silenzioso su un'ampia banda di frequenze, ma limitatamente a 10kHz circa, risultato migliore a quello ottenuto con il TL431, e di circa cinque volte peggiore rispetto allo LM317.
La ragione è semplice: nella sua semplicità, questo shunt regulator è un circuito con un anello di controreazione su un amplificatore di errore che presenta un limitato guadagno ad anello aperto. Questo amplificatore è costituito dal transistor Q1 e dal suo carico R3, di 330 Ohm del precedente circuito.
Il guadagno dell'amplificatore si calcola facilmente: R3 presenta una caduta di tensione ai suoi capi di 0.7V, e quindi su di essa scorre una corrente di 0.7/330 = 2 mA. Questa corrente scorre anche su Q1, e considerata Re = 30/Ic, troviamo che la resistenza di emettitore Re di Q1 vale 15 Ohm. Quindi il guadagno in tensione totale vale R3/Re = 330/15 = 20.
La corrente che circola attraverso il transistor di shunt Q2 vale 15 mA, quindi la resistenza di emettitore ad anello aperto vale 2 Ohm. Essendo il guadagno ad anello aperto pari a 20 e applicata una controreazione completa, la risultante impedenza di uscita del regolatore vale 2 Ohms / 20 = 100 mOhms.
La diminuzione di questa impedenza sostanzialmente comporta un guadagno ad anello aperto maggiore relativamente a Q1. Questo è quanto si cerca di ottenere con i due circuiti seguenti.
Alimentando la resistenza per la regolazione del guadagno R6 con una tensione maggiore rispetto alla tensione di uscita regolata, ovviamante si ottiene una corrente maggiore che scorre nella resistenza stessa e attraverso il transistor amplificatore. Quest'ultimo quindi assume una resistenza di emettitore Re più bassa, e quindi aumenta il guadagno: 330/Re.
Collegando il terminale superiore della R6 in un punto intermedio tre le due resistenze R12 e R13 otteniamo sullo stesso terminale una tensione maggiore. Nell'esempio precedente R6 vede 18V sul terminale superiore, o circa 3V ai suoi capi. La corrente che percorre R6, e il transistor amplificatore, allora vale 10 mA, e quindi la Re del transistor è di 3 Ohms, e il guadagno ad anello aperto risulta quindi 330/3=110. Considerati i 10mA che scorrono nel transistor di shunt si arriva ad una impedenza di uscita effettiva di 3 Ohms / 110 = 30 mOhms, visibile nella curva verde della figura seguente.
Tutto questo guadango completamente gratis? Naturalmente no. Quello che si guadagna da un lato si perde dall'altro. In questo caso ne soffrirà la reiezione del regolatore al ripple. Ma questa è un'altra storia.
(Avvertenza: il circuito precedente è solo indicativo, e manca di tutta la parte di compensazione che lo rende stabile all'atto pratico. Se provate a realizzarlo, tenetelo bene a mente!)
Un risultato ancora migliore di quello ottenuto, si ha sostituendo la resistenza di carico di Q1 con un carico attivo, cioé un generatore di corrente. Lo schema contiene un generatore di corrente ideale, e per questo motivo raggiunge una impedenza di uscita ben al di sotto di 10 mOhm (curva blu). Lascio al lettore il compito di implementare un carico attivo: il circuito sarà probabilmente costituito da almeno quattro transistor, verosimilmente non sarà più incondizionatamente stabile, e non potrà più essere definito come "semplice regolatore di tensione".
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Traduzione: Fabio Egizi