BOOSTER V
riferimenti
|
genere |
DATA |
generalità |
Note |
distribuzione |
|
RADIO |
DIC08 |
GENERATORE VOLT ANODICA |
|
AGZ, 5006 |
GENERALITA’
Mi serve una alimentazione da circa 150 Volt regolati per un generatore UNAOHM EP57 comprato in fiera a Faenza per pochi spiccioli. L’alimentatore interno era una ciofeca da nuovo (è una mia opinione) e ora è pure rotto. All’interno c’è poco spazio e i trasformatori ingombrano e costano. In più in stazione uso il 12V cc per tanti apparati, perché non usarlo anche per la strumentazione? Ci provo: genero l’anodica dal 12 Vcc. Questa nota descrive la realizzazione di un elevatore di tensione da 12Vcc a 150Vcc, regolati, con circuito BOOST. Sarà un successo? Vediamo…. Questa è proprio una nota di laboratorio. Rivolta a quegli OM che ancora non si sono arresi al consumismo e cercano di farsi le cose da sé.
DESCRIZIONE
Per elevare la tensione ho impiegato un circuito “booster”, impiegante come switch un MOSFET di potenza tipo IRF630, pilotato da un timer universale 555, in configurazione astabile, con valori calcolati per un duty cycle adatto al massimo carico con la minima tensione in ingresso. Questo circuito non isola galvanicamente il carico dalla sorgente di energia.
Per ottenere la tensione richiesta in uscita sarebbe stato necessario un duty cycle molto elevato, con conseguenti forti correnti nei componenti, per cui al fine di rimanere con un duty cycle accettabile (<85%) il circuito booster è seguito da un duplicatore di tensione. Quindi il progetto del generatore vero e proprio è stato fatto per 75 Volt e corrente doppia rispetto alla corrente al carico. (IL 50mA – I75 100mA)
Per mantenere regolata la tensione in uscita ho impiegato un operazionale LM358 come comparatore tra la tensione di uscita attenuata e uno zener da 4.7Vnominali (4.25). l’uscita del comparatore pilota il pin RESET (4) dell’oscillatore 555, che smette di pilotare il MOSFET se l’uscita è più elevata del voluto. In questo modo il modo di funzionamento del generatore diventa DCM (discontinuous current mode).
BOOSTER
Il circuito booster (tradotto elevatore o survoltore) sfrutta le caratteristiche di una induttanza di opporsi alle variazioni di corrente. Collegata da uno switch tra il 12 Volt e massa viene attraversata da una corrente, che inizialmente è zero e aumenta col tempo. Quando lo switch si apre, la corrente che non può più fluire verso massa trova una via verso il diodo di uscita e va a caricare il condensatore. Se il condensatore ha un potenziale che aumenta mentre viene caricato la tensione in più richiesta per caricarlo ulteriormente proviene dalla stessa induttanza (per la legge di Lenz, credo) che conserva l’energia accumulata. Il processo si ripete ciclicamente cosicché dal condensatore di uscita può essere prelevata energia a potenziale elevato, per una potenza pari a quella consumata dalla sorgente e detratto il rendimento. Nel caso in questione le prove hanno dato per 7.5 W in uscita un consumo di 11 Watt dal 12 Volt, che significa un rendimento del 68%. I Watt che non sono sul carico sono tra MOSFET e L1, quindi dissipatore necessario.
Il fenomeno è osservabile anche con le nostre mani tenendo tra le dita i fili di un trasformatore mentre lo si misura con il tester : scossetta!
Più tempo impieghiamo nel caricare la induttanza di energia, più elevata sarà la tensione raggiungibile.
Nel caso del booster un oscillatore a frequenza elevata governa
lo switch. In base al rapporto tra tempo ON e OFF dello switch si ottiene una diversa elevazione della
tensione. Per esempio se il rapporto è del 50% la tensione ottenibile è circa 2
volte quella di alimentazione. La
formula esatta è 
.
Dalla formula precedente si capisce che la tensione in uscita può essere solo maggiore di quella in ingresso, e che almeno in teoria potrebbe arrivare ad infinito.
Una descrizione chiara anche dal punto di vista matematico di questo circuito la si trova sul sito web di Wikipedia : http://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter .
Il duplicatore è fatto sommando gli impulsi presenti sul DRAIN del MOSFET all’uscita del primo diodo, come da schema seguente. Al conto totale si aggiungono 2 diodi e un condensatore.
COMPONENTI
Qualsiasi tipo di circuito si voglia sviluppare essi devono essere presenti con buona possibilità di scelta.
Poiché anche le piccole variazioni che avvengono durante le prove causano l’uso di valori o tipi di componenti diversi dall’iniziale, l’acquisto degli stessi può diventare proibitivo e frustrante.
Ecco perché il progetto cresce sui numerosi componenti disponibili, presenti nello schak, che sono stati magari già acquistati a prezzo conveniente, o recuperati con pazienza. I componenti critici, in questo caso l’induttanza del booster, propongono un tipo di calcolo che modifica ed adatta tutti gli altri parametri possibili fino ad incontrare il componente presente.
Altri componenti poi come i semiconduttori devono essere facilmente recuperabili o acquistati a prezzo equo dai mercanti. In questa realizzazione i semiconduttori sono facilmente reperibili nei negozi di ricambi, o uguali o equivalenti. I diodi sono di tipo veloce per alimentatori switching.
Certamente in questo modo la tecnologia non può essere considerata all’avanguardia, però si rimane con la buona abitudine di fare, pronti a migliorare se ce ne sarà l’occasione.
CIRCUITO
Il circuito elettrico è raffigurato nella prossima figura. L’alimentazione a 12 Volt, filtrata da un condensatore da 1000 uF va alla bobina L1 e al regolatore da 8V. quest’ultimo consuma con tutto il carico 18 mA. La scelta di 8V di opportunità: la basetta di prova lo ha pronto. Con i valori dati, usando un regolatore da 5V non funziona: richiederebbe di variare la tensione del diodo zener e il partitore di tensione dell’uscita.
I valori dei componenti del timer 555 sono i seguenti : R1=8200 – R2=2200 – C1=4700pF.
La frequenza di oscillazione prevista era di 24 KiloHertz, mentre in realtà è di 23300 Hertz. Il duty cycle è invece di circa 80%. Cioè in ogni ciclo il MOSFET si accende, caricando L1, per l’80% del tempo e il rimanente è spento.
L1 è un induttanza di recupero da un display CRT fuori servizio. Tra quelle disponibili era la più vicina ai calcoli, e con excel ho fatto tornare i valori di frequenza e duty cycle in modo da adattarsi ad essa. Il valore è di 1500 microHenry.
I condensatori di filtro e del duplicatore potevano essere anche più piccoli di valore, ma dallo smontaggio di alcuni CRT sono venuti fuori questi da 100 uF e 200Volt, adatti per alimentatori switching, quindi con buon ESR.
Il comparatore è banale, è un doppio operazionale LM358 che viene usato solo per metà. È seguito da un transistor generico, che serve. Senza di lui, direttamente dall’ OP-AMP al pin 4 del 555 non funziona.
TARATURA
In una prima fase il generatore viene utilizzato in modo CCM (continuous current mode) distaccando il feedback dal 555. Con una resistenza di valore adatto (3000 ohm – 7.5 Watt) si verifica che il “motore” dia la potenza necessaria, circa 150 volt @ 50 mA . Ovvero senza carico la tensione sale molto sopra 150, ma col carico corretto essa sta a circa 150. Se fosse meno c’è qualcosa da rivedere.
Poi ristabilito il collegamento del feedback va regolato il trimmer per la tensione voluta e verificato che essa non vari tra carico presente o no, oltre il dato di progetto, nel caso in questione max 0.5 Volt,. La tensione in uscita può essere regolata tra 120 e 160 Volt.
VARIAZIONI
Una volta impadroniti delle formulette per calcolare i componenti ci si può sbizzarrire nel variare tensioni, correnti etc. Poi meglio provare su circuito di prova come in figura.
E attenzione, a me è capitato di muovere goffamente il tutto, il positivo HT ha toccato la zona del 555 e isso è decollato in orbita.. hi.
Assieme a questo file allego un semplice foglio EXCEL che riporta le formule necessarie.
Nel foglio elettronico i campi in sottofondo giallino sono quelli in cui inserire i valori. Per esempio iniziare da Vin e Vout e relativa corrente. Poi in base alla induttanza che si ha a disposizione inerire un valore di frequenza via via diverso fino a trovare il valore calcolato di L1 che sia vicino alla induttanza che possediamo.
Se il valore calcolato di duty cycle non supera il 90% riportare i dati sul secondo foglio per determinare, anche qui per tentativi, i valori di R e di C per il 555.
Il duplicatore non è necessario se la tensione in uscita sta entro 5 o 6 volte la Vin. Se è maggiore si vede che il duty cycle richiesto diventa superiore al 90% e questo significa correnti molto forti in induttore, MOSFET e diodi e condensatori, anche per piccole potenze in gioco. Quindi a meno di usare componenti dalle caratteristiche più che ottime si rischia l’arrosto. Allora meglio il duplicatore.
Il foglio elettronico è protetto per evitare di cancellare le formule inserendo male i dati, ma non ha password, per cui chiunque lo può aprire e modificare.
CONCLUSIONI
La sfida di costruire il survoltore è riuscita. Ma un po’ di perplessità rimane sul rumore elettrico che esso genera. Quando è in regolazione e con poco carico le forme d’onda sono bruttissime dal punto di vista della pulitezza a radio frequenza. Una costruzione accurata con collegamenti corti e un filtraggio aggiuntivo rispetto allo schema elettrico qui presentato è secondo me necessaria.
Ho valutato anche soluzioni più eleganti come reperire degli ottimi integrati dedicati allo switching, (la National per esempio produce un ottima serie di modelli, in qualche caso inviano pure campioni gratuiti) ma per quanto riguarda la radio frequenza il risultato, presumo, sarebbe il medesimo.
Probabilmente, e sarà una prossima sfida, il risultato migliore si avrebbe con un generatore che varia il duty cycle a seconda del carico, rimanendo sempre in modo continuo. Oppure un inverter con segnale sinusoidale, a basso rendimento ma pulito e facilmente filtrabile. Vedremo.
Buon divertimento,
Alessandro Frezzotti