Trasformatore d' impulso per pilotaggio mosfet

[davidde]

Ciao a tutti,

in relazione a questo topic avrei la necessità di dimensionare correttamente il trasformatore d' impulso da utilizzare per il pilotaggio di un mosfet STP100NF04.

I dati utili che al momento possiedo sono:

frequenza di lavoro dell' avvolgimento primario = 1 MHz
Tensione di lavoro avvolgimento primario = 5 V
VGS(th) del mosfet = 4 V
Ciss del mosfet alla frequenza di 1Mhz = 5100 pf

Il problema che non riesco a risolvere riguarda il calcolo del nucleo del trasformatore, per individuare le caratteristiche di questo componente devo infatti risalire all' assorbimento del gate che da quanto ho capito dipende dalla frequenza del segnale di pilotaggio. Ho cercato a lungo in rete e su alcuni libri ma non ho trovato indicazioni utili che mi permettano di trovare la corrente necessaria perché possa avvenire la corretta conduzione del mosfet.

Chiedo gentilmente aiuto per questo dimensionamento, sono ben accetti anche indicazioni su libri (o link) che trattino tali argomenti poiché sui testi in mio possesso questi aspetti non vengono approfonditi.

Ciao e grazie

David

P.S.

Ho preferito creare un nuovo topic (piuttosto che integrare questo argomento nell' elettroutensile a batteria) poiché in rete non ho trovato nulla di soddisfacente, penso perciò che questa discussione potrebbe risultare utile a chiunque in futuro si troverà di fronte a questo problema.

[dona79]

facendo un semplice conto a spanne se vuoi caricare la Ciss ad una certa tensione, esempio 10V, ti servirà una carica
Q=CissxV=51nC

dal momento che la corrente è la carica nel tempo allora I=Q/t, dove t è il tempo con cui vuoi accendere il MOS

[davidde]

Ciao dona79, grazie mille per la risposta, era proprio quello di cui avevo bisogno.

Nei prossimi giorni cercherò di dimensionare il trasformatore e vi terrò informati sui risvolti.

Ancora grazie !

David

[davidde]

Ciao, scusate il ritardo ma sono stato molto impegnato.

Rispetto al messaggio precedente ho rivisto alcuni aspetti poiché mi sono reso conto di aver sbagliato l' impostazione del problema. La prima incognita che vorrei ricavare è quella riguardante la potenza del trasformatore poiché da essa dipenderanno le dimensioni del nucleo (che sarà costituito da un anello in ferrite). Scelto il nucleo, in base alla suo fattore di induttanza potrò ricavare tutti i parametri relativi agli avvolgimenti ed approcciare quindi la costruzione del trasformatore.
Per comodità inserisco anche in questo topic lo schema elettrico relativo alla parte di circuito interessata :



I vari passaggi e le considerazioni per giungere al risultato sono riportati in seguito con la speranza di conoscere il vostro parere.

1- Le uscite del PIC che piloteranno direttamente l'avvolgimento primario del trasformatore possono erogare al massimo 25mA (come indicato nel datasheet), per non sollecitarle impongo che la corrente prelevabile sia di soli 10mA. La tensione di pilotaggio è di 3,6V (uguale a quella di alimentazione del microcontrollore).

2- il datasheet riporta un valore di Vgs(Th)= 4V. Per avere la certezza che avvenga la conduzione impongo che questo parametro sia 10V. Tale scelta mi obbliga ad impostare un rapporto di trasformazione 1:3+3 . Il trasformatore dovrà quindi essere in grado di triplicare la tensione dell' avvolgimento primario (3,6V) così da poter prelevare ai secondari una tensione di 3,6V x 3 = 10,8V . La corrente in uscita sarà quindi di soli 10mA/3 = 3.3mA .

3- La carica necessaria per chiudere il mosfet è di Qg = 150nC ,di conseguenza il tempo di chiusura che si ricava dalla formula Tempo = Carica /Corrente risulta 150x10exp-9/3.3x10exp-3 = 4.5x10exp-6sec cioè 4,5us (4,5 microsecondi).

4- La potenza disponibile (quella imposta all' avvolgimento primario) è di 3,6V x 0,01A = 0.036W , di conseguenza quella del nucleo non potrà essere inferiore.

5- La frequenza di pilotaggio del mosfet è di 100Hz .

Conclusioni:

1- Il tempo di chiusura mi sembra sufficientemente breve e le 100 commutazioni al secondo non dovrebbero appesantire il lavoro di switch del mosfet.

2- La potenza trasferita dal nucleo è bassa mentre la frequenza di lavoro del primario è alta (1Mhz). Le dimensioni fisiche del nucleo dovrebbero perciò mantenersi contenute (diametro esterno ferrite 7 o 8 mm).

3- Rapporto di trasformazione 1:3+3 .

Mi farebbe piacere sapere cosa ne pensate a riguardo per capire se ho sbagliato qualcosa. Non avendo mai dimensionato un mosfet ne tanto meno un trasformatore d' impulso mi trovo incerto rispetto alle conclusioni.

Infine segnalo un libro: Appunti sulle ferriti (editore Sandit) per chi fosse interessato al dimensionamento di trasformatori in ferrite.

Ciao e grazie.

David

[davidde]

Ciao a tutti,

dopo aver a lungo studiato i trasformatori e le leggi che ne regolano il dimensionamento sono giunto ad un possibile risultato che almeno a livello teorico potrebbe funzionare. Mi trovo ora nella condizione di dover verificare quanto calcolato ma anche in questa occasione i problemi non mancano.
Riporto lo schema elettrico relativo al pilotaggio di un solo mosfet:

sezione comando mosfet.png (43.08 KiB) Osservato 11774 volte

La frequenza generata dal PIC può giungere al massimo a 555555 Hz. A questa frequenza risulta impossibile approcciare la costruzione dell' avvolgimento primario poiché il valore dell' induttanza (considerando che la corrente massima in sicurezza erogabile dal PIC è di soli 15mA) diviene elevato e di conseguenza il numero di spire spropositato. Per ovviare questo inconveniente gli unici parametri sui quali ho potuto lavorare sono stati fondamentalmente due, il primo riguarda il valore di permeabilità del nucleo mentre il secondo riguarda la corrente massima che può scorrere nel primario senza il rischio di saturazione.
La soluzione finale prevede quindi l' utilizzo di un ponte ad H pilotato direttamente dal PIC e collegato in uscita al primario del trasformatore. Così facendo ho il vantaggio di mantenere il circuito di comando forzante attivo e di poter elevare il valore della corrente di picco.

In merito alla selezione del nucleo le considerazioni da fare sarebbero tante ma purtroppo l' irreperibilità della maggior parte dei componenti presenti a catalogo mi ha costretto alla scelta di un elemento non proprio ideale per la frequenza di lavoro alla quale si troverà ad operare; la sua sigla è B64290-P37-X38 il materiale é T38 e la casa produttrice è la Epcos.

Riporto due semplici e spannometrici calcoli che mi hanno portato al dimensionamento dell' avvolgimento primario considerando che la tensione di pilotaggio è di 3,4V ,il tempo (calcolato come il semiperiodo della frequenza 555555Hz) è 0.0000009 sec e la massima corrente che deve scorrervi è di 100mA (questo per impedire la saturazione del nucleo).
L' induttanza risulta quindi:



da questo valore ho ricavato direttamente il numero di spire dell' avvolgimento primario:



dove è il fattore di induttanza tipico del nucleo e dipende sia dalle dimensioni che dal materiale con il quale è costruito.

Ora volevo farvi una domanda poiché nonostante le ricerche non sono riuscito a trovare una risposta.
Il mio problema nasce dal fatto che la permeabilità del nucleo che ho scelto cala drasticamente per valori di frequenza applicata superiore ai 100KHz, secondo il grafico riportato in seguito ottengo che per 555555Hz applicati la permeabilità del nucleo scende da 10000 a circa 5300 :

Permeabilità - frequenza.png (72.8 KiB) Osservato 11814 volte

Calando la permeabilità dovrebbe calare anche l' induttanza del primario (cioè il valore di ) e di conseguenza la corrente massima dovrebbe aumentare fino ad un determinato valore che non riesco a calcolare.
La mia idea era quindi quella di riuscire a misurare la corrente di picco assorbita dall' avvolgimento primario ma sinceramente non ho idea di come fare.

Qualcuno saprebbe indicarmi un possibile approccio al problema ?

Ciao e grazie !

David

[davidde]

Ciao a tutti,

non ho ancora risolto il problema della misurazione della corrente di picco però ho costruito ugualmente il trasformatore per vedere se i calcoli erano più o meno corretti. La risposta è stata con mio grande piacere (misto ad altrettanto stupore) positiva ed il trasformatore ha funzionato da subito correttamente.
Per provarlo l' ho inserito direttamente nel circuito sul quale dovrà lavorare con l' unica accortezza di utilizzare un led come "carico" per il mosfet .

Posto le immagini e le misure all' oscilloscopio:

Dimensioni trasformatore.JPG (71.76 KiB) Osservato 11701 volte

Circuito.JPG (156.84 KiB) Osservato 11699 volte

Circuito trasformatore.JPG (153.86 KiB) Osservato 11675 volte

Le uniche differenze rispetto allo schema elettrico del post precedente riguardano i transistor (che sono BC548 e BC558) e l' assenza dei relativi diodi di protezione. La resistenza tra gate e massa è da 10KΩ.

Nelle foto successive le pinze delle sonde sono sempre connesse a massa e il selettore delle sonde è settato in x10 :

La scala verticale è per entrambi i canali a 0,5V/cm e quella orizzontale a 1µs/cm, la misura è in AC.
Il canale 1 preleva il segnale sul primario del trasformatore mentre il canale 2 su uno dei due secondari. Essendo un trasformatore che eleva la tensione il segnale meno ampio riguarderà l' ingresso del trasformatore.

ingresso e uscita trasformatore.JPG (29.66 KiB) Osservato 11660 volte

La scala verticale è per entrambi i canali a 0,5V/cm e quella orizzontale a 1µs/cm.
Il canale 1 preleva il segnale sul primario del trasformatore mentre il canale 2 sul gate del mosfet, le misure sono effettuate in AC per il canale 1 e in DC per il canale 2.

Ingresso trasformatore e gate mosfet.JPG (154.16 KiB) Osservato 11649 volte

Come vi sembrano i segnali ?
Sul gate ho una tensione di circa 10V, secondo voi è sufficiente o sarebbe meglio alzarla ulteriormente ?

Appena riesco a chiarire gli ultimi aspetti inserisco le formule che mi hanno portato al dimensionamento.

Ciao

David

[davidde]

Ciao a tutti,

riscontrando risultati apparentemente positivi ho deciso di costruire un PCB che mi potesse aiutare nello sviluppo del circuito di comando del trasformatore d' impulso:

circuito.jpg (49.73 KiB) Osservato 11389 volte

Tale circuito è un' interfaccia tra PIC e mosfet montabile su breadbord dalla quale preleva sia i segnali generati dal PIC che la tensione di alimentazione e fornisce in uscita il segnale di comando del mosfet. Tutti i componenti sono stati scelti per avere bassi tempi di commutazione ma nonostante ciò il circuito non funziona correttamente.
Provo a spiegarvi quello che succede:

il PIC genera un segnale in contro fase che viene applicato sulle basi dei transistor che pilotano in funzione del tempo la corrente che scorre nel trasformatore d' impulso:

schema elettrico.jpg (22.85 KiB) Osservato 11381 volte

Il circuito apparentemente sembrerebbe funzionare correttamente, quando alle basi viene inviato il segnale generato dal PIC il mosfet si chiude mentre appena il segnale cessa il mosfet si apre. Il problema che sorge riguarda invece la corrente media assorbita dal ponte ad H, che anche in assenza del trasformatore d' impulso supera 1A.
Questo secondo me accade perché data l' alta frequenza di commutazione i transistor non riescono ad aprire e chiudere con sufficiente velocità ed i componenti relativi allo stesso ramo rimangono in conduzione contemporaneamente cortocircuitando parzialmente l' alimentazione.

Vi invio due oscillogrammi che chiariscano le mie contorte parole, non riporto le scale delle misurazioni poiché credo non interessino, quello che invece (a mio parere) è interessante notare è la forma distorta dei segnali, questo è il segnale di pilotaggio generato dal PIC:

segnali in controfase generati dal pic.jpg (43.89 KiB) Osservato 11362 volte

Le misurazioni sono effettuate tra massa e i pin di uscita del PIC e la forma d' onda mi sembra corretta, il segnale generato è in contro fase. Qui sotto invece si può notare il segnale prelevato dopo la resistenza di base, la forma d' onda lunge bene dall' essere quadra ed appare pesantemente distorta:

segnali basi transistrors.jpg (41.63 KiB) Osservato 11352 volte

queste invece sono le misurazioni relative ai collettori dei due transistor PNP, come si può notare la pendenza delle fasi di commutazione è estremamente lenta e perciò i transistor si trovano a condurre nello stesso momento rendendo inefficiente il ponte ad H:

segnali transistor stesso ramo.jpg (46.53 KiB) Osservato 11339 volte

Infine aggiungo che se in assenza del trasformatore d' impulso abbasso la frequenza di pilotaggio generata dal PIC la situazione migliora parecchio, le onde si riportano alla forma quadra e l' assorbimento cala portandosi ad un valore accettabile. Purtroppo però questa soluzione non è applicabile, in presenza del trasformatore infatti il calo di frequenza aumenta la corrente che scorre nell' avvolgimento primario portando rapidamente in saturazione il nucleo, la corrente quindi aumenta senza controllo ed io mi ritrovo al punto di partenza.

Mi farebbe molto piacere (oltre che comodo) avere un vostro parere sulla situazione, cioè secondo voi come posso evitare il degrado dell' onda quadra ?

-I problemi possono derivare dalla mancanza di resistenze che limitino la corrente massima nel ramo oppure è più opportuno lavorare sulle basi ?

- Secondo voi la situazione è risolvibile oppure il ponte ad H non è adatto per lavorare a queste frequenze?

Vi ringrazio per l' attenzione e per eventuali risposte!

Ciao

David

[Faustooo]

Ti consiglio per pilotare il trasformatore di impulsi di utilizzare i transistor 2N2222 (NPN) E 2N2907 (PNP) molto veloci e adatti a questi utilizzi.

ciao, Fausto

[brabus]

'a Faustooo,

Mi spieghi come mai sei andato a recuperare una discussione di novembre 2008, consigliando transistor risalenti ad almeno 40 anni fa?

Se non altro abbiamo tutti l'occasione di ripassare il bel lavoro di davidde.