Questa guida approfondisce due argomenti distinti ma entrambi rilevanti nel campo dell'elettronica e della sicurezza: il celebre regolatore di tensione LM317, fondamentale per la realizzazione di alimentatori elettrici, e la Specifica Tecnica CEI C.1317, un documento cruciale per la gestione del rischio elettrico nel settore automotive. Sebbene non direttamente correlati, entrambi i temi offrono spunti importanti sulla gestione dell'energia e la prevenzione dei pericoli in contesti specifici.
Il Regolatore di Tensione LM317: Un Componente Versatile per l'Alimentazione Elettrica
Il regolatore LM317 è riconosciuto come il "current regulator" più famoso al mondo, un componente essenziale per chiunque si occupi di alimentazione elettrica. La serie LM317 dei regolatori a 3 terminali (regolatori di tensione positiva) è in grado di fornire fino a 1,5A su una gamma di tensioni di uscita che va da 1.2V a 37V. Questi dispositivi sono estremamente semplici da utilizzare e richiedono solo due resistenze esterne per impostare la tensione di uscita, offrendo un'eccellente linearità e regolazione di carico, superiori a quelle dei regolatori fissi standard.
Caratteristiche e Funzionamento Base
Questo circuito integrato viene definito regolatore variabile. La sua caratteristica principale è la capacità di fornire una tensione continua variabile in un determinato range o a un valore prefissato. La regolazione della tensione va da 1,25 a 37 Volt e la massima corrente di uscita è di 1,5 Ampere. Per funzionare correttamente, necessita di una corrente minima di 10mA.
Il regolatore LM317 presenta tre pin: Ingresso (IN), Uscita (OUT) e il pin di regolazione (ADJ). Se si osserva l'LM317 frontalmente, il pin centrale è l'uscita. È possibile trovarlo in commercio in diversi formati.
Nel suo principio di funzionamento, sul pin ADJ deve essere portata una tensione di riferimento Vref, generata tramite il partitore resistivo R1 e R2, che determinerà la tensione di uscita Vout. Il valore di R1 indicato dai costruttori del LM317 deve essere di 240 Ω, ma può essere tranquillamente utilizzato un valore di 220 Ω, più facilmente trovabile in commercio. Vref è la tensione presente tra il pin ADJ ed il pin Out ed è sempre circa 1,25 Volt. La tensione di uscita desiderata, Vout, si calcola con la formula: R2 = R1 * ((Vout / Vref) - 1).
Ad esempio, volendo ottenere un'uscita di 12,5 Volt:
- R2 = 220 Ω * ((12,5 / 1,25) -1) = 1980 Ω
Collegando un potenziometro al posto della resistenza R2, è possibile ottenere una tensione di uscita regolabile.
Protezioni Integrate e Considerazioni di Progetto
In aggiunta alle prestazioni più elevate rispetto ai regolatori fissi, la serie LM317 offre protezione contro i sovraccarichi. Incluso nel chip vi è un limitatore di corrente, protezione di sovraccarico termico e la "safe area protection". Quando in uscita c'è un sovraccarico o anche un corto accidentale, l'LM317 va in protezione e limita la sua corrente in uscita a valori molto bassi. Tuttavia, può rimanere in queste condizioni solo se il dissipatore riesce a smaltire il calore e la temperatura dell'integrato non supera il punto di fusione delle giunzioni interne.
Normalmente, i condensatori non sono necessari a meno che il dispositivo non si trovi a più di 15 centimetri dai condensatori di filtro in ingresso; in tal caso, è necessario un condensatore by-pass di ingresso. Il condensatore C1 serve per disaccoppiare le oscillazioni parassite in ingresso a Vin, mentre il condensatore C2 "spiana" ed elimina l'ondulazione residua all'uscita. Il diodo D1 protegge l'LM317 da un'eventuale tensione applicata all'uscita, prevenendo scariche di condensatori carichi verso l'integrato una volta tolta la corrente al circuito.
Va ricordato che l'LM317 ha un certo dropout, quindi la tensione di ingresso Vin deve essere maggiore di almeno 2.5V rispetto a Vout. Per correnti elevate, sopra determinati valori, sarà necessario montare sull'integrato un dissipatore di calore, in quanto l'LM317 non può dissipare da solo più di 1W. Ad esempio, se si desiderano 5V in uscita con 1A di corrente, la potenza dissipata sarà di 5W. La piccola aletta di dissipazione (tab) del 317 è connessa al terminale centrale.
Costruzione di un Alimentatore Stabilizzato Variabile ad Alte Correnti
Vediamo ora come realizzare un alimentatore variabile, semplice e funzionale, in grado di fornire correnti ben al di sopra degli 1,5 Ampere del solo LM317, grazie all'uso di un transistor di potenza.
Conversione AC/DC: Il Cuore dell'Alimentatore
Un alimentatore ha il compito di convertire la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC). In un circuito base di un alimentatore, troviamo vari stadi:
- Trasformatore: Converte una tensione di ingresso AC (es. 220V) in una tensione AC leggermente inferiore, adatta all'applicazione (es. 12V).
- Ponte a diodi: Composto da quattro diodi, rettifica la tensione alternata in tensione pulsante continua.
- Condensatore: Livella l'uscita del segnale del ponte, assorbendo i piccoli salti e rendendo la tensione molto più liscia.
- Stabilizzatore (Regolatore): L'ultimo stadio, come l'LM317, attenua completamente le piccole fluttuazioni di tensione, fornendo un segnale completamente corretto e stabile (es. una tensione costante di 12V).
È così che un alimentatore passa da AC a DC, un processo fondamentale in dispositivi come alimentatori per PC o caricabatterie per telefoni cellulari. Pertanto, in tutti i circuiti in cui è necessario stabilizzare una tensione e correggere piccoli difetti di segnale, è sempre possibile utilizzare un regolatore di tensione come l'LM317.
Il Circuito Regolatore con LM317 e Transistor di Potenza
In questo circuito, è possibile ottenere una tensione d’uscita variabile tra 2 e 30 Volt. Si utilizza un transistor 2N3055 (o MJ2955 come complemento per tensioni negative) per poter avere in uscita correnti molto al di sopra degli 1,5 Ampere dell’LM317. Come si può vedere, il dropout Volt (caduta di tensione) è di 3V; questo significa che se si applica all'ingresso una tensione di 40V, all'uscita si avrà una tensione massima di 37V.
Il trasformatore utilizzato è da 24 Volt c.a., ma può essere dimensionato in base alle proprie esigenze. Per poter avere una tensione di uscita che va da 0V, è necessaria una tensione negativa di -3V, ottenuta con un piccolo trasformatore da 4 o 5 VA con 9Vac sul secondario. Q1 può essere sostituito da qualsiasi PNP di potenza adeguato per il fabbisogno di corrente in uscita.
La prima parte dell’alimentatore (conversione da AC a DC, nel nostro caso da 220VAC a 40VCC) può essere realizzata su millefori, mentre la seconda parte, quella con il circuito del regolatore di tensione variabile LM317 e il transistor di potenza MJ2955, su PCB.
Implementazione e Funzionalità Avanzate
Con il trimmer T2 si può impostare la limitazione di corrente tra un minimo di pochi mA fino a circa 7A massimi. Il PNP di potenza e il 317 possono essere fissati direttamente sull'aletta di raffreddamento senza mica isolante, e l'aletta stessa sarà allo stesso potenziale del morsetto positivo di uscita. Sono state apportate alcune variazioni, come R6 (diventata da 2,2 Ohm invece di 10 Ohm) e l'uso di un LM317K in contenitore TO3 al posto del LM317 normale. R5 è diventata da 0,22 Ohm 5W (anziché 0,1 Ohm) e C1 e C2 sono stati unificati in un unico condensatore da 10000 uF-50VL.
È stata aggiunta una protezione totale che toglie tensione in uscita in caso di corto-circuiti accidentali: quando la tensione sulla R5 raggiunge un valore significativo, il gate dell'SCR riceve corrente sufficiente per innescare ed eccitare il relè che scollega la base del 2955 dall'ingresso del 317K. In questo modo il 2955 non può più condurre e l'uscita va a 0V. Attraverso il deviatore del relè, un led bicolore indica la situazione del momento: verde per "alimentatore OK" e rosso per "alimentatore in protezione".
È stato anche inserito un pulsante a deviatore per poter settare la corrente di limitazione, regolando con la manopola e leggendo sul display il valore della corrente. Per fare questo, in parallelo a P2 sono stati messi due 1N4148 e aggiunto un trimmer Ta, permettendo di tarare per avere una limitazione alla corrente massima di uscita a 3,8A e leggere sul DVM circa la metà del reale valore di limitazione. Ad esempio, se pigiando il pulsante SET si regola P2 per leggere 0.80 sul display, la limitazione avverrà quando il carico assorbirà 1,6A, e sul display si leggerà 1.60 A. Il DVM utilizzato permette di avere l'alimentazione con la massa in comune con quella di ingresso della misura. La misura di corrente avviene sfruttando la caduta di tensione sulla R5 da 0,22 Ohm, che è proporzionale alla corrente, opportunamente adattata con la regolazione del trimmer da 100 Ohm.
Il trasformatore TR1 ha due avvolgimenti di 9V (o 12V) separati: uno è utilizzato per ottenere i -3V e l'altro per ottenere i 9V da utilizzare per il DVM dei volt, avendo masse separate tra alimentazione e ingresso di misura. La tensione di uscita varia da 0 V a 30V e la corrente arriva a 3,8 A per tensioni inferiori ai 20V. In ogni caso, è fondamentale ricordare che anche per correnti minori di 3A, il transistor regolatore serie MJ2955 deve dissipare sempre circa (35V - Vout) x Iout; ad esempio, se si prelevano 9V a 2A, dissiperà 52W, e la temperatura dell'aletta salirà rapidamente.
La Specifica Tecnica CEI C.1317: Sicurezza Elettrica nel Settore Automotive
La Specifica Tecnica C.1317, emessa dal Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI), rappresenta un traguardo importante per la sicurezza operativa del settore automotive. È la prima vera specifica tecnica collegata alla norma CEI 11.27 e alla norma Europea EN 50110, che fornisce informazioni utili e chiare per gestire il rischio elettrico sui veicoli elettrificati. Inizialmente concepita come "Guida", è stata elevata a "specifica tecnica" per conferirle un valore normativo più forte.
Contesto e Rilevanza per i Veicoli Elettrificati
Questo documento è il primo ufficiale del CEI che si riferisce in modo specifico al rischio elettrico nella manutenzione e riparazione di auto ibride ed elettriche. Strettamente correlata alla Norma CEI 11-27 (che sarà aggiornata per recepire le modifiche introdotte dalla norma EN 50110-1 ed. 2024), la CEI C.1317 mette nero su bianco tutte le procedure da seguire nel mondo automotive (Parte 1, attività sui veicoli). Il campo di applicazione per i veicoli elettrificati porta a una prima importante definizione di alta tensione per il settore automotive (High Voltage - HV), diversa dall'alta tensione degli impianti elettrici industriali che può superare i 30.000 V. Per il settore automotive, si intende alta tensione quando la tensione nominale del circuito elettrico è superiore a 60 V in c.c. o inferiore o uguale a 1000 V c.a.
Tra i suoi obiettivi, la Specifica Tecnica C.1317 mira ad aiutare le aziende e i datori di lavoro che operano con veicoli elettrici e ibridi a strutturare la formazione, la professionalità dei propri dipendenti e a definire i criteri per l’organizzazione delle attività lavorative, rispondendo agli obblighi del D. Lgs. 81/08 e s.m.i. in ambito di rischio elettrico.
Tutorial Veicoli Elettrici per fruitori microimprese
Definizione di Alta Tensione e Nuove Figure Professionali
Rispetto alle classiche figure professionali (Responsabile del lavoro, Gestore dell'impianto, Responsabile Impianto, ecc.) presenti nella CEI 11-27, la Specifica Tecnica C.1317 definisce nuove figure con un ruolo attivo o meno:
- RV - Responsabile del veicolo: Persona responsabile dell'accettazione e dell'individuazione della tipologia di lavoro da effettuarsi sul veicolo, con particolare riferimento al rischio elettrico.
- RL - Responsabile del lavoro: Persona designata dal Responsabile del veicolo (RV) per la conduzione operativa del lavoro sul posto, in presenza di rischio elettrico. Deve essere PES (Persona Esperta) ed eventualmente con idoneità ai Lavori sotto tensione (PEI - Persona Idonea).
Per le figure PAV (Persona Avvertita), PES e PEI, i lavori sotto tensione su veicolo elettrico o ibrido includono tutte le attività in cui è necessario o si potrebbe entrare in contatto con le parti attive in tensione, sia con parti del corpo che con attrezzi, equipaggiamenti o dispositivi maneggiati. Un esempio pratico è l'attività svolta dal meccatronico in prossimità o su una parte del circuito (inverter/convertitore) in tensione e con le protezioni o i tappi di ispezione rimossi.
Procedure e Dispositivi di Sicurezza per i Lavori con Rischio Elettrico
Chiaramente, i lavori sotto tensione richiedono una specifica formazione, che si basa proprio sulla Specifica Tecnica C.1317, con particolare riferimento all'individuazione dei componenti HV, al sezionamento (messa fuori tensione), alle procedure di sicurezza e diagnostiche. La specifica chiarisce che vanno rispettate anche le disposizioni del Costruttore del veicolo riguardo a procedure, rischi e quindi ai dispositivi necessari a prevenire pericoli. Ad esempio, se è presente il rischio elettrico e anche meccanico, si dovranno utilizzare guanti isolanti (Norma CEI EN 60903 e futura EN 63232) di classe 00 sino a 750 V C.C. con protezione meccanica inclusa, oppure sovra guanti con protezione meccanica, indossati al di sopra dei guanti isolanti.
La Specifica Tecnica sottolinea che nessun lavoro con rischio elettrico su veicoli elettrici o ibridi deve essere eseguito da persone prive di adeguata formazione. In un'officina dove operano diversi meccatronici con e senza specializzazioni (su veicoli elettrificati e non), la delimitazione della postazione di lavoro e le distanze di sicurezza sono fondamentali per circoscrivere le zone di pericolo:
- DL (zona di lavoro sotto tensione): Lo spazio intorno alle parti attive dove non è assicurato il livello di isolamento atto a prevenire il pericolo elettrico. Per tensioni sino a 1 000 V c.a. e 1 500 V c.c.
- DV (zona di lavoro in prossimità): Lo spazio esterno alla zona di lavoro sotto tensione.
- DA9 (zona di lavoro non elettrico): Lo spazio esterno alla zona di prossimità.
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