Regolatore per dinamo a 6 V

PREMESSA
I regolatori elettromeccanici utilizzati nelle moto di annata, come il Falcone della fotografia e più in generale in quelle sino agli anni sessanta, pur funzionando egregiamente (sono il prodotto di decenni di perfezionamenti) subiscono come è ovvio l'effetto dell'usura dei contatti elettrici mobili, cioè dei contatti che aprendosi e chiudendosi continuamente (decine di volte al secondo) per controllare la corrente nel circuito di eccitazione delle dinamo ne regolano la tensione di uscita ad un valore pressoché costante. Mentre i più recenti sono dotati di una serie di viti per la regolazione fine in particolare del valore della tensione di uscita e della tensione alla quale avviene il collegamento tra la dinamo e il resto dell'impianto elettrico (tensione di minima) gli altri, come nel caso del regolatore in fotografia, la regolazione avviene avvicinando o allontanando tra loro per mezzo di pinze i contatti interessati (la regolazione è piuttosto grossolana). Da notare che un valore eccessivo della tensione di uscita può condurre a bruciature dell'avvolgimento del circuito induttore (uno dei costituenti di una dinamo) con costi di riparazione assai elevati (qualche centinaia di euro) affidata per lo più ai pochi artigiani ancora attivi. Analogamente la rottura del regolatore stesso pone seri problemi di sostituzione e di riparazione.
Il dispositivo elettronico appresso descritto con un costo non superiore ad una decina di euro risolve il problema della sostituzione dei vecchi regolatori elettromeccanici in quanto elettricamente compatibile e data l'esiguità del numero dei componenti utilizzati anche inseribile direttamente all'interno dei contenitori originali salvando l'estetica.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Prima di passare alla descrizione del circuito elettrico è utile esaminare anche se in modo sommario e per gli aspetti che ci interessano il funzionamento di una dinamo e del relativo regolatore elettromeccanico.
Una dinamo è una macchina elettrica che trasforma energia di tipo meccanico in energia elettrica sotto forma di corrente continua. E' costituita essenzialmente da due elementi un indotto rotante (A) e un induttore fisso (B). L'indotto è realizzato da un cilindro di materiale magnetico sulla cui periferia sono disposti avvolgimenti di filo di rame. Il sistema induttore (o di eccitazione) è disposto attorno all'indotto e fornisce a mezzo di adatte espansioni polari il campo magnetico necessario al funzionamento. Durante la rotazione del cilindro gli avvolgimenti tagliano le linee di forza del campo magnetico induttore e divengono sedi di f.e.m. (forze elettromotrici) che riportate attraverso il sistema collettore all'esterno forniscono l'energia elettrica. Si tralasciano gli aspetti costruttivi geometrici piuttosto complessi per produrre corrente continua che possono essere approfonditi in un qualsiasi testo di elettrotecnica. La dinamo è una macchina a funzionamento reversibile vale a dire entra in rotazione se gli forniamo corrente continua.
Il campo magnetico entro cui ruota l'indotto è fornito dalla corrente che scorre nelle bobine che realizzano il sistema induttore B e poiché la f.e.m. prodotta dipende oltre che da altri fattori anche da tale campo magnetico si evince che regolando la corrente in B si controlla la tensione di uscita. Questo è il principio sul quale si basa il funzionamento dei regolatori.
Con riferimento allo schema di principio dinamo + regolatore in assenza di rotazione il terminale DF è collegato a massa (GND) tramite i contatti controllati dalla bobina B1 che non ricevendo corrente è in stato di riposo. Anche la bobina B2 mantenendo aperti i contatti di uscita separa il terminale D+ dal terminale 51 collegato al quadro comandi e quindi alla batteria. Il terminale 61 è collegato ad un estremo della lampada spia che ha l'altro lato connesso al polo + della batteria. La lampada è accesa perché la corrente che esce dalla batteria attraversa la lampada e si richiude attraverso D+ e l'indotto verso massa (il valore di tale corrente non è tale da mettere in rotazione la dinamo). All'inizio della rotazione poiché il circuito di eccitazione B alimentato dallo stesso indotto non viene percorso da nessuna corrente non dovrebbe prodursi alcuna tensione in uscita se non esistesse un livello di magnetismo residuo tra le espansioni polari dell'induttore. Ed è questo che innesca il fenomeno rigenerativo di generazione della tensione. La poca corrente generata dalla debole tensione generata nell'indotto A passando in B rinforza il campo magnetico induttore che a sua volta aumenta la tensione e a cascata la corrente in B e così via. Se il fenomeno non fosse controllato la tensione in uscita salirebbe rapidamente al suo valore massimo danneggiando tutti i dispositivi a valle. Invece quando la tensione raggiunge un valore di soglia determinato dalle caratteristiche elettromeccaniche della bobina B1 (il valore di soglia può essere modificato agendo su opportune viti di regolazione che alterano la forza di attrazione dell'armatura associata ai contatti mobili) il terminale DF viene cortocircuitato su D+ e la corrente in B inizia a diminuire riducendo la tensione di uscita e di conseguenza la corrente che mantiene attivata la bobina B1. Allorché la tensione diminuisce al di sotto di un secondo valore di soglia la bobina B1 si apre e il ciclo si ripete. Alla tensione di uscita si sovrappone a causa del meccanismo descritto un'ondulazione di forma pseudo triangolare comunque di ampiezza limitata che si riduce drasticamente in condizioni di funzionamento con la batteria collegata. La bobina B2 (di minima) stabilisce a quale valore di tensione di uscita debba corrispondere il collegamento del polo + della dinamo all'impianto elettrico (anche in questo caso il valore può essere modificato agendo sulle opportune viti di regolazione). E' evidente come la commutazione continua di B1 produca nel tempo l'usura dei contatti che commutano la corrente nell'induttore B causandone a volte dopo tanti anni la rottura. Naturalmente i normali regolatori sono più complessi e incorporano tra l'altro anche la funzione di controllo di sovraccarico della corrente di uscita.

IL REGOLATORE ELETTRONICO
Il circuito che propongo adotta lo stesso principio di funzionamento di quello elettromeccanico. Il relè RL consente, chiudendo il terminale DF a massa, di sfruttare il magnetismo residuo per innescare il processo di generazione della f.e.m. ai capi dell'indotto. Quando la tensione di uscita raggiunge circa 4 V il relè RL si apre (P2 regola il punto di scatto di RL) e il processo di regolazione viene ora condotto dal mosfet T1 e dal circuito che lo controlla. Agendo sul trimmer P1 si regola il valore della tensione di uscita in quanto si sposta il punto di commutazione del comparatore di tensione IC. R1, R2 e D1 controllano lo scorrere della corrente nel circuito di eccitazione della dinamo nei casi in cui T1 è aperto e chiuso riducendo l'ondulazione triangolare che si sovrappone alla tensione di uscita. Il relè di minima è sostituito dal gruppo di diodi D6-D9 che essendo di tipo Shottky presentano un valore di caduta di tensione diretta di circa 0,3 V alla corrente di oltre 4 A, qualità che consente di mantenere bassa la tensione di uscita e quindi la dissipazione di potenza del circuito di eccitazione pur alimentando in modo adeguato la batteria e il resto dell'impianto elettrico. Spesso un'elevata tensione di uscita superiore a 7 ,5 V può bruciare l'avvolgimento del circuito induttore con tutti i problemi che ne derivano. I diodi entrano in conduzione quando la tensione generata supera di 0,3 V quella della batteria, è buona norma regolare la tensione di uscita al valore minimo che consente il funzionamento regolare dell'impianto elettrico al massimo del carico cioè con tutte le luci accese alla velocità normale di andatura (accertarsi che la batteria venga caricata con una corrente non superiore al 10% della capacità oraria). Nel prototipo realizzato per il Falcone la tensione di uscita misurata su 61 è regolata a circa 7,2 V condizione che permette oltre che di accendere la lampada da 25 W anche di caricare la batteria con una corrente di 2 A. Da notare che in assenza di batteria l'impianto elettrico viene immediatamente alimentato non appena la dinamo inizia a generare tensione.
L'ondulazione della tensione di uscita misurata sul punto 61 senza carico è di 4,0 V picco-picco con valore medio di 7,25 V. Con carico di 25 W o con batteria collegata o con entrambi l'ondulazione si riduce a meno di 0,6 V pp.

Schema elettrico (versione per la stampa Schema elettrico.gif)