[guida] Regolatori di tensione (downvolting ed affini)
 

Ciao a tutti.
Visto che l'argomento "downvolting" è molto in voga nel forum ho pensato di dare un piccolo contributo che può semplificare moltissimo la vita a tutti coloro che ci si cimentano :)
Premessa: non sto inventando l'acqua calda e molte cose che riporto qui sono già state dette... ma come si suol dire "repetita iuvant".
Considerate inoltre che l'argomento "regolatori di tensione" non copre solo le ventole, ma anche tutte quelle applicazioni in cui sia necessario avere tensioni di alimentazione fisse/variabili diverse da quelle disponibili all'output dell'ali. :sofico:

Di seguito riporto le soluzioni + comuni in ordine di semplicità, e per ognuna riporto anche vantaggi e svantaggi (quando mi riferisco al "carico", intendo l'oggetto fisico che richiede l'alimentazione regolata)

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SISTEMI DI PILOTAGGIO LINEARI
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1- Resistore di potenza in serie al carico.

Vantaggi:
(a) Semplicissimo da costruire
(b) Economico, visto che una resistenza di potenza non costa certo un capitale

Svantaggi:
(a) Non viene variata la tensione (Volts) ai capi del carico, ma solo la corrente.
Traduzione: se si trascura l'effetto resistivo dell'avvolgimento del motore (e quindi la relativa caduta di tensione), mettendo una resistenza in serie ad una ventola ad esempio da 12V, la stessa sarà sempre alimentata a 12V ma avrà una corrente (I) di alimentazione inferiore.
(b) La resistenza dissipa calore, cosa che non sempre è gradita :mad:

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2- Partitori resistivi

Vantaggi:
(a) Come in (1). Semplicissimo da costruire
(b) Come in (1). Economico, visto che una resistenza di potenza non costa certo un capitale :P
(c) La tensione ai capi del carico è effettivamente diminuita

Svantaggi:
(a) Come in (1), le resistenze dissipano calore, cosa che non sempre è gradita
(b) I partitori assorbono corrente dall'ali che NON viene usata dal carico.

Esempi:



Formule che descrivono il partitore resistivo
V = V1 + V2
V = I(R1+R2)
V1 = I * R1
V2 = I * R2

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3- "combinazioni" delle uscite dell'ali (es. 12-5=7)
Vantaggi:
(a) Come in (1) & (2). Semplicissimo da costruire
(b) Come in (1) & (2). Economico che + non si può, visto che si risolve con un paio di spezzoni di cavo

Svantaggi:
(a) Estremamente limitante, visto che le combinazioni che si possono ottenere sono limitate e fisse.
(b) non tutti gli ali tollerano bene questa manovra, portando a conseguenze che possono variare tra l'autoprotezione ed il danneggiamento fisico delle componenti collegate. Raro, ma può succedere :(

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4- Pilotaggio a transistor
Vantaggi:
(a) Una sciocchezza da costruire, sono 3 componenti in croce :)
(b) Economico... massimo 2 euro tutto compreso
(d) Assorbimento della circuitera praticamente trascurabile
(e) Dissipazione termica molto molto bassa
(f) Con il transistor dello schema (2N2222A), massimo assorbimento 800mA circa (cioè almeno 5 ventole da 80mm @ 12V)
(g) Soluzione elegante, compatta e funzionale che non necessita di modifiche a componenti esistenti
(h) Estrema reperibilità dei componenti
(i) Tensione di uscita modificabile a piacimento.

Svantaggi:
(a) Tensione d'uscita non stabilizzata, e dipendente dalla tensione d'entrata.

Esempi:


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5- Regolatori stabilizzati a tensione fissa (IC della serie "78xx", come ad esempio 7805, 7806, 7807, 7808....7812)

Vantaggi:
(a) Meno semplice dei precedenti da costruire, ma pur sempre una sciocchezza :)
(b) Economico... massimo 3-4 euro tutto compreso
(C) Tensione ESTREMAMENTE stabilizzata (è fatto apposta ;))
(d) Assorbimento della circuitera praticamente trascurabile
(e) Dissipazione termica molto molto bassa
(f) Soluzione elegante, compatta e funzionale che non necessita di modifiche a componenti esistenti
(g) Estrema reperibilità dei componenti

Svantaggi:
(a) Meno semplice dei precedenti da costruire, ma parliamo sempre di 4 componenti in croce
(b) Massimo assorbimento 1A circa... ma ci sono IC che pur costando una sciocchezza tengono molto di +
(c) Tensione di uscita non modificabile a piacimento.
(d) Necessitano di circa 1V in + all'entrata per garantire il valore nominale d'uscita


Esempi:



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6- Regolatori stabilizzati a tensione variabile (come ad esempio LM317)

Vantaggi:
(a) Meno semplice dei precedenti da costruire, ma pur sempre una sciocchezza :)
(b) Economico... massimo 3-4 euro tutto compreso
(C) Tensione ESTREMAMENTE stabilizzata (è fatto apposta ;))
(d) Assorbimento della circuitera praticamente trascurabile
(e) Dissipazione termica molto molto bassa
(f) Soluzione elegante, compatta e funzionale che non necessita di modifiche a componenti esistenti
(g) Tensione variabile a piacimento (nel caso del LM317 tra 1.2V a 37V), per gli utilizzi + disparati
(h) Corrente di lavoro di circa 1.5A, più che sufficiente per qualsiasi amenicolo per PC :D
(i) Estrema reperibilità dei componenti

Svantaggi:
(a) Meno semplice dei precedenti da costruire, ma parliamo sempre di 4 componenti in croce
(d) Necessitano di circa 1V in + all'entrata per garantire il valore nominale d'uscita


Esempi:






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SISTEMI DI PILOTAGGIO PWM
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Il pilotaggio PWM è sicuramente il migliore tra i candidati in termini prestazionali, anche se presenta una sofisticazione circuitale leggermente superiore.
Facciamo luce innanzitutto sulla sigla:
P.W.M. = Pulse Width Modulation -> Modulazione ad ampiezza d'impulso.
Dietro il nome "stratrekkiano" si cela un meccanismo molto semplice ;)

Nei circuiti a pilotaggio lineare (quelli tradizionali e che abbiamo visto fino ad ora) il segnale di potenza che va a pilotare il carico è continuo (cioè in DC, a tensione costante) e regolato in tensione.
Al variare della tensione ai capi del carico, varia l'energia ad essa disponibile, e di conseguenza i motori ruotano + velocemente, le lampade si fanno + luminose etc.
Lo svantaggio di questi metodi è che una minore tensione ai capi, implica obbligatoriamente anche una minore corrente, ed una minore corrente implica per i motori una minore coppia con i problemi che nascono come conseguenza (difficoltà in partenza, dissipazione termica indesiderata del sistema di pilotaggio, consumi maggiori etc).

I circuiti di pilotaggio PWM invece funzionano secondo un criterio differente.
Invece di variare la ddp ai capi, essa viene fornita ad impulsi con ddp costante e sempre massima rispetto la Vin richiesta.
L'unico parametro a variare è il duty cycle del segnale. Tale parametro è il rapporto tra il tempo che il segnale rimane (entro lo stesso periodo di oscillazione dell'onda rettangolare) a livello logico "alto" (semplificando, con Vout=Vin) ed il tempo che invece rimane basso (Vout=0V).
Il duty-cycle, come è facile immaginare, volendo può variare tra lo 0% (segnale mai a livello logico alto) ed il 100% (segnale sempre alto), passando per tutti i valori intermedi possibili.
Esempio:
Considerando un segnale ad onda rettangolare ad 1KHz, con periodo dell'onda quindi di 1ms....
- con un duty-cycle del 0% avremo livello alto per 0.0ms e livello basso per 1.0ms.
- con un duty-cycle del 15% avremo livello alto per 0.15ms e livello basso per 0.85ms.
- con un duty-cycle del 50% avremo livello alto per 0.5ms e livello basso per 0.5ms.
- con un duty-cycle del 70% avremo livello alto per 0.7ms e livello basso per 0.3ms.
- con un duty-cycle del 90% avremo livello alto per 0.9ms e livello basso per 0.1ms.
- con un duty-cycle del 100% avremo livello alto per 1.0ms e livello basso per 0.0ms.

Il vantaggio è che il carico riceve una "tensione media" nel tempo uguale a quella desiderata, ma ad impulsi di ddp = Vin.
(Ok, i puristi della terminologia specifica saranno in preda alle convuslioni a quest'ora per la bestialità del termine tra virgolette che ho appena scritto.
So che sarebbe + corretto parlare di energia totale nell'unità di tempo o almeno di integrali di potenza, ma semplifichiamo i termini per chi non è avvezzo, per questa volta ;))
Essendo gli impulsi sempre al massimo livello desiderato, i motori ringraziano erogando, a parità di regime rotativo, una maggiore coppia rispetto il pilotaggio lineare, e lo stadio finale di pilotaggio esulta dissipando molta meno energia termica !
Questo per quanto riguarda i motori, risolve anche le problematiche riguardanti le difficoltà di startup del rotore in presenza di ddp molto basse
Nei sistemi lineari infatti questo problema deve essere risolto con degli escamotages che fanno sì che il motore stesso venga alimentato per i primi istanti da una tensione superiore a quella di regime... e questa sofisticazione del circuito fa perdere a mio parere il vantaggio di ricorrere ad una soluzione lineare.

Di circuiti adatti per la creazione di un driver PWM ce ne sono a bizzeffe in ogni variante.
Vediamo le soluzioni + comuni.

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1- Oscillatore (multivibratore astabile) -> finale di potenza a transistor/mosfet

Questa soluzione a 2 stadi è la + semplice, e può essere creata molto semplicemente tramite un banale NE555 in configurazione "multivibratore astabile" (l'amico oscillatore, tanto per capirci) che va a pilotare lo stadio di potenza costituito da un buon MOSFET (es. IRF510) o un transistor Darlington (es. TIP122) a cui viene collegato il carico.
In questo caso il NE555 ha il ruolo di generare direttamente il segnale rettangolare a duty-cycle variabile.
La semplicità ha però un prezzo, e cioè la limitatezza di taratura.
Per limitazioni circuitali infatti il NE555 può generare solo segnali con un duty-cyle compreso tra il 55% ed il 95%.
Per approfondimenti, date un occhio a questo link

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2- Oscillatore (multivibratore astabile) -> op-amp -> finale di potenza.

Questa soluzione a 3 stadi è la migliore perché permette una regolazione "full range" del duty-cycle tra lo 0% ed il 100%.
Il prezzo da pagare è l'introduzione di uno stadio intermedio costituito di un op-amp (amplificatore operazionale) come ad esempio il LM358, oppure il LM741 (conosciuto anche come uA741) tra l'oscillatore (stadio 1) e lo stadio di potenza (stadio 3, o finale).
In questo caso infatti il NE555 ha il ruolo di generare un segnale a "dente di sega" che viene iniettato nell'op-amp in conigurazione "comparatore", il quale fornisce in input allo stadio di potenza il segnale ad onda rettangolare di duty-cycle desiderato.
Per approfondimenti, date un occhio a questo link


Attenzione !
L'unica controindicazione è che questi drivers nn sono adatti per alimentare circuiti elettronici, ma bensì sono idonei per il solo pilotaggio di carichi induttivi e resistivi.
Per applicarli a circuiti elettronici analogici/digitali è necessaria un'ulteriore sezione di livellamento/smorzamento (condensatori di grossa capacità).

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Concludendo.
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A mio modesto parere, per quanto riguarda il pilotaggio di motori, ventole, lampade e simili, le soluzioni PWM (soprattutto la (2)), sono preferibili sotto ogni punto di vista rispetto le lineari.
Questo perché come si è visto consentono di ottenere le migliori performances con le minori dissipazioni termiche, evitando inoltre le problematiche di startup e di rotazione a basso tenore di giri dei motori.
L'unico motivo che discrimina la soluzione (pwm1) dalla (pwm2) è il range di regolazione del duty-cycle, quindi se il range di (pwm1) è accettabile, preferite tale soluzione alla (pwm2) che risulta senza dubbio lievemente + complessa e costosa do costruire.

Volendo soluzioni molto + semplici, consiglio i sistemi di pilotaggio lineare (4), (5) & (6) che offrono una gamma di vantaggi tale da surclassare lungamente i piccoli svantaggi costruttivi che presentano rispetto (1), (2), (3)
Avendo a disposizione una tensione di entrata di 12V già stabilizzata, la soluzione (4) è preferibile perché permette la regolazione in un range + ampio.

Nel caso invece di tensioni di entrata irregolari e superiori di almeno 1V della tensione attesa in uscita (il caso tipico degli alimentatori home-made formati solo dalla classica tripletta trasformatore+ ponte raddrizzatore + condensatore di smorzamento) sono consigliabili le soluzioni (5) & (6)


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Appendice 1: Componentistica
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Svariati integrati menzionati in questo thread sono presenti anche nel motore di ricerca Octopart, di cui si trovano diversi links qui:
http://www.hwupgrade.it/forum/showthread.php?t=1423487

Un potenziometro, una resistenza e un transistor e ottieni lo stesso risultato del regolatore da te suggerito; giusto per dare un'alternativa forse ulteriormente più economica e più semplice (2 condensatori in meno) all'lm317.

Suggerirei anche di montare un dissipatorino nell'ic (o nel transistor) in quanto se le ventole sono più di una, o da 120, un pelo scaldicchia.

Per completezza indicherei anche che all'uscita del circuito a stato solido -transistor o ic che sia- non avrai mai i 12 v. dell'ingresso ma un valore un pelo inferiore a causa dell'assorbimento del transistor o dell'integrato.

Nel caso delle resistenze (1 e 2 del tuto tutorial) forse è meglio che indichi anche di comperarle da 2 o 4 watt di dissipazione perchè se qualcuno le và a comperare senza specificarlo gilele danno da 1/4 di watt e si bruciano dopo 3 minuti, e suggerire anche un potenziometro a filo da 100 ohm 5 watt come regolatore di velocità analogo all'uso della resistenza (velocità fissa).

Ottima alternativa, ho dimenticato di inserirla :D
Tanto per essere sicuri aggiungerei anche un diodo di protezione dai picchi inversi; anche un banale 1N4001 può andare benissimo.

Giusta osservazione. Non l'ho menzionata perché in verità lo faccio sempre per abitudine, a prescindere dall'entità del carico e quindi non mi è manco venuto in mente :p

Verissimo.
Anche se in genere si attesta sulle poche decine di mV è meglio specificarlo.
Per maggiori info, questi sono due utili datasheet
LM317
http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM317.pdf

LM78xx
http://www.fairchildsemi.com/ds/LM%2FLM7812.pdf

Buona anche questa :cool:

...non per essere polemico, ma giusto per condividere la mia (poca) esperienza: nel pilotare una ventola non ci sono picchi inversi, a quanto ne sò, per cui non penso sia di grande utilità.

A meno che internamente al motore (o comunque collegato ad esso) non ci sia già un diodo rettificatore, ci sono SEMPRE picchi inversi proprio perché un motore è costituito di avvolgimento che ruota in un indotto (che può essere sia magnetico che non, nel caso dei motori a doppio avvolgimento).
Nel caso di pilotaggio da semplice transistor (sempre che si tratti di un darlington o similare) un diodo rettificatore può non essere strettamanente necessario perché già incluso nella circuiteria (vedi figure in basso) ma è in ogni caso sempre consigliato.

http://www.learn-c.com/experiment5.htm

Un buon link è anche questo
http://www.elecuter.co.uk/electronics/control/const.php

E' ovvio che tutto deve essere commisurato alle potenze in gioco, ma perché a fronte di una spesa di 0.05 euro in + non si dovrebbero fare le cose bene e senza correre rischi ;) ?
Cmq oscilloscopio docet :D

Mi inserisco in questo thread... Sto realizzando un fanbus da 4 canali indipendenti con lm317... Il problema è che con lo schema proposto qui, che è lo stesso che sto usando io, si regola da 1,25 a 10,75 volt più o meno... Il fatto è che sotto i 3-4 volt molte ventole si fermano, quindi sarebbe utile regolare solo da 4-5 volt fino al massimo. Per fare ciò basterebbe mettere una resistenza in serie al potenziometro e ricalcolare il tutto...

Facendo un po' di conti, mettendo una R1 da 750 ohm, il potenziometro da 5k e in serie ad esso una resistenza da 3k, si ottiene una regolazione ottimale tra 12.9 e 5 V (ovviamente alimentando a 12volt al massimo andremo a 10,75 volt, ma questo dipende dal dropout dell'integrato).

Pur essendo questo un 3ad su "downvolting" in generale, forse stiamo andando un po ot ma porto la mia piccola esperienza per quanto riguarda le ventole: non tutte le ventole sono fatte per poter funzionare a tensioni sotto i 7V (se sono già in movimento e la tensione viene ridotta magari non si fermano, ma se vengono avviate con quella tensione non hanno cmq lo spunto per partire). Anche se difficile da fare, è bene controllare queste caratteristiche in una ventola - tant'è che i costruttori di fanbus si raccomandano di farlo prima di installare i loro prodotti. E chiedo al maghetto dell'elettronica Ninja se si possono installare condensatori di spunto per ovviare a questo problema e se portano svantaggi/problemi (e anche se ci può postare qualche diagramma sul come realizzarli)

Hai fatto molto bene a postare questa variante :D
Inizialmente avevo pensato di inserire alcuni schemi aggiuntivi, ma mi sono accorto poi che la varietà era davvero eccessiva per riportarli nel thread.
Lo schema che ho dato è quindi indicativo, ed i calcoli di pertinenza vanno fatti, come giustamente hai fatto tu, calcolatrice e datasheet alla mano :cool:

Ciao Samoht :D
Beh, direi che hai azzeccato alla perfezione un caso di applicazione reale.
Effettivamente alcune ventole non sono fatte per avviarsi con tensioni iniziali sotto un tot.
In questo caso (ed in generale per le ventole, direi) credo sarebbe opportuno agire sul controllo della tensione, più che sull'utilizzo (con dei condensatori di spunto)
La cosa dovrebbe essere piuttosto semplice, e teoricamente potrebbe bastare una piccola rete R-C che in fase di startup "inietta" un segnale aggiuntivo sul pin ADJ per forzare una maggiore erogazione su Vout.
Il surplus di pilotaggio sarebbe regolato dal condensatore stesso, che collegato in serie tra Vcc e ADJ permetterebbe il passaggio aggiuntivo di corrente solo per pochi secondi.
Il timing esatto lo si può calcolare a tavolino, ma sinceramente per certi ritocchi preferisco fare delle prove a banco ;)

credo infatti che 1,5 - 2 secondi siano sufficenti per far spuntare tutte le ventole, anche quei dinosauri da 12 cm delle CoolerMaster da 750rpm: sono veramente pesantissime, però a 7.5V sembrano partire senza nessun problema - ho fatto delle prove addirittura con 6V partono lo stesso. Cmq le più "rognose" sono quelle da 4cm per i chipset: applicando la tensione fanno 1/16 di giro e si piantano - forse perchè l'indotto è troppo piccolo e non riesce, a basse tensioni, a sviluppare un campo magnetico abbastanza forte da farle spuntare - e di contro, sono le ventole più indicate per i downvolting, poichè funzionano nominalmente a regimi elevati (e si sa, maggiori i giri, maggiore il baccano!)

E' un aspetto che non avevo mai considerato... Però tutte le mie ventole da 8-9-12 cm che ho avuto funzionavano tutte tranquillamente a 5 V, partendo senza problemi. :cool: Magari sono stato fortunato io, non saprei! :D
Infatti io nel mio pc ho sempre tenuto *tutte* le ventole a 5V, poi ho preso un regolatore che regolava da 7 a 12 e il rumore è decisamente aumentato (decisamente rispetto al silenzio quasi totale di prima). Quindi sto appunto per costruirmene uno in stile zalman MFC-1 per intenderci...

Ciao a tutti :)
Ho deciso di aggiornare la guida integrando in essa i consigli dati da altri ragazzi del forum (come ad esempio fabri00)
Il primo post del thread contiene quindi la guida con una nuova soluzione a transistor, la numero (4)
Magari andando avanti aggiungo qualche schema riguardante l'auto-regolazione delle ventole e la spinta di startup (così faccio contento anche Samoht ;)).
Per ora leggete questo aggiornamento e fatemi sapere che ne pensate :)

sembra buona, ma io ho già ordinato potenziometri da 10K, quindi dovrò fare la mia idea... :ciapet:

ciau! :D

Grazie !

Bella lì ;)

Spero mi possiate aiutare, devo alimentare una macchina digitale olympus da un 5v di un alimentatore che ho. Quindi devo ridurre i 5v a 3.3v richiesti dalla macchina. La cosa deve essere perfettamente stabile e duratura, in realtà devo farne 50 pezzi. Mi è stato detto di usare un lm317, sembra semplice ma io sono totalmente profano e non capisco gli schemi che trovo in internet e non ho idea di come calcolare le resistenze.

Se qualcuno fosse così gentile da spiegarmi cosa mi serve e cosa sono i vari simboli che si trovano negli schemi (magari con un link), gliene sarei veramente grato. Se poi aveste un link anche di qualche azienda che potesse realizzarmi i 50pz a costo contenuto, invece che farmeli io su una millefori, sarebbe oro.

Ringrazio e saluto tutti!

Ciao

Sei paurosamente :ot: :p
Cmq ti consiglio di usare un MAX884 della Maxim se non hai richieste di corrente superiori a 200mA.
Qui trovi il datasheet completo

Ciao! Non mi pare di essere ot, si parla di downvolt di ventole, a me serve per un altra cosa ma è sempre downvolt, il topic era qui in modding.... ;)
Comunque , dovrei stare attorno ai 700mA penso..... :)

ma 3 diodi no? :D

Se vuoi usare un lm 317 (immaginando che tu abbia valutato se ce la fà con la corrente) mi sembra che lo schema sia molto chiaro nel post di Ninja qui sopra !