Boost Converter 600V

[dott.cicala]

Salve a tutti!

Finalmente è tempo di vacanze e per non stare con le mani in mano, vorrei riprendere un progettino iniziato qualche mese fa.

Si tratta di un convertitore boost che deve fornire alla sua uscita una tensione regolabile fra 50 e 600V e una corrente, non continuativa, di 350mA.

Serve ad alimentare uno stadio successivo dove sono presenti protezioni, quindi qui.....non dovrebbe accadere nulla.

 

Sono molto gradite ed attese le vostre opinioni in merito a quanto vado ad esporre di seguito.

 

Si parte dal calcolare il duty cycle, la corrente di ripple e quella di switch, per arrivare all'induttanza.

 

 

Ho scelto come tensione di alimentazione Vin circa 24V, come frequenza di pwm 35kHz e il rendimento l'ho ipotizzato pari a 0.82.

Dai calcoli si ottiene che per una Vout di 50V il duty cycle è 60.6%, mentre per 600V è pari a 96.7%.

L'induttanza richiesta è di 300uH.

A questo punto mi mancherebbe il calcolo del flusso magnetico onde scegliere il nucleo adatto ed evitare che saturi.

Più che altro vorrei usarne uno già in mio possesso ricavato da un alimentatore ATX, di quelli bianchi e gialli...che ad occhio sembra bello grosso

(accuratezza spannometrica)

 

Passiamo al circuito

 

E' composto dal converter vero e proprio, realizzato intorno a Q5 e dal circuito di scarica, realizzato da Q10. Il tutto è governato dal solito pic12F1572.

Al momento non ho previsto alcuna protezione, ma su ogni source c'è la predisposizione della resistenza di shunt eventualmente da ricalcolare, poi si vedrà....Nel pic è integrato un controllo di temperatura la cui soglia è fissata a 70°C oltre la quale, blocca tutto, compreso il circuito di scarica.

Al limite c'è il fusibile e nel caso estremo ho sotto mano un estintore CO2....

 

 

 

[Livio Orsini]

Stefano avrei una curiosità (anche se credo di intuire la risposta).

Perchè usare un PIC come controlloore, più parecchio silicio discreto, quando esistono ragnetti fatti apposta per questa funzione?

[dott.cicala]

Inizialmente volevo usare questo....ma avrei dovuto ordinarlo....e quando parto con un ordine da 6€ poi...aggiungi aggiungi, mi ritrovo con un ordine da 300€ minimo.....e così ho optato per quello che c'è nel cassetto.

 

In casa ho solo il vecchio SG3524 e UC3842 che comunque potrebbero andare bene. Il secondo è addirittura capace di pilotare direttamente il mosfet ed entrambi sono capaci si superare abbondantemente i 100KHz e possono realizzare tutte le protezioni necessarie.

 

A me però servivano due circuiti pwm.

 

Uno per il convertitore e l'altro per il circuito di scarica a corrente costante.

 

Mi serviva inoltre poter variare la tensione di uscita tramite un segnale 0..5V senza interferire sull'anello

 

avere un'indicazione ottica dello stato di funzionamento

 

avere un ingresso di trip che bloccasse il convertitore e contemporaneamente attivasse la scarica dei condensatori.

 

Il pic offre il vantaggio di poter definire ciò che si vuole, semplicemente modificando il codice.

 

Il prezzo da pagare è che non è capace di pilotare come si deve i mosfet  quando il carico non è puramente resistivo e questo mi ha costretto a schierare qualche bjt.

 

Avrei potuto usare un bel mosfet driver come ad esempio il MIC4452 ma il rischio era quanto detto all'inizio

 

Altro inconveniente è che l' AD del pic vuole vedere un'impedenza al suo ingresso non superiore a 2.5K per funzionare correttamente e ciò mi ha costretto, al fine di avere una certa libertà nel dimensionare il partitore di tensione, ad usare un operazionale in qualità di adattatore di impedenza.

 

Nonostante tutto, sono riuscito a realizzare ciò che volevo con quello che avevo a disposizione

 

....sempre che funzioni

 

 

 

 

 

[Livio Orsini]

Sempre per mia curiosità (mi piace capire i ragionamenti che fanno gli altri, e la filosofia che sta alla base delle scelte, quando devono progettare un qualche cosa) se mi spiegassi anche le 2 scelte seguenti mi faresti una cortesia.

 

Perchè scaricare a corrente costante?

Non hai preso in considerazione un convertitore flayback con trasfo in salita? Se si perchè lo hai scartato?

 

 

[dott.cicala]

Nel fly back è presente un trasformatore molto più difficile da realizzare a mano, anche se fornirebbe il vantaggio dell'isolamento galvanico.

Considerando che i nuclei in mio possesso sono tutti di recupero e quindi con caratteristiche ignote, diventerebbe ancora più laborioso ottenere un risultato valido. Inoltre sarei stato costretto ad isolare ogni strato del secondario.

Difficoltoso e voluminoso.

 

Con il boost invece è più facile e modificando un poco la frequenza, si potrebbe anche impiegare un induttore che RS ha a catalogo.

Impossibile invece trovare un trasformatore come servirebbe a me.

 

Ne devo infatti realizzare altri 2. Uno identico e un altro con tensione di uscita max a 300V.

 

Il circuito di scarica in realtà non lavora propriamente a corrente costante, ma fa in modo di scaricare i condensatori nel minor tempo possibile senza cuocere la resistenza di scarica. Maggiore è la tensione in uscita e minore è il duty cycle del circuito di scarica.

 

Interviene allo spegnimento del convertitore, quando va basso il segnale "trip" e anche quando viene richiesta una tensione di uscita molto minore a quella precedentemente impostata.

 

Ma alla fine a cosa servirà tutto questo? 

 

Al tracciacurve.

 

In pratica, voglio eliminare tutti gli altri trasformatori e usare l'energia dei condensatori per ottenere la potenza necessaria durante il breve istante in cui viene tracciata la curva....ma per questo c'è uno stadio che segue quello appena descritto.

 

 

 

 

[Livio Orsini]

Grazie delle spiegazioni.

In effetti c'è una filosofia di fondo che, per le tue esigenze, sembra essere la migliore possibile e tutte le scelte vanno nella direzione giusta.

 

E' un bel compito per le vacanze!

 

Alla fine avrai un tracciacurve allo stato dell'arte della tecnologia e ...... del riciclo.

[tesla88]

Progetto interessante, sopratutto nel suo insieme, per chi come me traffica con valvole sarebbe un bel giocattolino...

Forse sarei partito già con una tensione più alta dei 24V per ridurre le correnti in gioco...
Non leggo bene le sigle dei Mosfet e dei diodi della parte "boost" , ma immagino sian dimensionati bene  
Sicuramente meglio dei boost che tentavo di far funzionare a 14 anni dopo aver  visto un articolo su fare elettronica con il classico UC384x, saranno stati i calcoli spannometrici, ma c'era una moria di mosfet imbarazzante
E' comunque uno di quei progetti dove un po' di distanza dal banco meglio averla !
Seguo con interesse 
 

[gabri-z]

Beh , la distanza di sicuro l'avrà , data la precedente esperienza......

Bel progetto ! 

[dott.cicala]

Il diodo è un  Fast Avalanche Sinterglass Diode BYT56M  VR = 1000 V; IFAV = 3 A

Il mosfet è uno Zener-Protected SuperMESH™ MOSFET  STP8NK100Z   <1.85Ω   6.5 A  160 W

Nello schema figura un K1118 - che è un N channel  π-Mos-II  600V  0.95Ω  6A  45W...che ho provato e funziona ugualmente anche se è troppo tirato...comunque a 700V non si è bruciato anche se arriva a superare i 70°C in ogni condizione.

Non ho capito il perché, la Rds è metà di quella dell' ST 

Invece l' ST rimane tiepidino

 

L'assorbimento del dc-dc non supera 1,6A a 25V.

 

Appena riporto il banco in condizioni dignitose....metto foto 

 

[tesla88]

Pur avendo 0.95Ω  ha una Rthj di 2.77 °C/W contro gli 0.78 °C/W del ST...suppongo sia questa la causa...
L'ST sembra anche un po' più veloce

[dott.cicala]

Circuito test per determinare frequenza e induttanza

Frequenza di test 35.5kHz - induttanza 300uH

Ho usato il k1118 per le prove....l' ST costa troppo 

il "banco" rimesso in ordine

 

Ed ecco cosa succede a far pilotare il mosfet direttamente dal pic quando il carico è induttivo:

 

Fatica ad accendersi....

.....e fatica ancor più a spegnersi.. ma questo lo sapevamo!

la traccia verde è la corrente nella bobina

 

Il nucleo inizia a saturare ?

 

...dopo 2 ore di funzionamento (temperatura ambiente 25°C)

 

temperatura bobina                        temperatura mosfet

 

E adesso vediamo cosa succede con due condensatori da 220uF 450v collegati in serie e posti all'uscita del converter: Ce la farà a caricarli??

 

 

Ce la fa....e per sicurezza sto alimentando a soli 20V

 

E adesso che son belli carichi vediamo...se ci rimango secco....

 

 

 

 

 

 

[dott.cicala]

Raggiunti i 600v   

 

110uF - 600v

 

235uF - 600v

 

la corrente di picco nella bobina è di 1,4A

 

 

[tesla88]

Che periodo avrà il dente di sega che andrai a usare per il tracciacurve? Perchè tirar fuori 350mA a 600V ... diventa una bella botta sul 24V ... ma so che parlavi di corrente non continuativa.

Noto che anche tu ti affidi a un Fluke ! Se non altro ci si può fidare a misurare 600V , io li uso al lavoro per testare il DC Bus di azionamenti dove le correnti non sono uno scherzo !

OT:
Mi interessa  perché è da un po' di tempo che ho nella testa di farmi un alimentatore da banco per provare vari circuiti a valvole, per lo più amplificatori, il target sarà ottenere una tensione variabile fra 60 e 600V con 400 - 500 mA  , continuativi in questi casi. Al momento ho pensato di fare tutto in lineare usando un trasfo avvolto appositamente con diversi secondari in modo da non far diventare una stufa la parte di potenza. Però potrei anche prendere in considerazione l'idea di lavorare in SMPS anche se a questo punto forse varrebbe la pena lavorare in step-down / buck .
So che è un po' OT ma se hai / avete un consiglio, lo terrò presente. 
Sempre OT, nel caso lo realizzassi in maniera "lineare" , cosa usereste come elemento serie ? Mos / Igbt / Bjt ? Da alcune ricerche che ho fatto sembrebbe che usare un vecchio Bjt sarebbe la cosa migliore, BU508 e simili...
 

P.S. X Cicala : so che anche lui ha questi grattacapi -> mentre scrivo sto litigando con Tia Portal e Io-Link , il sito support Siemens , il tutto per far funzionare un lampeggiante degno di qualche Film di fantascienza Ogni tanto penso di prendere tutto e lanciarlo dalla finestra, sopratutto in questi giorni dove ci sono +30°C in ufficio...

[dott.cicala]

Per tracciare la curva I/V pensavo di caricare il serbatoio di condensatori.

Una volta carichi al valore richiesto, il dc-dc viene spento, viene  "attaccato" l'anodo e viene fornita alla griglia controllo la tensione di polarizzazione.

 

Semplificando molto, durante la scarica, vengono acquisiti 500 punti dI/dV.

 

Raggiunto lo zero, viene "staccato" l'anodo, viene variata di uno step la tensione di griglia e ricaricato il serbatoio, quindi il ciclo si ripete per un numero di volte programmabile, in base al numero di curve che si desidera tracciare, minimo 1 per tracciare i diodi, max 11 per tracciare dai triodi in su.

 

Il caso peggiore in termini di energia, è quello dell'anodo. La curva I/V della griglia schermo ne richiede meno.

 

Da tutto ciò sembrerebbe che il periodo dell'impulso sia funzione della Req di placca o di schermo e quindi con tubi di piccolissima potenza, questo tempo diventi lunghissimo con un serbatoio di oltre 230uF....ed ecco perché è presente la sezione di scarica che si trova a monte del circuito di misura della tensione e corrente anodica-schermo.

 

Teoricamente dovrebbero bastare 100uF per tracciare "tutti" i tubi, compresi quelli di potenza.

 

Quindi lo stadio seguente, quello che collega la valvola al dc-dc, oltre a quanto serve per misurare tensione e corrente non è nient'altro che uno switch.

 

Secondo quanto detto, il dc-dc deve solamente essere capace di ricaricare il serbatoio alla massima tensione in un tempo ragionevole che ho stabilito a 5 secondi. Non deve fornire altra potenza, per quello c'è il serbatoio con i suoi 42 Joule a 600V.

 

Al momento sono intorno ai 15" perché altrimenti la bobina supera i 70°C, ma dipende unicamente dal filo smaltato da 0.5 che ho usato. Conto di rifarla con filo da 1mm e quindi salire con la corrente fino a 2.5A

 

Ci vorrà un minuto per ottenere tutta la famiglia di 11 curve...e chi se ne importa, tanto vengono plottate una per una e durante l'attesa si vede l'avanzamento,

 

mi libero però dell'ingombro e del peso di vari trasformatori.

 

Aria Condizionata!

C'è un'azienda molto grande e leader mondiale in un settore...che cerca un programmatore....Lì c'è aria condizionata non solo negli uffici, ma anche nei laboratori, nelle officine...e anche in bagno...E' a poche decine di km da Lecco...se vuoi cambiar lavoro, ti mando la mail dell' HR.

 

TA-portal e IO-Link

 

Non dirmi che stai usando il semaforo balluff 

 

 

 

[tesla88]

Bene ora mi è un po' più chiaro il sistema, l'idea non è male e il minuto per tracciare le curve non penso sia un problema, l'importante  che siano accurate. Sarebbe un ottimo strumento da inserire in Lab, anche nel mio  
Purtroppo sulla parte programmazione coi PIC sono un po' a digiuno, mi riprometto sempre di imparare per bene ma poi ho sempre troppo poco tempo in cui mettermici di impegno, quindi per ora seguo un po' passivamente 

 

Quote

Non dirmi che stai usando il semaforo balluff 

Hai la sfera di cristallo ? E a quanto pare funziona anche  

 

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C'è un'azienda molto grande e leader mondiale in un settore...che cerca un programmatore....Lì c'è aria condizionata non solo negli uffici, ma anche nei laboratori, nelle officine...e anche in bagno...E' a poche decine di km da Lecco...se vuoi cambiar lavoro, ti mando la mail dell' HR.

 

Eheheh non dirlo 2 volte ... anche se l'idea sarebbe mollare tutto e darsi solo alle proprie passioni, peccato che bisogna mettere in tavola qualcosa tutti i giorni...
Per un po' posso sopportare il caldo, tanto dalle 17 di oggi sarò in ferie .
Poi tolta l'aria condizionata, quì ho il vantaggio di essere in una ditta piccola, quindi non mi annoio con progetti troppo simili, e posso ascoltarmi i Pearl Jam alla scrivania senza che qualcuno me lo vieti

[dott.cicala]

Quote

e posso ascoltarmi i Pearl Jam alla scrivania

Beato te....e sicuramente non avrai nemmeno il dress code...

 

[Livio Orsini]

Si possono sempre ascoltare con un mp3 e gli auricolari.

Io per isolarmi, quando stavo in uno stanzone comune, ascoltavo gli zeppelin con miniregistratore a cassette

[gabri-z]

Buone ferie !

Beati voi ...

[Livio Orsini]

Io le vacanze le ho finite.

Gabri, però se tu lavori per le piscine non puoi pensare di andare in vacanza qunado c'è la stagione di punta, è un po' come il bagnino che i si lamenta che non può fare vacanze al mare in estate.

[gabri-z]

Ben capito questo dal principio , ma d'inverno Non si può perché dobbiamo fare impianti nuovi , e d'estate Non si può perché siamo in pochi e qualcuno deve tornare sulle terre d'origine...pur non superando i confini.....

E dici che mi arrabbio per niente ... ?

E non da due anni , ne da cinque , ma sono oltre sedici di anni....

[Livio Orsini]

Quote

ma sono oltre sedici di anni....

 

Stai dicendo che son 5 anni che non fai ferie?

Azz......se è così altro che varicocele

[dott.cicala]

Finalmente sono riuscito a provare il mio driver "esagerato"

sembra funzionare bene