Esempio di misurazioni di reiezione al ripple
Nella Parte 1 di questa serie ci siamo soffermati sull'influenza assunta dal rumore nei confronti del segnale di uscita dei regolatori di tensione , cioé l'uscita generata dai regolatori stessi, a prescindere dal carico e dall'alimentazione. Nella Parte 2 ci siamo occupati della impedenza di uscita, che costituisce un parametro che descrive come il regolatore reagisce al variare dell'intensità di corrente del carico. In questa terza parte diamo una rapida occhiata a come un regolatore riesce ad eliminare i segnali in AC presenti all'ingresso dell'alimentazione: parleremo quindi di reiezione al ripple o reiezione relativa all'alimentazione.
La reiezione al ripple è importante in qualsiasi caso (tranne quando si utilizzano le batterie), se consideriamo che un'alimentazione di bassa qualità è inquinata da spurie a 100/120Hz, dalle loro armoniche e da tutto quello che in RF può venir fuori dall'alimentazione. Tutto questo non può che arrecare danno ai circuiti audio.
Certo, i grandi condensatori che si trovano dopo i filtri raddrizzatori tolgono una parte dei disturbi, ma non li eliminano del tutto: questi condensatori sono generalmente grossi e voluminosi, e presentano alti ESR e ESL il che li rende poco efficaci alle altissime frequenze. Inoltre, per poter filtrare, un circuito deve essere costituito da una combinazione di resistenze in serie e capacità in shunt, mentre nella maggior parte delle alimentazioni i condensatori di alimentazione si trovano direttamente dopo i raddrizzatori, e per questo motivo "vedono" una resistenza R molto piccola.
(Oltre a ciò, nei circuiti che richiedono basse intensità di corrente quali ad esempio i DAC, gli stadi fono e i preamplificatori la tipica schiera di trasformatori, raddrizzatori e condensatori di alimentazione appare decisamente fuori luogo: i condensatori hanno un'azione leggermente filtrante e, a causa della loro elevata capacità, provocano dei picchi di corrente nel passaggio dai trasformatori ai rettificatori di livello molto elevato e di breve durata; una sorgente di inquinamento che influisce su tutta la linea di alimentazione. È mooolto meglio far seguire ai raddrizzatori una resistenza (o un'induttanza) di valore appropriato, quindi una piccola capacità, e un banco di filtri RCRC con un basso valore di Rs e un alto valore di Cs. Questo schema riesce a filtrare il ripple molto meglio. L'unico svantaggio è che a occorre scegliere un trasformatore con un'alta tensione in uscita a causa delle conseguenti perdite nella serie delle resistenze o delle induttanze, ma in compenso migliora il comportamento riguardo al caricamento della corrente, che permette di scegliere un trasformatore che offre un rapporto VA con bassi valori di corrente. Fine della chiacchierata.)
L'esempio precedente dà un'idea su come simulare la reiezione al ripple. La nostra alimentazione adesso è costituita dai soliti 21V DC, ai quali si sovrappone una componente da 1V AC. Questa componente in alternata viene fatta variare dalla continua fino ad 1MHz, e il segnale all'uscita del regolatore viene registato in decibel (dB). Il riferimento è di 0dB, corrispondente al livello AC non attenuato in ingresso al regolatore. Quindi le curve registrate indicano direttamente la reiezione al ripple al variare della frequenza.
Il grafico seguente mostra i risultati per le nostre quattro principali tipologie di regolatore di tensione, tutte connesse a un condensatore di uscita da 220uF / 100mR. Entrambi gli shunt regulator presentano una resistenza di drop da 180R, scelta che consente di ottenere una corrente sul carico di 15mA, e una da 15mA che attraversa lo shunt, con una tensione di uscita di 15V.
Appare chiara la superiorità dello LM317: si tratta dell'unico componente ad alto guadagno e alto feedback del lotto, e riesce ad annullare il ripple al di sotto dei 400Hz. I circuiti con guadagno inferiore riescono ad ottenere risultati più modesti, e il nostro povero inseguitore di emettitore dà risultati deludenti. Comunque, sopra ad 1kHz questi semplici circuiti danno risultati migliori rispetto all'azione dei condensatori di uscita da 220uF (se presenti!).
Gli shunt regulator presentano un elemento resistivo serie intrinseco, nel nostro caso R7, che insieme al condensatore di uscita C1, costituisce un filtro passa basso e quindi riduce il ripple alle altissime frequenze. Questo comporta anche che, contrariamente ai regolatori del tipo all-in-one quali lo LM317, la riduzione del ripple per uno shunt reg dipende sia dal tipo di regolatore sia dall'implementazione specifica, cioé dipende dai suoi componenti ausiliari.
Nei precedenti grafici i valori di R7 e C1 vengono modificati per ottenere tre regolatori, tutti con 15V in uscita, ma con prestazioni diverse per quanto riguarda il ripple.
Diamo ora uno sguardo più da vicino agli shunt reg a due transistor ad alto guadagno che si comportano magnificamente per quanto riguarda l'impedenza di uscita ...
Come detto in precedenza, si guadagna qualcosa, ma si perde qualcos'altro. in questo caso ne soffre la riduzione del ripple, e in effetti questo regolatore è quello che dà i risultati peggiori sotto questo aspetto, non superando i -50dB su tutta la larghezza di banda (osservate l'ultimo grafico, la curva in rosso).
È facile comprendere il motivo: il collettore del transistor Q3 è collegato nel punto tra le due resistenze di drop R12 e R13. Ciò espone in maniera diretta i circuiti al ripple che vogliamo eliminare. Una battaglia persa in partenza ...
Fortunatamente esiste una semplice soluzione: collegando il condensatore aggiuntivo C7 tra l'alimentatore intermedio e la massa il ripple presente viene filtrato passivamente, aiutato dalla presenza di R12. Questo condensatore dovrebbe essere grande (controllate la curva in oro nel grafico per vedere gli effetti di un condensatore da 2200uF), e preferibilmente con il più piccolo ESR ed ESL possibile.
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Traduzione: Fabio Egizi