Ottenere un’alimentazione duale da una singola coi rail splitter

Molti circuiti dell’elettronica analogica richiedono una doppia alimentazione per funzionare correttamente. Tuttavia, per ragioni di praticità o convenienza, può essere necessario alimentare un circuito con un’alimentazione singola, fornita ad esempio da una batteria o da un alimentatore esterno. In quest’articolo si illustreranno alcuni circuiti detti rail splitter, capaci cioé di “dividere” l’alimentazione singola ottenendo un’alimentazione duale con una massa fittizia.

1. Partitore resistivo

In un’alimentazione duale, le due tensioni V+ e V sono simmetriche rispetto ad un potenziale di riferimento (detto comune, GND), a cui si assegna il valore di 0 V; tuttavia, questa si tratta di una tensione come ogni altra. Pertanto, se si impiega un partitore per suddividere a metà la tensione dell’alimentazione singola Vi, e si impiega la tensione \(V_i/2\) come potenziale di riferimento, si ottiene un’alimentazione duale.

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Fig. 1 – Alimentazione duale ottenuta con un partitore

Valori comuni per R si aggirano intorno al kiloohm, mentre C può essere all’ordine delle centinaia di microfarad. In questo modo, Vo+ e Vo sono uguali, in modulo, a metà della tensione d’ingresso Vi. Ad esempio, impiegando una batteria da 9 V, si ottiene una tensione duale di ±4,5 V.

Il limite più grande di questo circuito consiste nella corrente che può essere erogata o assorbita dal morsetto comune (GND). Se, ad esempio, dal morsetto Vo+ esce una corrente maggiore rispetto a quella che entra sul morsetto Vo, la differenza tra queste due correnti deve inevitabilmente essere assorbita dal morsetto comune. Disegnando il circuito equivalente a quello di fig. 1, è evidente che il morsetto di massa offre una certa resistenza Req, che è data dal parallelo \(R||R=R/2\), ed una capacità Ceq, anch’essa data dal parallelo \(C||C=2C\).

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Fig. 2 – Circuito equivalente del partitore

Pertanto, qualsiasi sbilanciamento tra le correnti Io+ e Io determina il passaggio di una corrente attraverso la rete Req||Ceq, generando ai suoi capi una certa tensione. Quest’ultima, sposta il potenziale del morsetto comune dal valore ideale di \(V_i/2\), sbilanciando quindi la simmetria delle due tensioni d’uscita.

Se Ceq è scelto abbastanza grande da offrire una reattanza trascurabile in regime dinamico, lo sbilanciamento del potenziale del morsetto comune dipende essenzialmente dallo sbilanciamento in regime statico delle correnti richieste tra i due rami. Dal momento che, in continua, la corrente che circola attraverso Req vale \(I_o^+-I_o^-\), si può ricavare la tensione ai suoi capi applicando la legge di Ohm: \[V_{R_{eq}}=\frac{R}{2}(I_o^+-I_o^-)\]

Questo è un aspetto che va preso in considerazione durante la progettazione di un rail splitter passivo. Ad esempio, se R = 1 kΩ e se la corrente di sbilanciamento \((I_o^+-I_o^-)\) vale +1 mA, si avrà una tensione di sbilanciamento del morsetto comune di +0,5 V. Pertanto, se si alimentava il circuito con una batteria da 9 V, si avrà che Vo+ = 4 V e Vo = 5 V.

A questo proposito, in molte applicazioni può essere sufficiente modificare il rapporto tra le due resistenze R per mantenere la simmetria dell’alimentazione a fronte di una corrente di sbilanciamento.

2. Partitore resistivo con inseguitore di tensione

La capacità di assorbire o fornire corrente dal morsetto comune più essere notevolmente migliorata se si impiega un inseguitore di tensione (buffer) realizzato attraverso un amplificatore operazionale o un buffer integrato.

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Fig. 3 – Alimentazione duale ottenuta con un inseguitore di tensione

In questo modo, la tensione fornita dal partitore viene riportata all’uscita dell’amplificatore che, per effetto della sua bassa impedenza d’uscita e della reazione negativa, può fornire o assorbire correnti consistenti senza sbilanciare le due tensioni d’uscita. La massima corrente d’uscita di ciascun modello è indicata sulla documentazione fornita dai produttori. A titolo d’esempio, si riportano alcuni esempi.

Modello Massima corrente d’uscita
µA741 ±25 mA
LME49710 ±40 mA
OPA132 ±40 mA
BUF634 (buffer) ±250 mA
LM675 ±3 A
LM12 ±10 A
OPA501 ±10 A

Tab. 1 – Amplificatori operazionali e buffer integrati e loro correnti d’uscita

Essendo impiegato come inseguitore di tensione, è importante che l’amplificatore operazionale sia stabile ad amplificazione unitaria. Inoltre, bisogna assicurarsi che le capacità distribuite sulle linee d’alimentazione non superino la massima capacità (generalmente non superiore al microfarad) che il modello impiegato può accettare alla sua uscita. In pratica, per assicurare il corretto funzionamento dell’inseguitore di tensione, tra i morsetti d’uscita non dovrebbero essere connesse capacità superiori a quelle strettamente necessarie.

Data la frequente necessità di ottenere un’alimentazione duale da una singola, alcuni produttori hanno reso disponibili in forma integrata i circuiti di fig. 3; un esempio è il modello TLE2426 di Texas Instruments, che in un piccolo contenitore a 3 terminali, contiene due resistori da 220 kΩ ed un inseguitore di tensione in grado di fornire ±80 mA.

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Fig. 4 – Il TLE2426 permette di ottenere un’alimentazione duale senza ulteriori componenti esterni

Nella realizzazione pratica dei circuiti descritti in questo paragrafo, è sempre necessario collegare un condensatore ceramico da circa 100 nF tra i morsetti d’alimentazione del circuito integrato affinché si eviti la comparsa di autoscillazioni.

3. Partitore con inseguitore di tensione a transistori

Un metodo conveniente per poter disporre di elevate correnti fornite o assorbite dal morsetto comune è quello di impiegare una coppia di transistori complementari, in modo da ottenere un inseguitore di tensione discreto.

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Fig. 5 – Alimentazione duale ottenuta da due BJT in classe AB

I due diodi in serie al partitore mantengono in leggera conduzione i due transistori, superando la soglia dovuta a VBE ≈ 0,7 V. I resistori d’emettitore RE, che sono in genere all’ordine di alcuni ohm, stabilizzano termicamente i due transistori. La corrente prelevata o immessa nel partitore è ora \(\beta\simeq h_{FE}\) volte inferiore rispetto a quella richiesta o fornita al morsetto comune, pertanto lo sbilanciamento risulta considerevolmente ridotto. Infatti, assumendo in prima approssimazione diodi e transistori ideali, lo sbilanciamento della tensione sul morsetto comune è dato dallo sbilanciamento della tensione sul partitore più la caduta di tensione sulla resistenza d’emettitore: \[\Delta V=\frac{R}{2}\frac{(I_o^+-I_o^-)}{\beta }+R_E(I_o^+-I_o^-)=\left (\frac{R}{2\beta}+R_E  \right )(I_o^+-I_o^-)\]

Ad esempio, se si impiegano transistori con βhFE = 400, è necessaria una corrente sul morsetto comune di circa +200 mA per ottenere uno sbilanciamento del potenziale del riferimento di +0,5 V.

Malgrado le configurazioni integrate illustrate nel paragrafo 2 siano in grado di fornire un potenziale di riferimento particolarmente stabile anche a fronte di consistenti correnti di sbilanciamento, quest’ultima configurazione discreta può risultare vantaggiosa quando sia necessario collegare capacità elevate ai morsetti d’uscita senza compromettere la stabilità del circuito.


Bibliografia

Franco S., Amplificatori operazionali e circuiti integrati analogici, Hoepli, Milano, 1992

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Autore: bsproj

Amante della musica, appassionato di progettazione elettronica.

22 pensieri riguardo “Ottenere un’alimentazione duale da una singola coi rail splitter”

  1. Interessante, sopratutto la soluzione 3 (rail splitter). Usando questo circuito con 12 V all’ingresso, se non ho capito male, si ottiene poco meno di + – 6V. Io per esempio avrei bisogno di ottenere una tensione di 12V duali partendo da una 12V singola.
    Ho visto l’ultimo esempio di questa pagina
    http://www.eleccircuit.com/the-many-dc-to-dc-converters-using-ic-555/
    Ho due domande:
    Il circuito col NE555 può essere usato per alimentare un preamplificatore audio o quest’ultimo risulterebbe rumoroso data la frequenza di soli 100Hz prodotta dall’integrato (nell’esempio specifico)?
    Potrebbe soffrire dello sbilanciamento di potenziale simile al circuito “partitore resistivo”?
    Grazie

    1. Salve Gabriele,
      i convertitori DC/DC possono essere ragionevolmente silenziosi se progettati correttamente. Il circuito illustrato basato sul 555 non è sicuramente l’approccio migliore sia per la bassa frequenza di commutazione (che determinerà un ripple in banda audio, di ampiezza proporzionale all’assorbimento del carico), sia per la mancanza di stabilizzazione della tensione d’uscita (che comporterà un certo sbilanciamento). Pertanto, l’uso di quel circuito è limitato solo a carichi che assorbono piccole correnti e che non risentono dello sbilanciamento delle linee di alimentazione.

      Una approccio migliore consiste nell’usare un convertitore a capacità commutate come il LT1054. Questo tipo di circuito impiega degli interruttori a BJT per caricare un condensatore con la tensione di ingresso, e scaricarlo all’uscita con la polarità opposta, ottenendo quindi una tensione negativa. Anche qui la corrente d’uscita è modesta, circa 15 mA, ma può essere sufficiente per diverse applicazioni audio.

      Una corrente maggiore può essere ottenuta ricorrendo ai regolatori switching come, per esempio, l’MC34063 che, se configurato come invertitore di tensione, permette di ottenere tensioni negative fino ad un centinaio di milliampere senza dover ricorrere a driver esterni. Questo circuito prevede l’uso di induttori, per cui potrebbe essere necessario schermare il circuito audio per prevenire disturbi elettromagnetici.

    2. Ok., grazie.
      Questi integrati generano la tensione negativa.
      Per il ramo positivo si usa quello già esistente, o sbaglio?
      Grazie mille.

  2. Serra 21/10/2014
    Avevi ragione, ho cambiato il ternsistyor n che aveva una corrente be molto elevata ed ora vca tutto bene.
    Ho anche inserito un regolatore di bilanciamento tramitre un potenzionetro da 500 ohm tra le due basi e gnd e funziona a dovere anche variando le tensioni grazie.
    Prossima sfida sara’ inserire il tutto in modo permanente nei due alimentatori 0-30 volt 10 ampere.

  3. con 12 volt in ingresso, ottengo + 6,7 e -4,7 ed ho inserito due lampadine da 12volt 21 watt all’uscita.
    Alimentate a 6 volt assorbono circa 1 ampere e staccandole una, si spegne anche l’altra.
    Le resistenze di caduta sull’uscita sono da 100 ohm, altrimenti la differenza tra i due rami aumenta notevolmente.
    Ho anche tolto uno dei due diodi di polarizzazione per diminuire sempre la differenza tra i due rami.
    Per misurare la corrente di sbilanciamento debbo mettere due amperometri in serie alle due resistenze?

    1. Per misurare la corrente di sbilanciamento è sufficiente collegare un amperometro in serie al morsetto GND. Chiaramente, se ad entrambi i rami è richiesta una corrente identica (in modulo), la corrente di sbilanciamento è nulla.
      Ad ogni modo, il circuito descritto nel commento non può funzionare per i seguenti motivi:
      1) \(R_e\) deve essere molto piccola (≤ 1 Ω);
      2) si devono usare entrambi i diodi per portare in leggera conduzione i due transistori;
      3) [u]se[/u] è richiesta un’elevata corrente di sbilanciamento e si desidera minimizzare lo sbilanciamento delle tensioni, è necessario impiegare transistori con elevata [i]hfe[/i] e/o ridurre il valore delle resistenze [i]R[/i].
      Ad esempio, proverei a modificare il circuito di fig. 5 affinchè \(R_e\) = 0,47 Ω (1 W) e \(R\) = 100 Ω (1 W).
      Se l’hfe dei transistori è abbastanza alta, lo sbilanciamento della tensione d’uscita dovrebbe essere ragionevolmente contenuto.

  4. Serramazzoni modena
    Ho provato a prelevare corrente montando due transistor di recupero che sono 2sd845 e 2sb755 che funzionano bene, ma con alcune lacune che vado ad esporre
    1) le due tensioni sono sbilanciate ed il rapporto varia col variare della tensione in ingresso
    2) con una corrente di 1 ampere il circuito funziona solo se non sbilancio le correnti
    Puoi darmi una mano a risolvere questi due problemi? Grazie

    1. Per poterle rispondere accuratamente, servirebbe conoscere esattamente la corrente di sbilanciamento (cioè quella assorbita o erogata dal terminale GND) e di quanto siano esattamente sbilanciate le due tensioni d’uscita.

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