Post-prefazione

Ciao a tutti, come mi è stato giustamente fatto notare, esistono molte soluzioni integrate per affrontare questo problema. Per chi deve affrontarlo in maniera più professionale, non posso che associarmi e sottoscrivere il consiglio di optare per queste soluzioni. Questo mio approccio, da un lato, può essere visto come un semplice esercizio, ma dall’altro...Per chi, come me, si diletta con l'elettronica, è spesso più facile avere a disposizione in casa un MOSFET che può essere adattato, piuttosto che un circuito integrato specifico per svolgere un determinato compito. D’altronde, è vero che oggi, grazie a internet, si può ottenere quasi qualunque componente elettronico nel giro di pochi giorni, ma, se si cerca materiale originale, i costi di spedizione spesso partono da almeno una ventina di dollari. Per progetti di una certa portata, quei venti dollari possono passare inosservati nel costo complessivo, ma per un mini-progetto la situazione cambia. Con meno di un euro di materiali, ho realizzato questo mini-circuito, partendo dalla simulazione fino al PCB, che ho prodotto in casa utilizzando una 3018, la quale riesce a malapena a realizzare separazioni di 0,3 mm. Un ringraziamento va comunque a chi si è dato la pena di leggere questo "articolo" e commentarlo :)

Cos'è l'inrush current?

L'inrush current, o corrente di spunto, è il picco di corrente che fluisce attraverso un circuito immediatamente dopo la sua accensione. Questo fenomeno si verifica spesso quando si collegano carichi capacitivi o induttivi, come grandi condensatori o trasformatori, a una sorgente di alimentazione.

Nel mio caso specifico, il progetto in questione è un sistema di controllo per telescopi, alimentato tramite USB. All'ingresso del sistema è presente un convertitore step-up, per il quale ho deciso di aggiungere un condensatore elettrolitico da 3000 µF, 6,3V, utile per stabilizzare la tensione e garantire un'alimentazione uniforme. Tuttavia, l'elevata capacità del condensatore ha introdotto un problema imprevisto: alla connessione del sistema, il condensatore vuoto richiede un'elevata corrente iniziale per caricarsi, causando un picco di corrente che mandava il power bank in protezione.

Questa corrente di spunto, per quanto breve, può sovraccaricare i sistemi di alimentazione (come USB o power bank), attivare meccanismi di protezione, o addirittura danneggiare i componenti sensibili. Anche se il PC collegato al sistema non mostrava problemi, il power bank non era in grado di gestire questa situazione, rendendo necessario l'inserimento di un limitatore di inrush current.

Possibili soluzioni per limitare l'inrush current

Per affrontare il problema dell'inrush current, ho considerato diverse soluzioni tecniche. Tra quelle analizzate:

• NTC

• Gestione tramite PMOS controllati dal microcontrollore

Una possibilità era utilizzare un transistor PMOS collegato al microcontrollore per gestire il flusso di corrente in ingresso. Il microcontrollore avrebbe potuto attivare gradualmente il collegamento del carico, controllando il processo di carica del condensatore in modo preciso e programmabile.

• Approccio "analogico"

Un'alternativa era progettare un circuito puramente analogico, indipendente dal microcontrollore. Questa soluzione avrebbe limitato la corrente iniziale in modo autonomo, senza richiedere logica digitale né interventi software.

Dopo aver analizzato i pro e i contro delle varie soluzioni, ho scelto di adottare l'approccio analogico. Nonostante la gestione tramite microcontrollore fosse una strada valida e probabilmente più flessibile, ho trovato l'approccio analogico più interessante dal punto di vista progettuale. Questo metodo mi ha permesso di affrontare il problema in modo più creativo, sfruttando esclusivamente componenti passivi o attivi per risolvere la questione, senza dipendere dalla logica di controllo del sistema principale.

Dal progetto iniziale alla soluzione finale

Prima di arrivare alla soluzione definitiva, ho dedicato del tempo alla ricerca e all'analisi di diverse opzioni disponibili in rete, per prendere spunto e valutare le varie alternative. Ho trovato proposte più o meno complesse, alcune molto ingegnose, ma spesso eccessive rispetto alle esigenze del mio progetto.

Ho iniziato sperimentando, attraverso simulazioni, un sistema che utilizzava un transistor PMOS insieme a due BJT. Questo circuito aveva l'obiettivo di tenere sotto controllo la derivata della variazione di tensione ai capi del condensatore, e quindi la corrente di spunto. L'idea era quella di limitare la velocità di carica del condensatore, garantendo che la corrente non superasse valori critici.

Nonostante il design funzionasse, ho deciso di procedere con un processo di semplificazione, riducendo il numero di componenti e puntando a una soluzione più minimale e robusta. Questo approccio mi ha portato a progettare uno schema più semplice, che mantiene comunque l'efficacia nel limitare l'inrush current.

Ecco lo schema finale su cui si basa il mio limitatore di inrush current.

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Descrizione dello schema finale

Dopo un processo di semplificazione e ottimizzazione, sono arrivato a uno schema minimale ma efficace per limitare l'inrush current. Il circuito si basa sull'uso di un singolo transistor PMOS, combinato con pochi componenti passivi per ottenere il comportamento desiderato.

Funzionamento del circuito

• Resistenza R3 (caricamento iniziale)

La resistenza R3, posizionata in parallelo al PMOS (tra Source e Drain), consente un caricamento iniziale parziale del condensatore C1. Questo passaggio riduce il picco di corrente al momento dell'accensione, evitando che il power bank o la sorgente USB vada in protezione.

• Condensatore C3 e resistenza R2 (ritardo di accensione)

Il condensatore C3, insieme alla resistenza R2, introduce un ritardo nell'attivazione del PMOS. In questo modo, il transistor non si accende immediatamente, lasciando il tempo a R3 di avviare una carica iniziale del condensatore C1.

• Condensatore C2 (effetto Miller)

Il condensatore C2 è collegato per amplificare l'effetto Miller, limitando la derivata della tensione sul Drain del PMOS e, di conseguenza, sulla tensione ai capi del condensatore C1. Questo effetto garantisce una transizione graduale della tensione, controllando la corrente di carica di C1 e riducendo ulteriormente i picchi di corrente.

Oltre ai componenti principali, il circuito include alcuni diodi e resistenze che svolgono ruoli specifici per ottimizzare il funzionamento e garantire la protezione del sistema:

• Diodo D3

Il diodo D3 ha lo scopo di evitare che C2, inizialmente scarico, influenzi il caricamento del condensatore C3. Senza D3, C3 riceverebbe corrente non solo da R2 ma anche da C2, modificando il comportamento atteso.

• Diodi D1 e D4 (ripristino dei condensatori)

I diodi D1 e D4 servono a scaricare C3 e C2 quando l'alimentazione viene rimossa. Questo garantisce che i condensatori si trovino nelle condizioni corrette al momento della successiva accensione, mantenendo il comportamento atteso del circuito.

• Diodo D2 (protezione del power bank)

Il diodo D2 impedisce che il condensatore C1, una volta carico, si scarichi verso il power bank. Questo per evitare eventuali ritorni di corrente che potrebbero danneggiare o alterare il funzionamento della sorgente USB.

• Resistenza R6 (simulazione della resistenza dei cavi)

La resistenza R6 tiene conto della resistenza dei cavi di collegamento tra il power bank e il circuito. Questa resistenza aggiunta simula le cadute di tensione lungo i cavi, contribuendo a una gestione più precisa della corrente e della tensione nel sistema.

Nota sulla simulazione

Va sottolineato che i componenti utilizzati nella simulazione non corrispondono esattamente a quelli impiegati nella realizzazione pratica del circuito. Tuttavia, sono stati scelti modelli con caratteristiche sufficientemente vicine per riprodurre abbastanza fedelmente il comportamento atteso del circuito. Questa discrepanza è dovuta alla disponibilità dei modelli nei software di simulazione, che spesso non includono tutti i componenti reali. Nonostante ciò, la simulazione ha fornito risultati affidabili e utili per validare le scelte progettuali, garantendo che il circuito funzionasse correttamente prima della sua implementazione pratica. Inoltre, un circuito che funziona correttamente solo con componenti attivi specifici e non con altri, anche solo leggermente diversi, potrebbe rivelarsi instabile o poco affidabile. È preferibile progettare un sistema che mantenga il suo funzionamento anche se i componenti variano leggermente nelle caratteristiche, garantendo una maggiore robustezza e tolleranza alle differenze di produzione o alle sostituzioni future.

D'altro canto già altre caratteristiche sono ignote, per esempio la vera resistenza del cavo USB di alimentazione, l'effettivo comportamento del carico in parallelo a C1 (rappresentato da R5), ...

Dal prototipo alle misurazioni sul campo

Simulare è senza dubbio utile per validare le scelte progettuali e prevedere il comportamento del circuito, ma nulla sostituisce le prove sul campo. Dopo aver completato la progettazione e la simulazione, ho realizzato un prototipo e condotto una serie di misurazioni per verificare il funzionamento del limitatore di inrush current in diverse condizioni operative.

Realizzazione del circuito

Il prototipo è stato costruito utilizzando un misto di saldature e collegamenti su breadboard:

• Componenti critici:

Dove le correnti erano elevate o i valori di tensione erano particolarmente critici, ho saldato i componenti direttamente per garantire connessioni affidabili e minimizzare le resistenze parassite.

• Componenti non critici:

Gli altri componenti sono stati collegati tramite breadboard e fili rigidi. Questo approccio ha reso il prototipo flessibile e facilmente modificabile durante le prove, senza compromettere la stabilità del circuito.

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Test eseguito senza carico C3=1uF

• 
• C₃ = 1uF

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Test eseguito senza carico e C3=5uF

• 
• C3 = 5uF

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Test eseguito con R5=20ohm e C3=5µF

• R5 = 20Ω
• C3 = 5uF

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Test finale con circuito "definitivo" inserito nella scheda

• C3 = 5uF

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In questo caso non ho potuto misurare la corrente ma mi sono limitato a misurare la tensione in ingresso (CH2) e quella ai capi del condensatore (CH1).

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Conclusione

Sicuramente si può fare di meglio, ma per il mio scopo questa soluzione è stata sufficiente. Ora il powerbank non entra più in protezione e la mia scheda di controllo per il telescopio fa il suo mestiere, permettendomi di concentrarmi sull'osservazione senza ulteriori complicazioni tecniche. Ogni commento costruttivo o suggerimento per migliorare ulteriormente il progetto sono assolutamente ben accetti!