Regolatore LDO e stabilizzazione a 5V

[davidde]

Beh ragazzi, grazie per i complimenti. Che dire... potendo aprofittare della preziosissima disponibilità e della compagnia di maestri del genere sarebbe un sacrilegio non mettercela tutta ! Questa sera riavvolgo il trasformatore e sostituisco gli 1N4148 con degli Schottky in modo da tirar fuori quel volt che manca.

Vi sto preparando una domandina che non vi piacerà per niente, ma da solo non riesco proprio a capire ....

Qualcuno mi sconsiglia gli 1N4148 per applicazioni switching. Per la caduta di tensione sono d' accordo ma per il recovery time ho qualche problema a capire. Gli 1N4148 sono estremamente veloci, hanno un Trr max di 4ns, più veloci non ne ho ancora trovati o quasi ...

P.S.
Ginfizz il segreto è mettersi all' opera quando tutti dormono. Soltanto così puoi contare su una pace inverosimile che ben si concilia con l' elettronica .... certo che poi svegliarsi alla mattina è un' altro paio di maniche ...

[brabus]

Un saluto a tutti.

Purtroppo questa sera posso passare solo per pochi minuti, il tempo è davvero tiranno come lo si dipinge!

David, che dire, lo switching che hai costruito è semplicemente Perfetto
Sul serio, mi devo complimentare per la cura con la quale realizzi i prototipi su breadboard. Te lo dice un fiero e convinto sostenitore del millefori (possibilmente prestagnato), che pur di non usare breadboard o PCB "fatti in casa" salda millefori fronte e retro, e ci fa stare anche l'SMD (non troppo spinto, s'intende!) .

Il circuito switching che avete pensato e realizzato (tu e Bruno, io non c'entro niente! ) mi ha lasciato sbalordito, per la sua semplicità e per le prestazioni che ha dato sin da subito.
Dirò la verità, in questi giorni ho pensato spesso al circuito proposto da Bruno, e più ci pensavo più mi convincevo che non avrebbe potuto funzionare. Voglio dire, se è necessario un duty cycle del 50% ESATTO, che nemmeno degli inverter riescono a riprodurre (se è per questo, nemmeno il 4027...), come può funzionare? Una componente continua anche di pochi microvolt deve portare il nucleo alla saturazione Invece funziona tutto.
Mi riprometto di leggere a fondo tutto ciò che è stato detto e fatto in merito a quel circuito, non posso lasciarmelo scappare!

Tornando alla pompa di carica...
Indubbiamente il condensatore di filtro influenza pesantemente le prestazioni del circuito. Ho "toppato", come si dice . Volendo evitare a tutti i costi l'induttanza, non ho fatto i conti con lo scambio di carica fra C4 e la capacità di filtro, 5 volte più grande . Nonostante C4 sia carico e venga "sollevato" dall'uscita dell'operazionale, la sua carica si perde fra il carico e l'oceano offerto dalla capacità di filtro. Come ho fatto a non pensarci .
Niente, bisogna fare un passo indietro, ed aggiungere l'induttanza di filtro .

David, io direi che a questo punto si aprono più strade:
1) Continuare ad ottimizzare il circuito solo per capire dove possiamo arrivare (la strada della rettificazione sincrona e dei driver più "grossi" è tutta da percorrere);
2) Arrenderci all'evidenza: con componenti discreti è impossibile replicare le prestazioni dell'ADM860 (peraltro tutte da verificare). Possiamo accontentarci di pilotare un carico inferiore, o accettare una tensione molto distante dal raddoppio o dal triplo della tensione di alimentazione;

Finora il circuito è sempre stato in mano "tua", ci hai dedicato del tempo e anche del denaro. Io sono più che disponibile a continuare ad analizzare i risultati e pensare alle cause e alle soluzioni delle nostre "scoperte"; a questo punto devi decidere tu se "il gioco vale la candela"

[ginfizz]

A questa domanda ho già risposto nell'intervento [56]

Ah, scusa non l'avevo vista. Eppure credevo di aver letto tutto o quasi di questo thread.

Ginfizz il segreto è mettersi all' opera quando tutti dormono. Soltanto così puoi contare su una pace inverosimile che ben si concilia con l' elettronica .... certo che poi svegliarsi alla mattina è un' altro paio di maniche

Gia' Ma ho paura che mia moglie chiederebbe il divorzio Gia' mal sopporta che ci sia una stanza che sembra una succursale dell'Enel

[davidde]

Brabus avanti tutta abbiamo ancora parecchia strada da fare !
Recupero l' induttore poi ti mostro i risultati, in seguito facciamo il punto della situazione e decidiamo come procedere... Il fatto che il circuito non sarà competitivo e sostituibile con integrati non cambia sostanzialmente molto, l' importante per me (ma credo anche per te) è riuscire a capire il principio di funzionamento secondo il quale questi componenti operano e magari riuscire a riprodurne una secondo le esigenze di progetto. Direi che stiamo andando bene... aggiustiamo un po il tiro e ci portiamo a casa un gran risultato .


Per quanto riguarda l' alimentatore switching invece ho fatto le modifiche. Il trasformatore è ora avvolto secondo il criterio che mi avete spiegato e conta 8+8 spire. Ho sostituito gli 1N4148 con dei BAT42, misurando le cadute di tensione si vede che l' 1N4148 faceva cadere 990mV mentre il BAT42 "soltanto" 760mV, nel mosfet si perdono invece 100mV. Ora la tensione d' uscita è salita a 5.7V, non ci siamo ancora, farò la presa centrale ad ogni avvolgimento.

Ho fatto una serie di prove con l' alimentatore sotto carico (resistenza da 47ohm) per vedere come la corrente negli avvolgimenti aumenti in funzione della riduzione della frequenza. Ho ottenuto che con il nuovo nucleo la frequenza di piena saturazione corrisponde a circa 16KHz. In queste condizioni la corrente inizia a scorrere senza più limitazioni e viene frenata dalla Rds del mosfet dal diodo e dalla resistenza di misura da 1ohm.
Questo è il risultato, lo schema di misura è identico a quello del messaggio precedente:

Corrente di saturazione.png (255.39 KiB) Osservato 3713 volte

Dall' andamento della corrente che presenta un lungo tratto quasi orizzontale deduco che l' alimentatore potrebbe andare ad una frequenza molto più bassa rispetto ai 120KHz attuali senza che l' efficienza ne risenta. Un' altra considerazione che mi viene da fare è che le dimensioni del toroide a 120KHz potrebbero essere più piccole.
Rimanendo però su questo nucleo volevo farvi una domanda: che frequenza scegliereste o meglio dove interrompereste la crescita della corrente, sulla linea gialla su quella rossa o su quella bianca ?

Corrente.png (198.29 KiB) Osservato 3723 volte

Io mi preoccuperei soltanto di far lavorare il trasformatore in condizioni sicure quindi starei tra la gialla e la rossa. Andare oltre non porterebbe vantaggi. In definitiva la domanda è questa; se voglio aumentare la potenza che riesco a trasferire attraverso il trasformatore cosa mi conviene variare in questo caso ?

So che la domanda è banale ma con tutte le variabili che influiscono nel dimensionamento di un trasformatore come questo mi perdo e non riesco più a seguire un filo logico...

[brabus]

Brabus avanti tutta abbiamo ancora parecchia strada da fare !
Recupero l' induttore poi ti mostro i risultati, in seguito facciamo il punto della situazione e decidiamo come procedere... Il fatto che il circuito non sarà competitivo e sostituibile con integrati non cambia sostanzialmente molto, l' importante per me (ma credo anche per te) è riuscire a capire il principio di funzionamento secondo il quale questi componenti operano e magari riuscire a riprodurne una secondo le esigenze di progetto. Direi che stiamo andando bene... aggiustiamo un po il tiro e ci portiamo a casa un gran risultato .

Allora rispondo: avanti tutta! Benissimo David, allora continuiamo
Mi sono accorto di un paio di "falle" nel ragionamento (soprattutto in merito alle considerazioni sulla corrente erogata dagli operazionali). Entro sera stendo un minimo di resoconto, così facciamo il punto della situazione Vorrei evitare con ogni mezzo il filtro LC, perché altrimenti tanto vale costruire uno switching!

A proposito dello switching, è molto interessante vedere come il nucleo saturi e la corrente "impenni" in modo così ripido Quella foto andrebbe mostrata in parecchi corsi universitari!
Non ho mai costruito uno switching, ma in compenso ho ricevuto alcune spiegazioni in merito. Per il dimensionamento del nucleo la "regola" era sempre di rimanere ovviamente un po' "larghi", in modo da compensare le variabilità e le tolleranze dei componenti. Tuttavia, una volta considerate le tolleranze massime, non ho mai visto grandi sovradimensionamenti. Diciamo che mi è sempre stato detto di rimanere "abbastanza giusti", in modo da non scegliere nuclei inutilmente più grandi del necessario. In poche parole, stare fra la linea bianca e la rossa! My two cents, ovviamente...

[ginfizz]

Dall' andamento della corrente che presenta un lungo tratto quasi orizzontale deduco che l' alimentatore potrebbe andare ad una frequenza molto più bassa rispetto ai 120KHz attuali senza che l' efficienza ne risenta. Un' altra considerazione che mi viene da fare è che le dimensioni del toroide a 120KHz potrebbero essere più piccole.
Rimanendo però su questo nucleo volevo farvi una domanda: che frequenza scegliereste o meglio dove interrompereste la crescita della corrente, sulla linea gialla su quella rossa o su quella bianca ?

Qualcuno abbia la bonta' di spiegare anche ai praticones come il sottoscritto perche' si crea la linea orizzontale.
Io capirei un passaggio diretta dalla curva a salita esponenziale a quella verticale, ma cosi' .... boh.

[davidde]

Brabus mille grazie per la risposta !

Qualcuno abbia la bonta' di spiegare anche ai praticones come il sottoscritto perche' si crea la linea orizzontale.
Io capirei un passaggio diretta dalla curva a salita esponenziale a quella verticale, ma cosi' .... boh.

Anche se appartengo alla categoria praticones provo a risponderti ugualmente.
Quella foto riguarda la corrente relativa al semi avvolgimento del trasformatore. Dobbiamo quindi ragionarla ben coscienti del fatto che il nucleo potrà scaricare parte dell' energia immagazzinata all' altro semi avvolgimento che in questo caso risulterà essere il secondario. In un "semplice" induttore questo non avviene poiché il flusso in seguito ad una corrente circolante nell' avvolgimento potrà soltanto crescere per poi decrescere al cessare della stessa. Infatti l' andamento della corrente in questo componente è piuttosto diverso rispetto a quello dell' oscillogramma; parte da zero, aumenta con una certa pendenza poi al saturare del nucleo sale in modo quasi verticale.
Nel trasformatore invece la questione è differente perché il flusso generato dalla corrente nel primario produce una tensione al secondario e quindi il nucleo può scaricarsi ritardando la saturazione (se il secondario è chiuso su un carico).

Se dividiamo in tre fasi la curva della corrente :

Fasi.JPG (25.09 KiB) Osservato 3621 volte

abbiamo che durante la prima fase la corrente riesce ad aumentare molto più velocemente perché la struttura magnetica del nucleo deve cambiare orientamento. Non essendoci ancora ordine nella struttura magnetica non ci può essere un flusso e quindi nemmeno una tensione indotta al secondario. La corrente in questa fase può quindi aumentare repentinamente.
Cessato questo transitorio (inizia la seconda fase) la struttura magnetica risulta allineata, comincia quindi a generarsi un flusso magnetico che indurrà una tensione al secondario. Il carico connesso al secondario comincerà ad assorbire corrente consumando parte dell' energia immagazzinata nel nucleo.
Nonostante il carico l' intensità del flusso (in seguito all' aumento della corrente) continuerà a crescere fino a quando, giunti all' inizio della terza fase, sarà talmente intenso da saturare il nucleo. La saturazione avviene in seguito all' impossibilità del materiale di generare ulteriori percorsi magnetici. A questo punto l' induttanza del primario subirà un drastico calo e la corrente potrà fluire senza più limitazioni.... distruggendo tutto .

Per limitare il rischio di saturazione credo si possa intervenire su vari parametri, a me vengono in mente questi ma sicuramente ve ne sono altri:
- ridurre la corrente massima che può circolare aumentando la frequenza di commutazione
- ridurre il numero spire
- ridurre la permeabilità del nucleo
- aumentare le dimensioni del nucleo

Ginfizz io mi son dato questa spiegazione .... se poi sia giusta non lo so ... attendo commenti e correzioni ...

[ginfizz]

Anche se appartengo alla categoria praticones provo a risponderti ugualmente.

No, per favore, per fregiarsi del titolo di Praticones ci vuole una scuola apposita. Io ho il diploma in pergamena ottenuto in molti decenni di non-studio

Nel trasformatore invece la questione è differente perché il flusso generato dalla corrente nel primario produce una tensione al secondario e quindi il nucleo può scaricarsi ritardando la saturazione (se il secondario è chiuso su un carico).

Confesso che non ho mai controllato la curva di corrente degli avvolgimenti di trasformatori in ferrite o tradizionali, quindi questa decorso della corrente pressoche' costante mi lascia spiazzato.
Quindi facendo il ragionamento che hai detto tutta la parte orizzontale dovrebbe essere fase utile, perche' significa che il secondario sta assorbendo potenza.
Quindi ci dovrebbero essere pochi dubbi, basterebbe aumentare la frequenza finche' non sparisce la curva verticale di saturazione ed il gioco dovrebbe essere fatto. Quindi voterei per arrivare fino alla riga bianca
Sentiamo il verdetto dei boss (e spero di strappare almeno un un 18)

[davidde]

Quindi facendo il ragionamento che hai detto tutta la parte orizzontale dovrebbe essere fase utile, perche' significa che il secondario sta assorbendo potenza.
Quindi ci dovrebbero essere pochi dubbi, basterebbe aumentare la frequenza finche' non sparisce la curva verticale di saturazione ed il gioco dovrebbe essere fatto. Quindi voterei per arrivare fino alla riga bianca

Si esatto,secondo me è proprio così. Se alzo la frequenza di commutazione elimino la terza parte della curva evitando la saturazione.
Considera anche che:
- Se riduco il valore ohmico del carico (nella foto era a 47ohm) la linea orizzontale si alza, questo vuol dire che cresce la corrente nel mosfet perché al nucleo è richiesto un trasferimento di energia maggiore.

- Se aumento il volume del nucleo (riavvolgendo il trasformatore con due o tre nuclei uguali affiancati) succede che la fase due può dilatarsi raggiungendo la saturazione in ritardo rispetto al caso di volumi minori.

- In entrambi i casi se la frequenza non è sufficientemente alta quando scollego il carico succede che il trasformatore diviene più simile ad un'induttore poiché ha il secondario aperto. Il nucleo perciò satura istantaneamente e il picco massimo di corrente arriva fino ad 1,5A. La forma d' onda della corrente diviene praticamente uguale a come la descrivevi: "io capirei un passaggio diretta dalla curva a salita esponenziale a quella verticale..."


Ho comunque finito di mettere a punto il trasformatore adatto alle mie esigenze. Il risultato ottimale è stato ottenuto dotando ogni avvolgimento di presa centrale proprio come disegnato nello schema di Bruno. Per permettere un sufficiente trasferimento di energia ho affiancato due toroidi come quelli della fotografia, la frequenza si switching è di 120KHz.
Questi sono i risultati dell' alimentatore in diverse condizioni di carico, ricordo che la tensione d' alimentazione è durante le prove di soli 3,4V, condizione ben peggiore di quanto non avvenga nella realtà (dove la minima tensione raggiunta dalla batteria sarà nel caso peggiore di 4V):

Tabella di carico.png (10.85 KiB) Osservato 3527 volte

dove:
con carico è indicata la resistenza di carico collegata al secondario
con corrente di picco mosfet la corrente di picco che scorre nel mosfet durante la fase di conduzione
con Vout la tensione d' uscita prelevata al secondario
con Iout la corrente d' uscita prelevata al secondario.

Questi dati possono dare soltanto un' idea sommaria dei risultati perché la forma d' onda della corrente varia in funzione dei diversi carichi. In particolare nell' ultimo caso quando il carico è infinito (cioè il secondario è aperto) abbiamo un picco di 150mA molto breve, per tutto il resto del semi periodo la corrente rimane a 0A. Nelle altre condizioni di carico invece la forma d' onda della corrente assume un' aspetto pressoché quadro.

In conclusione posso dire che il circuito lavora perfettamente, nessun componente si scalda sensibilmente e la tensione d' uscita ha un ripple pressoché nullo anche in presenza di forti carichi. Non resta che aggiungere in uscita un regolatore lineare da 5V e testare il tutto in pratica !


Bruno, ancora grazie !!!

[BrunoValente]

Prego David, sono contento per te.
Mi aspetto ora che il titolo "elettroutensile a batteria" spunti fuori di nuovo! Facci sapere.