Sono molto contento di Audiofaidate: mi sorprende sempre. Periodicamente, riceviamo donazioni a supporto del forum senza che vi sia da anni alcun sollecito. Significa che il contenuto accumulato e mantenuto a disposizione dal forum (con crescenti spese, data la mole di dati accumulata) è veramente apprezzato. Inoltre audiofaidate per me è sempre fonte di spunti, anche quando pensavo di aver visto passare di tutto e di piu' su queste pagine.
Per esempio, Trini con la seguente discussione:
viewtopic.php?f=1&t=12653&hilit=LM317
mi ha sollecitato a riguardare questo bistrattato, venerando componete LM317 e, complice il lockdown, sperimentare alcune sue applicazioni a prima vista assurde. Considerato che si tratta di assemblare una manciata di componenti dal costo irrisorio e richiedono alimentazioni a 12 o al massimo 24V, ampiamente sicure e disponibili (1), mi sono detto: perché no?
Scrivo ora la presente perché credo che quello speso finora attorno alle variazioni circuitali non-canoniche dell'LM317 sia stato un tempo (o meglio una collezione di ritagli di tempo) ben speso, che potrebbe divertire e istruire altri. Divertire istruendo o istruire divertendo credo sia d'altra parte il DNA di audiofaidate, attitudine sempre attuale specie in tempi di Didattica A Distanza.
Concluso il cappellotto, veniamo a noi. Presentero' tempo e voglia permettendo una serie di applicazione dell'LM317 di sofisticazione e livello crescente, per ciascuna delle quali forniro' i dati misurati e poche considerazioni soggettive.
Per diverse ragioni, il campo applicativo migliore per i circuiti che verranno presentati è quello dei preamplificatori o amplificatori di bassa potenza. Perfetto esempio un amplificatore cuffia, applicazione per la quale il nostro chippettino ha qualcosa di dire. Qualcosa da dire significa non il miglior discorso possibile, neppure l'unica voce, ma piuttosto un invito all'ascolto anche voci particolari, fuori dal coro e sussurranti.
Cominciamo con un buffer.
Se guardiamo come è fatto internamente LM317, noteremo che ha tutto quanto ci serve per fare un amplificatore:
nello stesso contenitore abbiamo infatti:
- un operazionale
un riferimento di tensione (che tornerà utile)
Uno stadio di potenza NPN
Una protezione termica e da sovracorrente
Tre semplici pin, cosa che aiuta a costruire prototipi veloci da costruire e facili da capire alla prima occhiata ("Zen-stile")
La cosa interessante dell' LM317 è che si trovano già fatti disponibili in pochi giorni su molti siti di commercio elettronico dei circuiti completi, che costano meno degli stessi componenti e ci permettono di realizzare un prototipo professionale a minimo sforzo. Per esempio io ho preso questi:
a partire da questi modulini si potranno a scelta dissaldare i componenti e rimontarli in una millefori o tagliare le piste e riconnetterle, secondo lo schema voluto, mantenendo l'aspetto originale.
Comunque, il vantaggio dell'LM317 è che resta facile da trovare anche nei superstiti negozietti di elettronica, cosa che non si puo' dire dei chip equivalenti piu' recenti.
Il fatto che si usi un regolatore di tensione come amplificatore potrebbe apparire a prima vista impossibile. Per comprendere come possa un regolatore di tensione, cioè un aggeggio fatto per mantenere costante la tensione di uscita, amplificare un segnale audio, vale a dire fare muovere proprio quella tensione di uscita seguendo un segnale variabile di ingresso, dobbiamo partire dalla applicazione canonica e comprenderla in dettaglio. Vediamo l'applicazione LM317 come stabilizzatore di tensione, da datasheet (2):
Ho riportato già alcuni valori utili direttamente sullo schema applicativo. Partiamo da R1: connessa in quella maniera, se si ricorda lo schema a blocchi, vede ai sui capi una tensione Vref (pari a 1,25V), che l'integrato tramite l'amplificatore operazionale interno manterrà costante a costo di suicidarsi (se non ci fossero le protezioni indiate nel riquadro rettangolare). Sulla Resistenza R1 circolerà quindi una corrente Vref/R1, che si infilerà tutta in R2.
Su R2 in realtà scorre anche la corrente di bias dell' LM317 imposta dal generatore di corrente che alimenta il riferimento di tensione interno, Iadj (typ, 50uA, max100uA).
La tensione di uscità sarà quindi pari a
Vout = R2*(Iadj+Vref/R1) + Vref = Vref *(1+R2/R1) + Iadj*R2
che è la formula riportata in datasheet.
Per quanto riguarda gli altri componenti e valori riportati sullo schema applicativo canonico, c'è solo da notare che C1 (un buon ceramico da 100nF messo vicino all'integrato) serve ad evitare possibili oscillazioni quando ci siano di mezzo cavi lunghi tra sorgente di potenza di ingresso e il regolatore, mentre i 5mA indicati sono il carico minimo che serve a LM317 per operare. Infatti la particolarità di questo integrato è di essere "sospeso" rispetto a massa e utilizzare di conseguenza la stessa corrente di carico per polarizzare i sui stadi interni. Per questa ragione, della corrente minima, in molti schemi si vede R1=240 Ohm, perchè assicura una corrente superiore a 5mA (1,25V/240Ohm = 5,2mA).
Se si usa una R1 maggiore senza altri carichi che assorbono corrente LM317 funzionerà sempre ma con una tensione superiore al previsto e non garantirà le specifiche (specie in funzione di Temperatura e Vin-Vo).
Ricapitolando: R1 puo' aver un valore piu' alto di 240Ohm, basta che il carico assorba almeno 5mA e mettiamo sempre un 100nF all'ingresso.
Bene, ora abbiamo un regolatore che fornisce in uscita una tensione fissa, diciamo poco meno di 12V se uso R1=560 Ohm e R2=4700 Ohm. Come si farà quindi a far variare la tensione di Vout ? Se Vref resta costante, si dovrà cambiare per forza la caduta di tensione su R2 e questo si puo' fare i due modi:
1. sommando una tensione a R2 o al nodo del pin ADJ
2. modulando la corrente che attraversa R2
il metodo 1 è utilizzato per esempio quando si vuole modificare la tensione fornita da un regolatore fisso (parente di LM317), cosa che i valvolisti conoscono bene per alimentazione filamento a 6,3V con un TL7805 con due diodi in serie.
Analogamente quindi, se vado a sommare un segnale di tensione alla caduta su R2, mi trovo a muovere il pin Adj nella stessa misura. Dal momento che il pin Adj è all'ingresso dell'operazionale la sua tensione viene replicata e amplificata in corrente all'uscita.
Se quindi collego un condensatore al pin Adj e inietto un segnale, ottengo un buffer (amplificatore a guadagno unitario di tensione, detto anche non a caso inseguitore di tensione) semplicissimo.
Unica aggiunta rispetto al caso datasheet, oltre agli ovvi condensatiori di ingresso e di uscita, è R3 che fa da carico in continua e assolve due funzioni importanti:
- 1. assicura il carico minimo al regolatore, senza dover abbassare troppo R2, che costituisce anche la resistenza di ingresso del nostro amplificatore risultante
2. permette di regolare il bias in classe A per adattarlo al carico (carico "Zavorra"). Se devo alimentare un carico da 600ohm, non serve far tirare troppa corrente, perchè sarebbe sprecata una volta garantita la max I = Vmax/Rload. Quindi usero' nei test seguenti R3=1,8kOhm. Ma se voglio pilotare ad esempio 32ohm sarà meglio metterci un 100Ohm.
Una misura velocissima intanto ci dice che posso applicare in ingresso fino a 20Vpp per ottenere piu' di 6 volt in uscita.
La banda passante è superiore ai limiti del'analizzatore (a 600ohm di carico è superiore a 270kHz):
La distorsione :
E qui si vede bene l'effetto del carico Zavorra da 100Ohmn nel caso di carico in ac da 32 Ohm (cuffia, per esempio):
Senza: Con: --continua-
(1) Ad esempio io ho due batterie da 12V da moto che mi ha regalato un elettrauto. Durano un'oretta o poco piu' ma tanto basta per qualche esperimento e soddisfacente ascolto.
(2) Il migliore datasheet è quello della National, ora ON:
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/LM317-D.PDF
