Analisi del limitatore di corrente Theremino

[elfo]

L'analisi del circuito fatta da IsidoroKZ e' ineccepibile ma...

riflettendo su quello che ha scritto Theremino: "Si deve stabilire una percentuale di accettabilità per i circuiti difettosi. Normalmente nella produzione industriale una percentuale di scarti intorno all'uno per cento è già considerata molto buona."

mi e' venuto in mente Bob Malter “The Lightning Empiricist”

Nell'antologia "Analog Circuit Design - Art Science and Personalities"

https://lib.lhu.edu.vn/ViewFile/10608/A ... Design.pdf

Bob Pease scrive "The Story of the P2" - P2-The First
Successful Solid-state Operational
Amplifier with Picoampere Input Currents

Riporto dal testo (a cominciare da pag 67 del PDF linkato):

- che non si e' mai capito se nemmeno il progettista Bob Malter ne avesse mai capito completamente il funzionamento: "That was the trick that Bob Malter had
accidentally built into the P2, and that he had figured out how to take advantage of.
To this day, I am not sure if Bob Malter knew exactly what a tiger he had by the tail.

- che la concorrenza non e' mai riuscita a copiare:"l h e story I heard (it might be partly apocryphal, but most of it probably has a lot of
truth) WiIS that Burr Brown hired a bright engineer, handed him a P2 and told him,
“Figure O L Ih~o w they do this-figure out how we can do it, too.” In a few days the
engineer had dismantled the circuit, traced it out, and had drawn up the schematic.
Then he anilyzed it and began experiments to be able to meet or exceed the P2’s
performance. But he couldn’t get it to work well. He tried every approach, but he
never could. After a full year. Burr Brown gave up and put the engineer to work on
some other project"

- che era talmente critico nel montaggio da avere una difettosita' legata al ciclo mestruale delle donne che lo assemblavano: "According to some of Bob's friends, Bob said that he could tell when the women assembling the P2s were menstruating. He thought it was the amount of sweat that
would cause corrosion or leaky printed-circuit boards. He could check out failure
rates versus serial numbers versus the initials of the assembler, and the yield would
go up and down every 28 days"

e molto altro

- ma con cui la ditta costruttrice fece un sacco di soldi: "and there’s the company that makes a big f- - - - - - profit"

[Theremino]

Grazie della analisi, di fatto però, come già scritto nell'ultima parte dell'articolo, il circuito si comporta molto meglio di un PolySwitch. Se metti in corto il cavo che va al PmtAdapter (e gli autocostruttori lo hanno fatto spesso), l'impedenza di filtro, non si scalda più fino a cuocersi, come invece succederebbe con un PolySwitch. Questo è quello che deve fare questo circuito e nella realtà lo fa.

[Theremino]

Carissimo IsidoroKZ, tu hai ragione a voler progettare circuiti perfetti o quasi. Lo vorrei anche io se fosse possibile, ma si deve anche tener conto dei vincoli e delle possibilità reali. Se riesci a progettare un circuito, altrettanto semplice, ma migliore, pubblicalo. Mi piacerebbe proprio vederlo, mi insegneresti moltissimo e sarebbe utile in molti casi. In mancanza continueremo a usare questo che non ha mai dato grane.

[MarcoD]

La questione è sui requisiti del circuito. Se il requisito è "deve funzionare meglio di un PolySwitch".
Probabilmente lo soddisfa.

Domande:
Il limitatore di corrente, viene collaudato funzionalmente alla fine della fabbricazione ?
Per esempio applicando un assorbimento di 400 mA (non deve scattare) e poi uno di 600 mA (deve scattare) ? carichi di 5V/0,4A = 12,5 ohm; 5V/0,6A = 8,3 ohm .

Oppure la R3 può venire sostituita da un trimmer che viene regolato per una corrente di scatto di 500 mA
alla temperatua ambiente di 25 C°.

Sono consapevole che le soluzion i precedenti aumentano i costi in modo insopportabile.

Forse la maggior parte degli utenti lo adopera a una temperatura ambiente di 25 C°
e per un carico normale alquanto minore di 500 mA.

[Theremino]

Naturalmente il limitatore viene collaudato, più o meno come hai descritto. Anzi più più che meno, in quanto abbiamo insegnato ai cinesi come fare apparecchietti di collaudo con i moduli del sistema Theremino e il semplicissimo linguaggio Theremino Automation e ci si divertono ogni volta di più (lavorano in una ditta enorme ma anche loro sono appassionati di elettronica come noi).

L'unica versione che è stata prodotta in quantità è la versione da 80 mA, per cui posso dare i dati di produzione solo di quelli. I cinesi hanno scritto che praticamente tutti stavano tra i 60 mA e i 100 mA. Ce ne sono stati un certo numero che non funzionavano proprio, per difetti di saldature (componenti posizionati male dal pick and place) ma nessuno è stato scartato per essere fuori dai limiti.

Oltretutto per quel che serve in pratica andrebbero bene anche se sbandassero tra i 40 mA e i 200 mA, in quanto il survoltore dei tubi fotomoltiplicatori che viene alimentato non assorbe che 30 mA e nessun componente scalderebbe fino a squagliarsi con soli 200 mA. Cosa che invece poteva accadere senza il limitatore, dato che i PolyFuses che proteggono le USB2 sono da 500 mA, ma riescono a dare 5 Ampere per un secondo. Cinque ampere per 5 volt fanno venticinque Watt, che lasciano poche speranze di vita alle piccole bobinette di filtro della alimentazione.

In precedenza se qualcuno sbagliava si cuocevano le induttanze di filtro e in alcuni casi si è anche sciolta la plastica della schedina dentro alla quale stavano tali induttanze. Il sistema Theremino viene usato da molti che sono tutt'altro che elettronici per cui ne fanno di tutti i colori, dai fili rossi a massa e i neri al positivo, ai goccioloni di stagno che fanno un unico gnocco con tutto in corto, al poggiare i PCB direttamente sull'alluminio della scatola... ho visto cose...

Tra l'altro - non l'ho scritto nell'articolo ma è importante - il limitatore funge anche da efficacissimo filtro per i disturbi che arrivano dalla USB. Va addirittura meglio delle piccole induttanze che mettevamo e le abbiamo quindi eliminate del tutto.

Come fa a fare da filtro? I disturbi della USB sono spesso dei "buchi di tensione" e quindi basta avere un elettrolitico un po' grande dopo al limitatore (lo mettiamo da 470 uF) che i buchi li assorbe lui. Il tutto va molto meglio degli induttori perché quando la tensione manca il transistor PNP tende ad aprirsi e non scarica il condensatore verso il PC. Per ottenere la stessa attenuazione del rumore di alimentazione le induttanze di filtro avrebbero dovuto essere troppo grandi, centinaia di milliHenry, impossibile farle stare in uno spazio ragionevole.

[IsidoroKZ]

Carissimo IsidoroKZ, tu hai ragione a voler progettare circuiti perfetti o quasi.

Non voglio progettare circuiti perfetti. Non mi piace che vadano in giro circuiti mal progettati indicati come degni di avere un loro nome, come ce l'ha ad esempio il Colpitts.

ma si deve anche tener conto dei vincoli e delle possibilità reali.

Vale a dire che se si fa un brutto circuito bisogna accontentarsi e dire che va bene? Che e` stato ottimizzato per ridurre la dipendenza dai parametri e dalla temperatura? A me non sembra etico.

Se riesci a progettare un circuito, altrettanto semplice, ma migliore,

Non puoi fare una schifezza elettronicamente parlando e poi dire "adesso rifallo nello stesso modo ma che vada meglio". Comunque ridurre la dipendenza dal beta di T2 e` banale, per T1 un po' piu` complicato, ma si puo` fare.

[Theremino]

Sono tutto orecchie, davvero! Se riesci a trovare dei miglioramenti ne sarò davvero felice, non tanto per questo circuito, che va bene anche così, ma per imparare nuove strade.

Ne sarei felice perché, anche se appaio scorbutico e altezzoso (lo so è un mio grande difetto) in realtà ci tengo davvero a fare le cose bene e con passione, e non importa se poi appaio come un pasticcione al tuo confronto. Non sono qui per vincere ma per imparare.

Non l'ho detto ancora ma ho letto tutti i tuoi articoli e ti ammiro moltissimo, hai una capacità di analisi "mostruosa", mai visto nessuno così bravo! Sono quindi sicuro che se qualche miglioramento è possibile tu lo troverai e magari lo troverai in un giorno mentre, lo confesso, abbiamo passato settimane a fare simulazioni e test, eppure meglio di così non siamo riusciti a fare.

[DarioDT]

IsidoroKZ hai la partita iva?
Qua potrebbe scattare una consulenza....
Dario

[MarcoD]

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Aggiungerei un resistore R5, che riduce il guadagno dello stadio, rendendolo meno dipendente dal beta di T2. Non ho fatto calcoli, ai capi di R5 potrebbe cadere circa 1 V. Dimensionate il valore.
Poi un minor guadagno provoca pendenze minori, magari aumenta la dissipazione di T1 in un punto di lavoro critico....Il mio è solo uno spunto per un futuro approfondimento.
Magari un tesista volenteroso in questa branca (quasi) obsoleta dell'elettronica analogica lo dimensiona e ne simula il comportamento.... Saluti a IsidoroKZ_CAN.

[IsidoroKZ]

DarioDT no, niente partita iva! Per contratti grossi si passa attraverso la mia azienda, per lavoretti piccoli mi faccio pagare in natura, unita` di misura kilogrammi di cioccolato (buono), vedi qui e qui

Un paio di indicazioni posso pero` darle al volo. Se si deve solo fare una patch al progetto gia` esistente si puo` considerare che il transistore T2 forma un amplificatore di transconduttanza con guadagno dato circa da che e` dalle parti di 5V/7mA=1.4mS. Si puo` fare un ampli di transconduttanza "vero" con lo stesso transistor, facendo attenzione alla dinamica, e quindi togliersi dai piedi buona parte delle variazioni del beta di T2.

Per quanto riguarda T1 la cosa e` piu` incasinata, perche' bisogna misurare la corrente di T1, senza mettere in serie nulla e senza fare uso della corrente di base . La misura, con un po' di cautele, puo` essere fatta dalla VBE, riconvertendola in corrente. A questo punto si ha una misura della tensione di uscita, una misura della corrente di uscita e con una rete lineare si sintetizza la caratteristica voluta. Questa seconda parte, come dicevo, e` abbastanza piu` complicata, richiede lavoro di progettazione e se fatto con tre transistori in tutto probabilmente richiede una taratura se si vuole una ragionevole precisione della soglia di intervento.

Certo che con un operazionalino o due le cose verrebbero molto piu` "facili" da progettare. Quello che complica la vita e` la misura della corrente senza introdurre nessuna ulteriore caduta di tensione

Dimenticavo: un avvertimento da mettere con tutti i limitatori foldback, avvertimento che di solito non c'e`, e` che con alcuni carichi, ad esempio lampadine a filamento, i limitatore non riesce a partire, che e` quanto e` stato detto da PietroBaima nel messaggio [6].

E avviso importante, bisogna considerare che io non ho di certo 40 anni di esperienza di progettazione alle spalle e vado abbastanza a tentoni , puo` darsi che quanto mi hanno insegnato di non fosse proprio giusto, o molto piu` probabilmente che io lo abbia capito male.