Hobby Elettronica :

COSTRUIAMOCI UN:

Ecco dunque le caratteristiche principali: :-))

Tensione in uscita = 4/30V (con una tesnsione in ingresso di max 35V)

Corrente Max = 5A (da non superare ,ma può essere facilmente elevato)

Variazione tensione sotto carico = (-1V circa con Vout=25V ,e Iout= 5A)

Tecnica di regolazione utilizzata = Modulazione di impulso o Duty C.

Difficolta di realizzazione = Medio basse.

Principio di Funzionamento

Intanto credo sia essenziale prima di presentare il progetto vero e proprio ,fare una dovuta parentesi spiegando come possa essere possibile regolare la potenza da erogare su un utilizzatore elettrico, non variando come al solito fare, una resistenza in serie che lo collega alla fonte di alimentazione ,bensì utilizzando un diverso principio tanto efficace quanto semplice, conosciuto nel gergo tecnico come modulazione di impulso o tecnica switching .

Il principio utilizzato nel mio progetto , è lo stesso di un'interruttore che seziona la fonte di alimentazione ,anche se però cio avviene non definitivamente nel tempo ,ma ci saranno diverse aperture e chiusure del circuito per un determinato numero di volte al secondo ,consentendo il passaggio della corrente elettrica ,solo per i brevi istanti in cui questo risulta chiuso.

A questo punto credo sia lecito chiedersi cosa accade in questa situazione caratterizzata dal passaggio "pulsante" della corrente e quindi ,quali effetti pratici potranno mai verificarsi sull'utilizzatore elettrico , alimentato in questo modo apparentemente "anomalo".

Come carico da alimentare con il nostro sistema ad interruttore ,potremo ad esempio considererare una semplice lampada ad incandescenza ,o la semplice resistenza di una stufa elettrica , rilevando il fatto che diminuendo il tempo in cui l'interruttore rimane chiuso ,ci sarà conseguentemente un apprezzabile calo di illuminazione sulla lampada o una minore dissipazione di calore sulla stufa.

Però abbiamo detto che la lampada e la stufa hanno diminuito la loro resa, perche in effetti l'energia per loro disponibile, è stata "FRAZIONATA" nel TEMPO dal nostro ipotetico interruttore che si chiude e si apre un certo numero di volte al secondo.

PRATICAMENTE questa metodologia consente di parzializzare la potenza erogata su di un determinato utilizzatore elettrico semplicemente diminuendo e aumentando l'intervallo di tempo in cui gli viene fornita alimentazione rispetto l'intervallo di tempo in cui gli viene tolta , il tutto naturalmente computato nel periodo di riferimento di un secondo.

Ovvero posso decidere che considerato un secondo come tempo di riferimento ,il mio interruttore risulterà chiuso per 0,5 secondi e invece aperto per altrettanti 0,5 secondi, ottenendo in pratica un dimezzamento della potenza erogata verso l'utilizzatore.

Naturalmente nessuno vieta di effettuare tempi di chiusura e di apertura diversi da 0,5 secondi e quindi maggiori o inferiori esempio 0,99Sec di chiusura e 0,01sec di apertura dell'interruttore (situazione di massima potenza erogata) ,ottenendo pertanto diversi rapporti di parzializzazione della potenza dissipata sull'utilizzatore

A questo punto ci potremo chiedere quale sarà il rendimento di questo sistema di regolazione ,in modo particolare se paragonato con quello tradizionale ,basato sulla tradizionale resistenza di caduta in serie al carico da alimentare. Sara senz'altro molto più alto , in quanto mentre nel metodo tradizionale ,la caduta di tensione che si manifesta ai capi della resistenza stessa ,provoca una dissipazione di di CALORE e pertanto un'inutile dissipazione di ENERGIA ,che penalizzerà irrimediabilmente il rendimento del sistema.

Nella modalità switching invece , noteremo che non essendovi alcuna resistenza in serie al carico ,ma semplicemente un dispositivo che apre e chiude il circuito per un certo numero di volte al secondo, NON VI SARA' pertanto nessuna perdita di potenza ,ALMENO IN TEORIA ,infatti anche il più perfetto degli interruttori presenta una certa resistenza elettrica nei suoi contatti.

Possiamo rappresentare quanto finora esposto nel disegno che segue:

Da come è possibile notare dal primo disegno in alto ,la luminosità della lampada viene fatta variare modulando i tempi di chiusura ed apertura dell'interruttore del circuito ,inoltre a fianco e possibile notare che il periodo T non varia affatto (e pertanto neanche la frequenza) ,varia invece la durata e pertanto anche l'area racchiusa tra le semiode positive (area caratterizzata in grigio che rappresenta l'energia effettivamente trasmessa alla resistenza di carico) ,in modo inversamente proporzionale a quella delle semionde negative ,(energia non trasmessa).

Nel secondo circuitino più in basso , si vede l'esempio di una regolazione ,effettuata sostituendo al posto dell'interruttore una resistenza di opportuno valore ohmmico , è evidente che questo dispositivo, determinerà una certa caduta di tensione ai suoi capi con una conseguente diminuzione della corrente circolante sul circuito e della potenza dissipata sull'utilizzatore ,ma disperderà contemporaneamente una notevole quantita di energia dispersa sotto forma di calore per effetto joule (Q=K*R*i2 , dove k= costante di joule).

Ecco che da queste considerazioni e possibile già dedurre quello che è senz'altro il vantaggio FONDAMENTALE della regolazione SWITCHING rispetto quella di potenza ovvero si tratta del RENDIMENTO ENERGETICO.

Rendimento alto in parole povere vuole dire che buona parte dell'energia viene trasferita senza consistenti perdite all'utilizzatore finale.

Adesso proseguiamo con altri due esempi pratici:

Si tratta dei precedenti circuiti dove però al posto dell'interruttore e della resistenza di caduta sono stati inseriti un transistor di potenza (Es. 2N3055 etc).

Se consideriamio i primi due circuiti in alto (A) notiamo che il transistor funge da interruttore lavorando esclusivamente in due stati estremi ,ovvero da Off ad On e viceversa , passando quindi ciclicamente dalla interdizione alla saturazione.

In particolare quando questo si trova in saturazione la resistenza della giunzione C-E sara la minima possibile (qualche decimo di ohm) ,e pertanto essendo W=R*i2 possiamo affermare che anche la potenza in esso dissipata sara limitata. per qualunque livello di corrente erogata difatto , a differenza della regolazione lineare continuerà sempre a lavorare nei due stati sopra definiti. (nel disegno in alto troviamo questa ipotetica resistenza raffigurata con l'etichetta RceSat)

Proseguendo con il circuito sottostante (B) notiamo che il transistor sostituisce non più un interruttore ,bensi la resistenza variabile in serie al carico ,e pertanto in questo caso lavorerà esclusivamente in modo lineare con la sua Rce che potrà assumere una serie di valori resistivi praticamente infiniti compresi tra l'interdizione e la saturazione dell giunzione CE in proporzione alla sua corrente di base (VP/Rbe).

Pertanto come gia accennato in precedenza questa situazione provocherà una notevole dispersione di potenza e pertanto di calore per effetto joule , sul transistor , che sarà proporzionale alla sua resistenza Rce e alla corrente globale che attraversa il circuito , pertanto occorrera provvedere al suo raffreddamento forzato anche con ingombranti alette di raffreddamento pena la rapida fusione della giunzione CE.

Gli unici incovenienti della tecnica switching sono una probabile msggiore complessità del circuito (forse non nel progetto corrente) e sopratutto i disturbi che la commutazione Off/On sul transistor ,mosfet ,igbt etc ,genera nei confronti degli utilizzatori (sopratutto su amplificatori ricevitori e circuiti Hi-Fi in genere) ,anche se con opportune reti rc è possibile ovviarvi con successo.

BENE ,terminato questo breve corso sulla tecnica switching posso ora mostrarvi il mio progetto:

Descrizione Circuitale:

Se vi siete sorbiti la pappardella precedente ora sarà senz'altro più facile capirne il funzionamento, potremo cominciare dalla prima nand U1A triggerata che rappresenta l'oscillatore tarato intorno ai 35Khz con un Duty C. =T1/T2=21 ovvero l'impulso a +12V è 21 volte piu corto (come durata nel tempo) della pausa a Zero Volts ,in pratica questo viene realizzato tramite le due reti di carica e scarica di C2 distinte nei versi da D4 e D5.Tramite poi U1D il segnale viene disaccoppiato e letteralmente rovesciato di fase e pertanto in uscita da questa nand ,avremo un impulso 21 volte più lungo della pausa.

Ed è da questa base di partenza che viene trattato il dutyC stesso , ovvero tramite la NAND U1B configurata in modalita monostabile ,sarà possibile ridurre e aumentare la durata dell'impulso positivo da un minimo ad un massimo dato dalla massima durata del periodo di oscillazione della nand U1A (vedi figura sotto)

Infatti da questo grafico risulta chiaro come sia possibile partendo da un segnale con un impulso costantemente strettissimo ,(Out di U1A) arrivare alla fine ,ad un segnale sempre impulsivo ma con DoutyC variabile.

Variabile appunto ,ma come?

Semplicemente polarizzando con varie tensioni la base di Q1 (BC550B) il quale varierà in funzione di ciò , la conduttanza tra i propri terminali di emettitore e collettore, permettendo pertanto il controllo dei tempi di scarica di C1 ,e conseguentemente la modulazione della durata dell'impulso positivo a +12v rispetto la pausa a 0V.

Quindi il segnale pulsante uscente da U1B ,verra poi inviato a Q3 (BC338) che è il primo stadio del booster di potenza composto appunto dal medesimo e dal finale Q2 ,un darligton siglato TIP141 o in alternativa TIP142 che per la sua caratteristica configurazione interna presenta un elevatissimo guadagno in corrente (beta=1000)

Infine il resto e quasi scontato, infatti troviamo il filtro passa basso ,composto da L1-C3-C4 che servirà ad eliminare tutte le spurie , della 35 Khz ed infine , a rendere sui morsetti di uscita del circuito, una tensione perfettamente livellata , corrispondente in ampiezza ,al valore medio degli impulsi a +12V ,uscenti da Q3.

Terminiamo con la descrizione del circuito di regolazione della tensione e della corrente in uscita , ovvero tramite i potenziometri R5 ed R11 , i quali agiscono rispettivamente su Q1 (BC550) per regolare la VOut e U3 (LM741) per la IOut

Riguardo la VOut , notiamo che su R5 viene retroazionata la tensione presente sul carico in uscita del circuito , pertanto se questa dovesse diminuire a causa di una maggiore richiesta di corrente ,si ridurrà conseguentemente anche la Vbe di Q1 , il quale pertanto tenderà ad interdirsi, ma conseguentemente anche i tempi di scarica di C1 (1nF) tenderanno ad allungarsi causando l'incremento della durata dell'impulso positivo che pilota le base di Q3 , e pertanto anche la tensione ai morsetti d'uscita tenderà immediatamentante ad aumentare fino a ritrovare l'equilibrio nel valore preimpostato su R5.

Riguardo La regolazione della max corrente erogabile , dobbiamo considerare la resistenza R10 da 0,15ohm , posta in serie al carico sulla linea di massa , nella quale in funzione della corrente che l'attraverserà ,potremo rilevarvi una certa caduta di tensione. Questa tensione Pertanto anche se molto piccola verrà prima regolata tramite R11 e poi applicata sull'ingresso non invertente dell'operazionale LM741 il quale dopo averla amplificata in C.C. per ben 330 volte la inoltrerà sulla base del transistor Q5 (BC550b) il quale saturandosi scaricherà molto velocemente la carica di C1 (1nF) ,e di conseguenza sui morsetti in uscita del circuito (VOut) ci sarà un drastico calo della tensione disponibile ,e pertanto della max corrente erogata ,e ciò in proporzione al valore ohmmico assunto da R11, che appunto modificherà la soglia di intervento del circuito di limitazione da un minimo di 250mA ad un massimo di 8/10A (ATTENZIONE , non cortocircuitare mai i morsetti di uscita del circuito con la regolazione di R11 (cursore centrale verso massa) per la massima corrente , pena distruzione IMMEDIATA del Finale TIP141).

14/Novembre/1998

Ciao alla prossima...