Progetto elettroutensile a batteria

[g.schgor]

No problem!

1) Per proteggere il fototransistor basta mettere uno Zener da pochi V dove prima c'era la resistenza R12.
(Se non hai disponibille uno Zener , puoi mettere 2 o 3 diodi in serie diretta)

2) Se il funzionamento dello stesso produce un andamento di tensione al contrario (la tensione d'ingresso
diminuisce all'aumentare della temperatura), basta scambiare gli ingressi + e - del comparatore (il secondo
Op-Amp)

[davidde]

Ciao a tutti,

Per g.schgor:
In questo fine settimana ho finalmente trovato il tempo per dedicarmi alla messa a punto del circuito risolvendo tutti gli errori che inevitabilmente inserisco tra teoria e pratica.
Ho quindi fatto i test ed il circuito funziona bene, sia il mosfet che il sensore di temperatura lavorano correttamente.
Vi è anche una interessante novità (almeno per me) che ha reso il circuito praticamente "pronto per l' utilizzo". L'unico dubbio che avevo sollevato in merito allo schema da te postato era quello dello start e fine ciclo, cioè alla pressione del microinterruttore il ciclo ha inizio mentre al raggiungimento della temperatura impostata toccava al sensore la funzione di reset. Ti chiesi allora di progettare un sistema capace di modulare tramite duty cycle la corrente da far scorrere nel riscaldatore in modo da mantenere costante la temperatura impostata per tutta la durata del ciclo stabilita unicamente dall' operatore.
Con mia grande sorpresa ho visto che il circuito funziona già così, (o meglio modula la frequenza di lavoro) infatti se mantengo premuto il microinterruttore il set-reset lavora già perfettamente mantenendo il tubicino alla temperatura impostata tramite il trimmer.

Ti mando il filmato del circuito in funzione così potrai giudicare tu stesso e dirmi cosa ne pensi.



In merito al sottostante schema elettrico ti volevo porre alcune domande:



Come avrai notato le uniche modifiche sono l' inserimento di uno zener da 3,3V e l'inversione dei pin 5 e 6 del secondo operazionale, in oltre ho collegato il sensore al PCB tramite cavo schermato.

1- Ai capi del sensore misuro una tensione di soltanto 1V, questa misura è corretta? Lo zener non dovrebbe stabilizzarla a 3,3V?
2- Il mosfet lavora in sicurezza, la temperatura del contenitore arriva a 70°C. Se lo sostituisco con un componente capace di sopportare correnti più intense (diciamo 100A) riduco la sua temperatura di lavoro o per lo meno riuscirei a ridurre la dimensione del dissipatore?


La temperatura in gioco ed il tempo impiegato per raggiungerla non possono essere variate a piacimento ma è frutto di varie ed attente sperimentazioni pratiche. Quello che mi è stato richiesto è di realizzare un elettro utensile che deve funzionare allo stesso modo di altri già in commercio dai quali il cliente ha rilevato i parametri di massima per il progetto, non so dirti con certezza il materiale dei tubi e sinceramente non posso neanche garantirti che l' utilizzo finale sarà realmente quello che mi hanno descritto.
In poche parole i vincoli sono:

1- Alimentazione a batteria
2- temperatura massima di funzionamento 500°C
3- 100/150 cicli con batteria carica.
4- estrema semplicità di utilizzo

In merito al punto 1:
l' utilizzo di una termocoppia sarebbe probabilmente più idoneo, concordo, però ci sono altri aspetti da tenere in considerazione. Realizzare un sensore come quello che hai descritto è cosa sicuramente possibile e nemmeno troppo complicata. Vi è però il problema di dover sostituire il riscaldatore in caso di rottura, questo complica notevolmente la soluzione al problema poiché devo mettere l' operatore in condizione di sostituire il tubicino in ogni momento. Facendo come dici tu vincolo al riscaldatore tutta la parte di misura poi che la termocoppia si trova meccanicamente fissata al resistore. Dovrei quindi costruire un sensore integrato al tubo da fornire come ricambio ogni volta che sia richiesta la sostituzione.
In oltre non credo di poter appoggiare il giunto della termocoppia direttamente all' interno del tubicino, questo comporterebbe uno scambio tra la corrente utilizzata per la misura e quella fornita per la potenza. Dovrei quindi isolare il giunto dal tubicino con ovvi ritardi e inerzie sulle temperature rilevate. Il sistema di misura diviene più lento.

In merito al punto 2:
gli elementi che ho intenzione di utilizzare per gestire la potenza richiesta sono Ni-Mh che hanno una resistenza interna bassissima, mettendo in corto questi elementi si possono ottenere correnti di fortissima intensità. Nel datasheet degli elementi selezionati sono presenti le curve per utilizzo fino a 40A. Quello che io richiedo invece è una corrente di 30A per poco più di un secondo al massimo, dopo di che sarà necessaria soltanto una corrente di mantenimento che ho scoperto (grazie al circuito realizzato) essere di 15A valore prossimo alla capacità degli elementi. Comunque sia la potenza richiesta per far funzionare la pinza è ben più alta di 30W, le prove che sto facendo ora (quelle del filmato) sono state fatte con una batteria Pb-gel (sicuramente non idonea) che fornisce una potenza di oltre 200W.

In merito al punto 3:
a circuito ultimato e funzionante ci si potrà rendere conto della sua complessità, pensavo di decidere in seguito la scelta più appropriata. Se fosse possibile farei a meno di PIC per ragioni di programmazione....si vedrà.
Ho però visto interessanti circuiti miniaturizzati che potrebbero fare al caso mio poi che provvedono a gestire la potenza sul carico in base ad un segnale in entrata, sono dotati di controllo batteria scarica e di un riduttore di tensione a 5V stabilizzati per eventuali circuiti allegati, il tutto sfruttando l'alimentazione di una batteria con tensione compreso tra 4 e 14V.

Riguardo al saturflon la sua temperatura massima di funzionamento per uso continuativo è di soli 200°C con brevi picchi di 350°C. L'acciaio inossidabile dovrebbe servire proprio per non fare attaccare lo sporco o almeno a renderlo rimovibile con un colpo di spugna bagnata.

Ho trovato molto interessante l' idea di un' alimentazione switching o per lo meno mi interesserebbe capire quale sarebbe la corrente che servirebbe prelevare dalla batteria. Quello che vorrei capire è se potrei ottenere gli stessi effetti prelevando meno corrente in modo da poter utilizzare elementi a minor capacità nominale.

Vi ringrazio per la collaborazione.

Ciao

David

[g.schgor]

Complimenti per la realizzazione!
Alle domande rispondo:
1) il fototransistor non illuminato, presenta una resistenza che con la resistenza di collettore,
forma un partitore della tensioner di alimentazione (9V): nessuna meraviglia che ai suoi capi
ci sia 1V. Questo significa che lo Zener "non va in caratteristica" (essendo in parallelo ad una
resistenza minore). Anche se in pratica non serve, e' pero' pur sempre una garanzia di protezione
del fototransistor.
2) maggiorare la portata in corrente del Mosfet servirebbe solo ad aumentarne l'inerzia termica
del componente (in quanto avrebbe dimensioni maggiori). Non influisce invece significativamente
sulla potenza perduta, che comunque dovrebbe essere dispersa dal dissipatore. Credo purtroppo che
l'unico modo di diminuire la temperatura di lavoro sia quella di maggiorare il dissipatore!

Circa il funzionamento come regolatore di temperatura, la mia proposta sarebbe stata quella
di aggiungere un'isteresi al comparatore (attualmente bistabile su un solo valore di soglia).
In pratica questo si ottiene con un'adatta resistenza di reazione positiva, come illustrato
nella descrizione "comparatore con isteresi" , che gia' conosci.

[davidde]

Ciao g.schgor,
complimenti a te per lo schema e lo studio del circuito, hai capito subito cosa mi serviva ed hai progettato un qualcosa di estremamente semplice, economico e funzionale, da questo si capisce la tua esperienza e professionalità. E' un vero piacere sviluppare il progetto con una persona di estrema disponibilità e competenza come te. Grazie!

Lo zener lo lascio dov' è e lavorerò sull' isteresi del comparatore per aumentare la zona morta relativa alla temperatura selezionata.
Ho però la necessità di ridurre la temperatura di funzionamento del mosfet. Pensavo di fare così e volevo chiedere conferma.
Se non sbaglio il mosfet presenta una resistenza tra drain e source che è prossima allo zero quando il componente è in conduzione. Più questa resistenza è bassa meno il componente dovrà dissipare. Se quello che ho scritto è giusto allora questo mosfet dovrebbe essere più idoneo:

http://docs-europe.electrocomponents.co ... 478f58.pdf

Il suo valore di Rds è inferiore di 3-4 volte rispetto a quello attualmente utilizzato, quindi in conduzione dovrebbe scaldare meno. In oltre la potenza che può dissipare è di 300W contro i 110W dell' STP60NF06L.

Cosa ne pensi, conviene fare una prova?

Ciao e grazie.

David

[g.schgor]

conviene fare una prova?

Direi di si' (la mia scelta era data dal fatto che quel Mosfet era il piu' adatto fra quelli simulabili
con MicroCap Demo). Se ora ne hai trovato uno migliore, va benissimo.
Il tuo ragionamento e' infatti corretto.

[admin]

Non posso fare a meno di complimentarmi con tutti i protagonisti di questo topic.

g.schgor, per il quale non non esistono aggettivi adeguati ad illustrare disponibilità, competenza, passione, ha trovato in davidde un interlocutore che da tempo cercava.

Chi ha seguito il topic ha potuto vedere nascere e crescere un progetto vero, originale, che davidde ha documentato in modo esemplare.

[BrunoValente]

Voglio fare anch'io i complimenti a g.schgor e a David per il risultato ottenuto: siete riusciti a raggiungere l'obbiettivo con un circuito tutto sommato semplice nonostante sin dall'inizio sembrava si trattasse di un progetto di difficile realizzazione.
Un consiglio a David: per abbassare ulteriormente la temperatura, oltre a scegliere un componente con la Rds più bassa possibile, puoi montare più mosfet in parallelo riducendo proporzionalmente il calore generato. Il parallelo dei mosfet si fa brutalmente collegando tra loro i terminali con lo stesso nome.
Un'ultima cosa: mi è sembrato di scorgere nel filmato, durante l'ultima prova a 700 gradi, una forte autooscillazione nel segnale di pilotaggio del mosfet tra un picco e l'altro. Mi sbaglio?

[davidde]

Ciao a tutti e grazie per i complimenti, fa piacere sapere che troviate interessante questo topic.

Sì Bruno, effettivamente il segnale nell' ultima prova appare disturbato è come se l' impulso di comando riducesse l' ampiezza senza mai scendere a 0V. Grazie alla tua osservazione ho notato anche che quando il mosfet lavora in questo modo tende a scaldare parecchio di più. Non riesco però a capire se ciò è causato soltanto dall' aumento della corrente media richiesta per mantenere il riscaldatore a quella temperatura oppure se la causa è proprio il segnale sul gate. Se fosse possibile vorrei correggere tale anomalia.
Potrebbe essere un malfunzionamento legato alla mancanza di isteresi? Come mi consigliate di procedere?

Nel frattempo ho ordinato il nuovo mosfet, appena mi arriva lo sostituisco e proverò a collegarne due in parallelo. La necessità è quella di ridurre in modo consistente il surriscaldamento del componente per rendere possibile l' introduzione del circuito in un' ambiente privo di ricambio d' aria. Al più presto comincerò anche a fare le prove di durata per determinare quale sia il tipo di batteria più idoneo.

A parte questo mi interesserebbe un vostro parere riguardo ad un discorso più generale del progetto. Ci sono infatti alcuni punti che non riesco a comprendere pienamente ed il vostro consiglio sarebbe prezioso.

1- Il primo riguarda l' utilizzo di un trasformatore switching per la parte di potenza. Se non sbaglio consigli di costruire un trasformatore composto da undici avvolgimenti, dieci dei quali secondari. Il primario verrebbe connesso alla batteria attraverso il circuito switch mentre tutti gli altri si collegherebbero in parallelo tra un' estremo è l'altro del tubicino. Così facendo potresti collegare il primario al pacco batterie, fornendogli in ingresso 12V 1A per prelevare in uscita 1V 12A. Se la mia interpretazione è corretta sorge un' altro problema, per ottenere la rapidità di risposta da parte del riscaldatore bisogna applicare ai suoi capi una differenza di potenziale minima di 4 volt, sotto questo valore il processo diventa troppo lento impiegando parecchi secondi per potare il riscaldatore alla temperatura richiesta. Anche capendo ed appoggiando il vantaggio che si otterrebbe in termini di minor stress delle batterie mi viene da pensare che probabilmente il trasformatore diverrebbe ingombrante e costoso. Cosa ne pensate?

2- La parte riguardante la gestione di potenza è stata risolta in modo brillante grazie al circuito proposto da g.schgor, vi sono però da considerare altri due aspetti necessari per un più corretto ed affidabile utilizzo dell' elettro utensile. Il primo è l' alimentazione singola che renderebbe possibile l' utilizzo di un caricabatteria già esistente senza quindi obbligarmi alla costruzione di un modello speciale, mentre il secondo (che vedo indispensabile) è un controllo sulla tensione della batteria che intervenga quando è scarica. Sarebbe possibile integrare queste due funzioni a mio parere piuttosto importanti?
Chiedo questo perché ho trovato un circuito utilizzato nel mondo dell' aereo modellismo che gestisce tutte queste operazioni. Il circuito si trova qui ed indipendentemente dal fatto che preferirei studiare per intero il progetto mi interesserebbe un vostro parere in merito.

Vi ringrazio per la collaborazione.

Ciao

David

[g.schgor]

Per un corretto funzionamento come regolatore On-Off, consiglio l'introduzione di una
pur piccola isteresi (questo dovrebbe migliorare la commutazione, ed e' ottenibile con
la semplice aggiunta di un'adatta resistenza in reazione positiva).

Sull'uso di un trasformatore switching penso potrebbe essere utile nel caso si decidesse
per una tensione di batteria piu' elevata. Questo sarebbe sicuramente ingombrante, ma
si potrebbe evitare la doppia alimentazione (l'alimentazione a 9V della parte di controllo,
potrebbe essere ricavata con un regolatore da un'unica batteria a 12V, che ovviamente
servirebbe anche al primario dello switching).
Mantenendo la batteria principale a 6V non e' possibile eliminare l'alimentazione separata
del controllo (e renderebbe a mio avviso anche poco giustificato il trasformatore).

[davidde]

Ciao g.schgor grazie,

Sto lavorando sull' isteresi e sulla simulazione in microcap... comincio a prenderci la mano. Quando avrò finito, spero nel giro di pochi giorni ti proporrò la soluzione postandola sul tuo topic poiché l' argomento e le domande che avrei da porti mi sembrano più inerenti a quel discorso.

Comunque sia l' idea del trasformatore switching mi aveva affascinato proprio per la durata maggiore delle batterie e per il minore stress al quale verrebbero sottoposte. Indipendentemente dalla costruzione di tale alimentatore che mi sembra comunque complicata e non proprio idonea per l' elettro utensile mi premerebbe capire una cosa che ancora non mi è chiara.

La mia proposta sarebbe quella di utilizzare il nostro circuito così com'è (più la resistenza di isteresi se sufficiente ad impedire l' autooscillazione del mosfet) integrando però le altre due funzioni fondamentali (controllo batteria, alimentazione singola).
Provo a descriverti, (ma non so se sia possibile) quello che ho pensato. Alimentiamo il circuito con un pacco batterie composto da otto elementi (dei quali determineremo in seguito la capacità) al Ni-Mh. La tensione dei tali va da 1,2V ad elementi carichi fino a 0,8V ad elementi scarichi.
Facendo i conti sulla tensione risulta che il range di tensione nel quale ci troveremo ad operare va da 1,2x8=9,6V fino a 0.8x8=6,4V limite per il quale le batterie dovranno essere ricaricate.
Così facendo dovremmo avere un margine sufficiente per stabilizzare a 4 o 5V (tramite diodo zener o 78xx) la tensione che utilizzeremo per l' alimentazione del controllo.

Cosa ne pensi, sarebbe fattibile ?

Ciao e ancora grazie!

David