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Premessa
I progressi dell'elettronica nel corso degli anni, hanno interessato non solo lo sviluppo tecnologico, ma anche ridurre al minimo l'ingombro di molti componenti attivi, come circuiti integrati monolitici che sto per presentarvi:
Da tempo sto utilizzando questi circuiti integrati sia nelle riparazioni di schede industriali che nel civile.
L'articolo l'ho pensato per tutti coloro che hanno necessita' di realizzare dei convertitori DC-DC a basso costo, e con tensioni di ingresso che sono comprese tra 85-265 V ac.
Quindi come sempre rispettiamo le normative di sicurezza, e il buon senso quando operiamo con tensioni di rete!
A che serve un Buck Converter
Essenzialmente il Buck Converter appartiene alla tipologia Step Down,ovvero abbassatore di tensione (– VO < VIN) rispetto alla tensione di alimentazione di ingresso.
I due interruttori, pilotati alternativamente in pwm, forniscono un onda quadra al filtro d’uscita LC.
Un breve sguardo alla figura seguente ci mostra che se pilotiamo la tensione media,facendo uso di un interruttore elettronico,regolando la velocita' di apertura e chiusura tra Ton e Toff,la tensione media di uscita del convertitore dipendera' dai tempi menzionati.
Ovviamente un sistema che permette di controllare i tempi di apertura e chiusura e' di tipo 'PWM ovvero modulazione a larghezza di impulsi,o se vogliamo una modulazione predefinita e controllata da un sistema retroazionato che ne modifichera' il ciclo utile,chiamato anche duty cicle.
La frequenza di commutazione e' data da:
Quindi in sostanza la commutazione con frequenza costante viene sempre generata confrontando un segnale di riferimento (Segnale di controllo)continuo.
Fino a molti anni fa era comune utilizzare dei classici Trasformatori,per ridurre la tensione di uscita rispetto
all'entrata.
E cosi l'evolversi della tecnologia che richiede sempre il minor ingombro e minor costo,ha investito moltissimo nelle ricerca e sviluppo di sistemi integrati sempre piu' miniaturizzati.
Topologia High-SideBuck –Direct Feedback
Lo schema sottostante rappresenta il nostro Buck Converter, che opera ad una frequenza di 66 kHz e tramite un induttore di 1 mH, si può prelevare una corrente di uscita di 120 mA.
Se vogliamo alimentare piccoli dispositivi come microcontrollori e tutti quei dispositivi che richiedono bassissima corrente nominale d'impiego, questa e' l'applicazione ideale.
Teniamo conto che l'industria che progetta e sforna elettrodomestici fa largamente uso di questo circuito.
Output Current Table
Nella tabella seguente, possiamo notare la OUTPUT CURRENT TABLE con tutte le caratteristiche tecniche della famiglia di questi dispositivi.
Le lettere CCM significano: Continuous conduction mode.
Ovvero il modo di funzionamento continuo,se la corrente circolante nell'induttore non scende mai a Zero, durante il ciclo di commutazione.
Invece le lettere MCDM significano: Mostly discontinuous conduction mode.
Ovvero il modo di funzionamento discontinuo quandola la corrente assorbita dal carico è molto piccola da essere trasferita in un tempo minore prima che finisce il ciclo completo di commutazione.
Quali sono i campi di applicazione?
Questi dispositivi integrati nascono per sopperire all'utilizzo di un classico trasformatore per ridurre la tensione di
alimentazione di uscita rispetto all'entrata.
Stiamo parlando di un convertitore Step down per alimentare qualsiasi dispositivo che necessita di una tensione continua ad esempio 5-12 Vcc e con una corrente Max di 300 mA.
Ovviamente il tutto e' alimentato dalla rete elettrica, 220 V ac.
Un esempio riguarda le applicazioni sui Led.
Le luci di cortesia notturne utilizzano tale tecnica per accendere uno o due Led, inserendo la spina direttamente nella presa elettrica.
Oppure le schede di controllo MCU che richiedono correnti inferiori ai 300 mA funzionano con questa tecnica.
Piccolo e compatto
Ecco che da alcuni anni la Power Integrations ha messo in commercio dei circuiti integrati particolari che con una manciata di componenti esterni, fanno il loro dovere in tutte quelle applicazioni dove si richiede la compattezza tecnologica.
Vediamo subito le caratteristiche del package disponibili in vari formati:
DIP; SMD; SO;
Frequenza di funzionamento=66 kHz
Tensione massima=700 V
Protezione termica di spegnimento(shutdown)=130°
Consumo tipico=50/80 mW
Consumo tipico in flyback=7/12 mW
Tensione di ingresso= 85-265 V ac
Applicazioni nel campo dei Led
La foto illustra un Pcb embedded per applicazioni di illuminazione a LED per Ex lampade dicroiche alogene, che utilizzano l'attacco GU10:
Il circuito regola la sua corrente di carico fino a 300 mA ed eroga una tensione d'uscita di circa 10 V con tre HB-LED in serie.
Schema Elettrico per alimentare "3LED in serie" direttamente dalla rete elettrica.
Applicazioni Lampade a bulbo
7 W PAR20 LED driver
applicazione.jpg
PCB RDK-193.jpg
Applicazioni Schede industriali
Nel mio laboratorio ho potuto apprezzare diversi progetti gia' collaudati. Questo e' un esempio di una scheda di automastismo di una lavastoviglie. l'assenza di trasformatori rende la scheda molto ridotta e compatta.
Scheda industriale.jpg
Pcb per lampada LED con Attacco GU10
Qui sotto potete notare l'assemblaggio dell'elettronica di potenza, montata a pila da tre circuiti stampati sovrapposti. Il primo in basso e' il circuito primario e si vede la resistenza da 3W di ingresso. In alto vediamo l'induttore di uscita,con il circuito di feedback.
Il tutto andra' a collegarsi sull'attacco del portalampada "GU10".
costruzione.jpg
attacco g10.png
led g10.jpg
gu10.jpg
Analizziamo lo schema a blocchi
block diagram.JPG
Vediamo all'interno il funzionamento dell'integrato:
DRAIN (D) Pin:
Questo Piedino viene collegato alla tensione di ingresso compresa tra 85-265Vac
BYPASS (BP) Pin: Bisogna connettere un condensatore esterno da 0,1uF per alimentare internamente l'integrato con una tensione di Rif 5,8V
FEEDBACK (FB) Pin: Nel funzionamento normale questo piedino controlla la commutazione del Mosfet interno Se la corrente nel Mosfet interno supera i 49uA,il controllo su questo piedino fa spegnere l'alimentatore. la tensione di riferimento e' di 1,65V.
SOURCE (S) Pin:
Questo pin è la connessione del Mosfet interno,e' anche il riferimento per il feedback.
Funzionamento l'integrato contiene uno switch MOSFET di potenza ad alta tensione (700V) con un regolatore di corrente tutto compatto. A differenza dei tradizionali PWM questo effettua un semplice controllo ON/OFF per regolare la tensione di uscita .
il Controllo e' costituito da un oscillatore ed un regolatore 5,8 V. Dispone anche di una protezione termica. Ha un circuito interno per un riavvio automatico,in caso di blocco. La frequenza tipica dell'oscillatore è impostato internamente a circa 66 kHz .
L'oscillatore interno incorpora un circuito che introduce una piccola correzione(jitter) di frequenza, tipicamente 4 kHz per ridurre al minimo le emissioni EMI .
Il Mio Prototipo
Ho voluto inserire una foto di un mio prototipo buck converter,utilizzando dei componenti in mio possesso.
Componenti.jpg
In primo piano si puo vedere il PCB nudo ed alcuni componenti.
Nella prossima parte inseriro' anche le misure fatte con volmetro e oscilloscopio come da datasheet.
Analisi segnali scheda controllo
Il circuito in esame e' quello seguente in figura:
L'ingresso accetta una tensione di alimentazione compresa tra 85 e 260 V ac che viene poi rettificata dai due diodi in serie.
La resistenza in ingresso limita la corrente e viene usata come fusibile.
La rete di retroazione deve consentire di controllare costantemente il carico sull'uscita,tramite il piedino fb.
Le misure che seguono le ho fatte su una scheda per automazione civile.
Nell'immagine sottostante si vedono le due sonde attaccate,sul Diodo ingresso Rete,e la seconda sonda sull'induttanza.
misure_2.jpg
Il primo canale sopra mostra la tensione pulsante.
Mentre sul secondo canale si nota la tensione alternata residua(ripple) dopo l'induttanza. Quando il Diodo e' in conduzione il condensatore si carica e cede energia al carico.
Ma l'effetto che ne deriva e' un linea discontinua dovuto proprio alla scarica del condensatore nel momento in cui cede la sua energia accumulata nella fase in cui il diodo non conduce.
Data la bassa corrente richiesta sul carico,le capacita' dei condensatori sono molto contenute
Misure_3.jpg
Circuito R -C -D
Questo circuito consente la protezione del mosfet,poiche' quando ai suoi capi ha un carico induttivo,e trovandosi istantaneamente dalla conduzione all'interdizione la tensione ai capi di drain e source e' molto elevata prima che scenda a "Zero".
L'oscillatore armonico smorzato
L'argomento e' abbastanza complesso da spiegare quindi mi limitero' ad indicarne solo la funzione.
il segnale visualizzato all'oscilloscopio sul Drain e' di tipo sottosmorzato. Questo perché si hanno i poli a parte reale negativa che indicano la presenza di esponenziali decrescenti, i quali smorzano esponenzialmente le oscillazioni;
oscillatore.jpg
fase del moto oscillatorio.jpg
Ampiezza del Segnale sul secondario del trasformatore:
Transitorio-sec.trasf..jpg
Frequency Jitter
Una curiosita' che non avevo considerato: LNK306 L'oscillatore LinkSwitch incorpora un circuito che introduce una piccola quantità di jitter frequenza tipicamente di 4KHz,per minimizzare le emissioni EMI.
frequency-_itter.jpg
Tensione di feedback
Come menzionato nel datasheet del componente la tensione di feedback ' fissata per 1,65V. Nel funzionamento normale questo piedino controlla la commutazione del Mosfet interno Se la corrente nel Mosfet interno supera i 49uA,il controllo su questo piedino fa spegnere l'alimentatore. la tensione di riferimento e' di 1,65V.
tensione di feedback.jpg
Segue
Bibliografia: Elettronica di potenza (Mohan Ned; Undeland Tore M.;Robbins William P)
bibliografia.jpg
Sistemi di elettronica di potenza - Generalita sugli interruttori di potenza a semiconduttore - Concetti fondamentali sui circuiti elettrici e magnetici - Simulazione al computer di convertitori e sistemi elettronici di potenza - Raddrizzatori a diodi a frequenza di linea: da alternata a continua senza controllo - Raddrizzatori e inverter a frequenza di linea con controllo di fase: da alternata a continua controllata - Convertitori dc-dc a commutazione - Inverter dc-ac a commutazione - Convertitori risonanti: commutazione a tensione zero e/o corrente zero - Alimentatori switching in continua - Dispositivi per la qualita dell'energia e gruppi di continuita - Applicazioni in ambito domestico e industriale - Applicazioni per le reti elettriche - Ottimizzazione dell'interfaccia tra la rete elettrica e i sistemi elettronici di potenza.
