Progetto elettroutensile a batteria

[davidde]

Ciao a tutti e grazie molte per i consigli !

Ho passato parecchie ore a studiare il comportamento del circuito. Per il momento non sono ancora arrivato alla revisione del circuito di pilotaggio, ho preferito sistemare prima i segnali sui mosfet perché scaldavano troppo e temevo la rottura.
Prima di tutto ho rivisto i cablaggi ed ho aggiunto un grosso elettrolitico (1800uF) tra il positivo (a ridosso del riscaldatore) ed il source del mosfet basso come consigliatomi. In seguito visto che la situazione non si era ancora completamente risolta ho cercato di capire l' origine dei disturbi durante le fasi di apertura e chiusura; ho "scoperto" che il grosso di questi disturbi è legato al nuovo pilotaggio che riducendo consistentemente i tempi di commutazione (quello di chiusura è passato da 30us a 5us mentre quello di apertura da 120us a 15us ) ha generato notevoli "anomalie".
I problemi principali erano due, quello riguardante le oscillazioni nelle fasi di commutazione e quello riguardante la forma frastagliata della corrente di drain.
Il primo disturbo l' ho corretto inserendo tra il positivo di alimentazione ed il drain di ogni mosfet uno snubber composto da una resistenza da 27ohm e un condensatore (per il momento elettrolitico) da 3,3uF.
Il secondo disturbo, quello riguardante l' irregolarità della corrente di drain l' ho risolto semplicemente montando un condensatore elettrolitico (330uF) molto vicino all' alimentazione dei mezzi ponti cioè tra i 6V e massa. Osservando nel dettaglio la forma d' onda (di Id) si poteva infatti notare che il disturbo aveva una frequenza uguale a quella di lavoro dei trasformatori cioè 555Khz.

Questo è lo schema elettrico che comprende le modifiche descritte, qui si può scaricare a maggior definizione (Schema elettrico 1221x913.png ):

Schema elettrico.png (36.54 KiB) Osservato 1871 volte

Vi invio i nuovi oscillogrammi, in questi due si vedono Vds (traccia 1) in relazione a Vgs (traccia 2), la prima riguarda il mosfet basso, la seconda il mosfet alto:

Vgs-Vds mosfet basso (snubber).JPG (63.47 KiB) Osservato 1869 volte

Vgs-Vds mosfet alto (snubber).JPG (64.3 KiB) Osservato 1868 volte

Qui invece si vede Vds (traccia alta) in relazione a Id (traccia bassa). L 'amplificazione verticale è impostata per la traccia alta a 5V/div mentre la corrente è letta con misura differenziale tra il canale 1 e 2 a 200mv/div ai capi dello shunt da 0,005ohm. La base dei tempi è a 50us/div.

Vds-Id mosfet basso.JPG (69.9 KiB) Osservato 1868 volte

Questo è l'oscillogramma della corrente di drain ottenuto in misura diretta (per migliorare la visualizzazione dei dettagli), la pinza è ad un capo dello shunt mentre la sonda dall' altra, si nota una profonda diversità rispetto alla traccia Id dell' oscillogramma precedente e non capisco il perché. Ho effettuato entrambe le misure più volte avendo cura di posizionare pinze e sonde direttamente ai terminali dei componenti, il risultato è stato sempre il medesimo.... non so bene quale prendere come traccia di riferimento :

Id.JPG (59.14 KiB) Osservato 1868 volte

Aggiungo infine il dettaglio della Vds prelevata ai terminali del mosfet basso:

Vds mosfet basso.JPG (58.96 KiB) Osservato 1867 volte

Spero che questi oscillogrammi siano un po più chiari dei precedenti purtroppo la combinazione sonde-oscilloscopio non mi permette di postarvi fotografie più dettagliate, i canali 3 e 4 consentono soltanto un' amplificazione verticale di 0,1 e 0,5 V/div e questo limita molto le possibilità di visualizzazione. Per il calcolo dell' energia dissipata vedo di farlo e di darvi i risultati appena il circuito funzionerà come si deve.

Da quello che riesco a capire guardando le fotografie postate direi che sono ancora da risolvere almeno un paio di problemi, il primo riguarda gli spike nel momento di apertura dei semiconduttori di potenza; non riesco però a capire se questi possano crare danni, i mosfet sono protetti da uno zener che dovrebbe evitare alla tensione di superare il massimo valore ammissibile della giunzione. Giusto?
Il secondo problemino secondo me è la tensione Vgs soprattutto nel mosfet basso che lo satura a 5V soltanto, credo che al momento della revisione del pilotaggio cambierò anche il rapporto spire del trasformatore cercando di ottenere una tensione d' uscita più elevata.... direi almeno il doppio.

Dimenticavo! Vi ricordo che questi oscillogrammi sono ottenuti senza il filtro sul ramo di potenza ovvero ho rimosso l' induttore (da 5uH) in serie al riscaldatore ed il grosso elettrolitico (10000uF) in parallelo al ramo di potenza poiché rendevano difficoltose le misure. Probabilmente i valori di quei componenti sono errati, la corrente di drain infatti viene "frenata" in modo eccessivo e ciò rende ancora più complicata l' interpretazione dei grafici.

Come vi sembra la situazione attuale ? Le modifiche che ho fatto vi sembrano sensate oppure vi sono configurazioni più mirate alla risoluzione dei problemi ?

Come sempre vi ringrazio infinitamente.

Ciao

David

[davidde]

Ottimo! Finalmente i risultati cominciano a vedersi .....



Durante le prove ho variato anche il carico sostituendo al riscaldatore una resistenza da 1 ohm. In questo secondo caso il picco di corrente (che dura all' incirca 150us) si attenuava in modo evidente. Credo perciò che sia la batteria a sedersi.



Si probabilmente hai ragione. Il dimensionamento degli snubber è stato fatto a "sentimento" cioè guardando all' oscilloscopio la forma d' onda e cercando in pratica la combinazione RC migliore. Ora leggo come dimensionarli e poi tento il calcolo.



Si hai visto bene. La tensione Vds segue la corrente di drain. Durante il picco di Id infatti la tensione varia e si stabilizza (indipendentemente dalla durata del Ton) soltanto quando anche la corrente si è stabilizzata. Anche questo effetto si attenua parecchio se aumento la resistenza del carico.



Avrei una domanda. Questa considerazione la fai guardando Vgs ?
Se non sbaglio il passaggio alla saturazione e all' interdizione dei mosfet si ha in corrispondenza di quel tratto quasi orizzontale che si ha lungo la pendenza che disegna i transitori. Se così fosse si nota che il mosfet basso satura a 2V circa mentre quello alto quasi a 4V (valore indicato come massimo dal costruttore). Giusto ?

Bruno ho ridisegnato lo schema del pilotaggio dei trasformatori d' impulso seguendo le tue indicazioni e calcolando la resistenza per una corrente massima di 0,18A con una tensione in uscita dal PIC di 3,3V :

Schema controreazione.png (21.02 KiB) Osservato 1830 volte

Ho interpretato correttamente?

Adesso metto a posto le cose che non vanno.....poi vi mando i risultati.

Grazie mille!

David

[BrunoValente]

Si lo schema è corretto.
Una cosa non mi è chiara: dagli oscillogrammi, se non sbaglio, si vede la tensione di drain variare solo di 2-3V , cioè quando il mosfet è chiuso la tensione di drain non scende a zero, questo dovrebbe significare che il mosfet non chiude bene, non vi sembra?
David, ti consiglio in questa fase di eliminare il mosfet superiore e lavorare solo su quello inferiore dove è più semplice eseguire le misure.

[davidde]

Si, effettivamente non si capisce.

Bruno, ottima idea ! Ho eliminato il mosfet alto e questo è il risultato:

Vds.JPG (68.75 KiB) Osservato 1806 volte

In realtà penso però che il circuito funzioni correttamente poiché i mosfet scaldano poco e la corrente che scorre nel carico è rimasta della stessa entità anche dopo aver eliminato il mosfet alto. Credo che la caduta sia di soli 2-3 V poiché i transistor non chiudono perfettamente in fase e di preciso quello alto era in leggero ritardo rispetto a quello basso.

Ho eliminato gli snubber (i calcoli per il dimensionamento non sono riuscito a farli, i dati richiesti sono fuori dalla mia portata) e li ho sostituiti con due diodi veloci collegati con l' anodo al drain ed il catodo verso il positivo del condensatore da 1800uF. I risultati mi sembrano buoni, cosa ne dite ?

citazione cancellata

So che quello che mi hai chiesto può sembrarti una banalità ma per me non lo è, quel segnale non rimane fermo o per meglio dire rimane fermo sullo schermo ma se muovo il trimmer che regola il PWM vedo che la forma dell' onda cambia e quei 2-3 V di caduta notati da Bruno variano in modo irregolare saltando a 5-6 V per poi ritornare a 3-4V e questo si ripete continuamente. Insomma la situazione non mi era chiara, ora invece eliminando il mosfet alto è tutto più semplice.
Sono molto interessato anche al calcolo della dissipazione durante i transitori, appena vedo che tutto funziona a dovere ti posto quello che mi avevi chiesto. Da parte mia c'è tutto l' interesse ad approfondire, cerco soltanto di non complicare inutilmente la tua preziosa disponibilità.

Ciao e grazie

David

[BrunoValente]

Ora è più ragionevole.
Si vede chiaramente che il fronte di discesa è molto più ripido di quello di salita ma credo che questo sia il prezzo da pagare per aver scelto un circuito di pilotaggio a frequenza alta con trasformatori: per ripidizzare la salita si dovrebbe ridurre il valore della resistenza di gate ma poi aumenterebbe la potenza richiesta al trasformatore.

[BrunoValente]

Penso che il saltino sia sintomo della presenza di una induttanza la cui sovratensione in apertura viene tosata a 0.6V dal diodo che ha aggiunto David.
Che ne dite di questo? Dovrebbe aumentare la velocità di salita di beta volte senza complicare troppo il circuito e, soprattutto, senza compromettere la sicurezza: un qualsiasi danneggiamento del nuovo transistor comporterebbe una interdizione forzata del mosfet.

[Anonymous]

Post eliminato per la cancellazione dell'autore

[BrunoValente]

Però non dobbiamo dimenticare che ora la corrente è di soli 6A e per questo io qualche dubbio su un insufficiente pilotaggio continuo ad averlo: del resto l'ampiezza del segnale di gate non supera i 5-6V e mi sentirei più tranquillo se raggiungesse i 10V visto che in condizioni di lavoro la corrente di drain è molto alta.
Quel residuo di Vds che comunque appare e che non è presente dall'inizio della chiusura, potrebbe dipendere da un progressivo calo della tensione di batteria e quindi da un conseguente calo della tensione di pilotaggio che da essa dipende e viene quindi messo in evidenza che l'ampiezza del pilotaggio è appena sufficiente con una corrente di drain di soli 6A.
Consiglierei a David di monitorare con l'altro canale dell'oscilloscopio l'andamento della tensione di batteria collegando la sonda sul positivo vicino alla resistenza di carico.
Ora vi lascio ci sentiamo domani

[davidde]

Ciao e grazie!

Questo è lo schema elettrico:

Schema elettrico_ridotto.png (28.25 KiB) Osservato 1763 volte

Vi posto gli ultimi oscillogrammi che ritraggono soltanto la fase di apertura del mosfet (a fondo pagina si possono scaricare le foto ad alta risoluzione dove si notano tutti i dettagli), le misurazioni sono state ottenute per tutte le fotografie mantenendo queste impostazioni:

- Il mosfet alto è stato eliminato vi è quindi soltanto un mosfet sul ramo di potenza.
- A partire dall' alto si vedono Vgs, Id, Vds. L'amplificazione verticale è a 5V/div per Vgs, a 0.2V/div per Id (differenziale ai capi dello shunt da 0,005 ohm) e a 5V/div per Vds. La base dei tempi è a 10uS/div.

In queste fotografie è presenti il diodo HER305 (avevo solo quello) per tosare il picco su Vds :

Vgs Id Vds.png (202.26 KiB) Osservato 1762 volte

qui si vedono alcune misure:

Vgs Id Vds misure.png (221.51 KiB) Osservato 1761 volte

Questo invece è lo stesso oscillogramma senza il diodo di protezione:

Vds Id Vds.png (220.29 KiB) Osservato 1762 volte

Qui si vede l' andamento della fase di apertura con la base dei tempi impostata a 5us/div:

Vds Vd Vds dettaglio.png (205.75 KiB) Osservato 1762 volte

Vi allego anche le immagini ad alta risoluzione: oscillogrammi

Rifacendomi al discorso di Bruno di un' induttanza presente nel circuito devo precisare una cosa. Ho fatto tutti i collegamenti il più corti possibile preoccupandomi in particolare della parte di comando. Nella parte di potenza invece ho dei vincoli, alcuni imposti dal modello sul quale sto facendo le prove altri imposti dalla realtà del progetto. Ho bisogno di collocare la batteria ed il circuito in cintura all' operatore mentre la pinza dovrà arrivare abbondantemente alla mano. Ho quindi tenuto appositamente lunghi questi due cavi di potenza che coprono una distanza di un metro (sezione 4mm^2), tra l' altro sono semi arrotolati e compiono una mezza spira. Che possano essere loro la causa dell' induttanza ?

Anche secondo me è opportuno alzare la Vgs. E' vero che in questo caso i mosfet saturano senza particolari problemi ma nel caso di un' eventuale produzione in serie le tolleranze su Vgs(th) sommate a quelle dei trasformatori d' impulso potrebbero causare malfunzionamenti. Credo poi di poter "spendere" ancora parecchio sul pilotaggio dei trasformatori infatti la corrente al primario non sale fino al limite di 0.18A che avevo calcolato per non saturare il nucleo ma si ferma a circa 0.09A ...... provo prima a sistemare il problema su questo circuito poi costruisco e testo l' altra soluzione .... sono veramente curioso, vorrei riuscire a veder switchare alla perfezione anche i BJT ed il trasformatore funzionare come da calcoli...

A me il circuito proposto da Bruno sembra una buona soluzione però non capisco una cosa; fino a che punto è necessario ridurre i tempi di commutazione dei mosfet ? Vi ricordo che ora siamo a 3us come tempo di chiusura e a 35us come tempo di apertura. Vi chiederei anche un' altra cosa, secondo voi qual è la frequenza "ideale" alla quale far lavorare il PWM ?

Al più presto posto gli altri oscillogrammi, se non saglio mancano all' appello:

-Fase di saturazione Vgs Id Vds
-Vds in relazione alla batteria
-La forma corretta di Id durante tutto il periodo di conduzione transitori compresi.

Ne manca qualcuno ?

La situazione comincia ad essere buona, vedo di impostare i calcoli poi se non ci riesco ti chiedo aiuto....ho qualche dubbio.

Ciao e grazie mille!

David

[BrunoValente]

citazione cancellata

Si, non ci avevo pensato e appena letta questa tua ipotesi mi è sembrata plausibile, poi però ho fatto due conti e i risultati sembrerebbero dargli torto. Il datasheet dell' STP100NF04 dichiara una Rdson di 4mohm a 20° che raggiunge circa 8mohm a 150°quindi, nelle peggiori condizioni, con una Id=6A la caduta dovrebbe passare da 24mV iniziali a 48mV finali e invece dalle foto sembrerebbe passare da zero a circa 400-500mV e poi mi chiedo: se con una corrente così bassa accade questo cosa succederebbe con una Id di 50A?


Negli ultimi oscillogrammi si vede chiaramente che il circuito autooscilla durante la fase di spegnimento.
Come ho già detto chiederei a David di monitorare la tensione di alimentazione mentre avviene questo sia per verificare se cala, che per verificare se anche lì (in pratica ai capi dell'elettrolitico da 10000uF) c'è quell'oscillazione: a volte gli elettrolitici fanno brutti scherzi in alta frequenza ed è buona norma bypassarli con altri condensatori non elettrolitici (100nF ceramici).
Per quanto riguarda i cavi di alimentazione, il loro effetto sarebbe catastrofico se non non ci fosse il condensatore da 10000uF: non è pensabile che le componenti ad alta frequenza presenti durante i fronti di commutazione circolino attraverso i cavi e la batteria. Quindi il ruolo del condensatore di by-pass collegato nel posto giusto è fondamentale e probabilmente questa parte del circuito andrà migliorata in fase di affinamento. Per ora è sufficiente verificare che quelle oscillazioni non siano presenti anche sulla linea di alimentazione.