STABILIZZATORE DI TENSIONE CON KT88, 400V 150mA



Questo stabilizzatore di tensione, nonostante la sua semplicità circuitale, funziona egregiamente, infatti, anche se il circuito di controllo è costituito da una sola valvola (e quindi c'è  un  guadagno non eccezionale nella catena della reazione negativa), fornisce una tensione abbastanza stabile con variazioni dell'ordine di un volt passando da vuoto a pieno carico e con un ripple  con un livello dell'ordine dei 58 mVpp (100 Hz) a pieno carico.
Il rumore a 50 Hz è praticamente  assente  (non visualizzabile con l'oscilloscopio commutato a 5mV) , questo è merito della massa estesa sulla scheda; nel prototipo invece, essendo stato il circuito  montato in aria, il livello della 50 Hz raggiungeva circa 150 mVpp, valore ovviamente inaccettabile.

DESCRIZIONE DEL CIRCUITO
Fare riferimento alla figura sottostante:



Ipotizzo che il circuito lavori con tensioni e carichi nominali e che ad un certo punto o per l'aumento della tensione di rete (che si riflette su VA) o per una aumento del carico (diminuzione di IA), la tensione di uscita (VOUT) aumenti.
Questo aumento viene riportato al pin 2 (VG_V1) di V1A (ECC83), essendo il  catodo di questa valvola mantenuto ad una tensione costante (VK_V1) tramite il diodo zener D5, la tensione griglia - catodo (VGK_V1) aumenta mandando più in conduzione la valvola che abbassa il potenziale VA_V1 alla sua placca, questo fa si che la tensione  griglia - catodo (VGK) di VT1 (KT88)  diventi più negativa facendo condurre meno la valvola stessa che riporta la tensione in uscita al suo valore nominale di 400V.
Ovviamente nel caso che diminuisca la tensione in uscita invece di aumentare il sistema reagirebbe in maniera analoga invertendo però gli aumenti con i decrementi e viceversa.

Percorrendo il circuito da sinistra a destra si incontrano subito i diodi
(FFPF10F150S), ho scelto quelli che possono resistere ad una tensione inversa di 1500V  dato che, come vedremo, la tensione massima raddrizzata  arriva al valore di  635.8V quando la tensione di rete subisce un aumento del 10% rispetto al valore nominale di 220V (in Italia), quindi ogni diodo facente parte del ponte dovrebbe sopportare una tensione doppia di 635.8V ovvero 1271.6V e 1500V rappresentano un buon grado di sicurezza per i diodi.

Subito dopo si incontrano due condensatori elettrolitici in serie ognuno dei quali ha un valore di 1000 uF e tensione di lavoro di 450V, la serie porta il valore capacitivo a metà (500uF) ma a una tensione di lavoro doppia (900V) più che sufficiente a resistere ai 635.8V suddetti.
Le due resistenze di 220K servono per equilibrare le tensioni presenti su ogni condensatore, sono le uniche che scaldano un pochino e quindi consiglio di saldarle leggermente distanziate dalla scheda per permettere all'aria di circolare liberamente attorno al loro case.

Il condensatore C3 serve per attenuare eventuali rumori ai capi del diodo. Quest'ultimo  dissipa qualcosina sotto il W, quello che ho usato io può dissipare fino a 5 W.


PROGETTO
Ci sono molte variabili in gioco (variabilità della tensione di rete, il ripple, la potenza massima ammissibile che possono sopportare le valvole...) per poter decidere a priori entrambi la tensione e la corrente di uscita, quindi, per iniziare il dimensionamento è obbligatorio stabilire solo la tensione che si desidera fornisca lo stabilizzatore per poi, mediante procedimenti grafici, andare per tentativi per ricavare il massimo valore di corrente che può erogare il sistema affinché non vengano superati i limiti ammessi dalle valvole.

Un esempio chiarirà il concetto sovraesposto. Fare riferimento alla figura sottostante che rappresenta le curve di placca della valvola VT1.
Impongo a priori una tensione di uscita di 400V (VOUT).




Nei seguenti calcoli si trascura il ripple ai capi della serie dei condensatori C1 - C2, lo si prenderà in considerazione verso la fine del paragrafo.
La curva rossa a destra che interseca le curve di uscita in figura rappresenta la massima potenza che può dissipare VT1, i punti di lavoro non debbono mai oltrepassare tale curva ed entrare nel  lato destro ad essa.
I calcoli vanno eseguiti alla massima corrente erogabile IA.

Inizio con una casuale scelta di massima corrente erogabile (IA), ad esempio 180 mA (linea verde orizzontale). Si nota dal grafico che la tensione VAK più bassa che può raggiungere la valvola (per VGK = 0V, linea rossa a sinistra) per 180mA è pari a 140V. A questa tensione si fa corrispondere il minimo valore della tensione di rete che può variare del +/- 10%  rispetto al valore nominale di 220V  ovvero sulla placca di VT1 (pin 3) deve essere presente una tensione di (VOUT si suppone regolata e quindi fissa a 400V):

VA_min = VOUT  + VAK_min = 400 + 140 = 540V


Questi 540V corrispondono al minimo della tensione di rete (-10% del valore nominale), per sapere il valore nominale di VA basta applicare la seguente formula:

VA_nom = VA_min  / 0.9 = 540  / 0.9 = 600V

da cui:

VAK_nom = VA_nom - VOUT = 600 - 400 = 200V (linea verde verticale etichettata come NOM)


Il valore massimo VA_max è corrispondente al +10% del valore nominale ovvero:

VA_max = VA_nom + VA_nom * 0.1 =  600 + 60 = 660V

da cui:


VAK_max = VA_max - VOUT = 660 - 400 = 260V (linea verde verticale etichettata come MAX)

Si nota dal grafico che questo punto di lavoro (180mA - 260V) supera la curva di massima potenza ed entra nella zona proibita, per questo motivo 180mA lo stabilizzatore non li può erogare.
Bisogna abbassare il valore di corrente  e ripetere la stessa procedura vista, ho fatto diversi tentativi in merito e uno di questi (ovviamente l'ultimo) è andato a buon fine e corrisponde ad una corrente massima erogabile di 150mA, qui sotto il grafico corrispondente:

Si nota subito come i valori di VAK siano tutti giacenti (MIN - NOM - MAX) nella zona compresa tra la curva per VGK = 0 e la curva di massima potenza dissipabile  (a 280V per 150mA)
Ripeto gli stessi calcoli eseguiti per i 180mA questa volta riportando anche il valore della tensione VGK corrispondenti ai vari punti di lavoro.

VA_min = VOUT  + VAK_min = 400 + 120 = 520V

tensione VGK (ricavata sul grafico):

VGK_min = 0V


Questi 520V corrispondono al minimo della tensione di rete (-10% del valore nominale) per sapere il valore nominale di VA basta applicare la seguente formula:

VA_nom = VA_min  / 0.9 = 540  / 0.9 = 578V

da cui:

VAK_nom = VA_nom - VOUT = 578 - 400 = 178V (linea verde verticale etichettata come NOM)


tensione VGK (ricavata sul grafico):

VGK_nom= circa - 6V


Il valore massimo VA_max è corrispondente al +10% del valore nominale ovvero:

VA_max = VA_nom + VA_nom *0.1 =  578 +57.8 = 635.8V

da cui:


VAK_max = VA_max - VOUT = 635.8 - 400 = 235.8 (linea verde verticale etichettata come MAX)

tensione VGK (ricavata sul grafico):

VGK_max = - 14V


A VA_nom corrisponde una tensione alternata (VIN_nom) di:

VIN_nom = (VA_nom + VR_pp / 2 + 1.4)
* 0707 = (578 + 1.5 + 1.4) * 0.707 = 410V

dove VR_pp è il valore del ripple picco - picco:

VR_pp = IP / (2 * f * C) = 0.180 / 2 * 50 * 500 * 10^(-6) = 3V


I valori minimo e massimo relativi alla variabilità della rete elettrica (+ / - 10%)  sono riportati qui di seguito:

VIN_min = VIN_nom - 10% VIN_nom = 410 - 410 * 0.1 = 369V

VIN_max= VIN_nom + 10% VIN_nom = 410 + 410 * 0.1 = 451V

Entro questi due estremi lo stabilizzatore funzionerà correttamente.

Per analizzare il comportamento a vuoto dello stabilizzatore ho dovuto inserire un piccolo carico in uscita di 47K perché  con i soli morsetti aperti la corrente in uscita sarebbe stata determinata solo dall'assorbimento del diodo e del partitore R7, R8 e avrebbe avuto un valore troppo basso (circa 3mA) per essere osservato sulle curve di uscita.
Con l'aggiunta di 47 K la corrente sale a circa 11 mA (linea rosa) con la quale lo stabilizzatore può essere ancora considerato funzionante  a vuoto.
Riporto qui di seguito i tre valori della tensione griglia - catodo. Per un confronto ho inserito in parentesi il valore della VGK nelle tre situazioni a pieno carico precedentemente ricavate:

VGK_min = -15V (0V)

VGK_nom = -25V (-6V)

VGK_max =  -35V (-14V)


Bisogna ora dimensionare alcuni componenti per il corretto funzionamento di V1A, fare riferimento alle curve di uscita della ECC83  nella seguente figura:



Dato che la ECC83 ha una buona amplificazione, per tutte le condizioni di variabilità d'ingresso e di carico la tensioneVAK_V1 si sposta poco rispetto al valore nominale, per questo motivo per il dimensionamento faccio riferimento al solo valore nominale (VA_nom).
Anche in questo caso decido a priori un parametro (stavolta la corrente
IA_V1)  che circola in R5 e in V1A (la griglia di VT1 assorbe una corrente trascurabile), decido, ad esempio, 2 mA ovvero una corrente che interseca a circa metà le curve nella zona più lineare (linea verde orizzontale).  La tensione sulla placca (VA_V1) deve essere:

VA_V1_nom = VOUT - VGK_nom = 400 - 6 = 394 V

determino poi  la resistenza R5:

R5 = (VA_nom - VA_V1_nom) / IA_V1_nom = (578 - 394)  / 0.002 = 92 Kohm (che approssimo a 100 K)


Con 100K la corrente IA_V1_nom è:

IA_V1_nom  = (VA_nom - VA_V1_nom) / R5 = (578 - 394)  / 100000 = 1.8mA (linea verde orizzontale)

Scelgo ora un tensione VAK_V1_nom = 250V  (sul grafico) sempre a metà delle curve  nella zona più lineare. Per determinare che tensione che deve avere il diodo zener basta applicare la seguente formula:

VZ = VA_V1_nom - VAK_V1_nom = 394 - 250 = 144V (che approssimo a 150V, valore commerciale per un diodo zener)

La reale tensione VAK_V1_nom di V1A è:

VAK_V1_nom = VA_V1_nom - VZ = 394 -  150 = 244V (linea verde verticale sul grafico)


La retta della corrente con quella della tensione intersecano la curva della tensione VGK_V1_nom di V1A al valore di circa -1.6V.
Per conoscere la tensione di griglia VG_V1_nom basta usare la seguente formula:

VG_V1_nom = VZ - VGK_V1_nom = 150 - 1.6 = 148.4V

Questa tensione è quella che deve fornire il partitore composto da R7, R8. Fissando un valore a piacere per R7 (non più grande di 1 M però) ad esempio 1M si ottiene la resistenza R8 con la seguente formula.



R8 = VG_V1_nom * R7 / (VOUT -VG_V1_nom) = 148.4 * 1M / (400 - 148.4) = 590 Kohm (composta da 1 resistenza da 560K in serie con una resistenza da 33K)

Sul grafico ho riportato, oltre a quelli nominali, anche i punti relativi al valore minimo e massimo di VA a pieno carico.


VA_V1_min = VOUT - VGK_min = 400 - 0= 400 V

IA_V1_min = (VA_min -
VA_V1_min ) / R5 = (520 - 400) / 100K = 1.2mA (retta rosa)

VAK_V1_min = VA_V1_min - VZ = 400 -  150 = 250V

VGK_V1_min = - 2V


VA_V1_max = VOUT - VGK_max = 400 - 14= 386 V

IA_V1_max = (VA_max - VA_V1_max) / R5 = (635.5 - 386) / 100K = 2.5mA (retta rosa)

VAK_V1_max = VA_V1_max - VZ = 386 -  150 = 236V

VGK_V1_max = - 1.2V

NOTE FINALI
Come avevo anticipato le tensioni anodo - catodo VAK_V1 della ECC83 non si discostano molto l'una con l'altra per ogni condizione di carico e tensione in ingresso, questo è perché la valvola di controllo V1A ha un certo grado di amplificazione che le permette di controllare ampie escursioni di variazioni di tensione di uscita con piccole escursioni di tensione VGK_V1. Maggiore è l'amplificazione sulla catena di controllo e minori sono le escursioni della tensione in uscita per ogni variazione di carico e di tensione all'ingresso.

REALIZZAZIONE DEL PROGETTO
Materiale

Il disegno della scheda rame è stato salvato con 600 dpi di risoluzione e quindi stampandolo con la stessa risoluzione si ottengono
le dimensioni reali su carta.

Ricordarsi di chiudere il ponticello SJ1 (importantissimo per far confluire le correnti impulsive dei condensatori di livellamento in un punto della scheda ed evitare che se ne vadano in giro a creare disturbi a 100 Hz) sul lato rame e di effettuare i ponticelli colorati in rosso sul lato componenti, gli zoccoli delle valvole vanno montati sul lato rame come nella seguente figura.




Fabio

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