Soluzione Circuiti Con Transistor

[mg90]

Buonasera, negli ultimi giorni ho dimensionato (seguendo le istruzioni di un sito: http://www.instructables.com/id/Circuits-f...rent-Source-1/) e costruito un circuito che dovrebbe produrre corrente costante. Il circuito funziona, ma vorrei capire da dove vengono le formule per dimensionare le resistenze e vorrei provare a risolverlo con excel usando le leggi di Kirchoff, il risolutore e usando i grafici reperibili dai datasheet. Ho già trasformato i grafici in tabelle e preparato una funzione che interpola i dati. Per il MOSFET, ho il legame Vgs-Ids-Vds (dati due posso trovare il terzo) e lo sto preparando anche per il transistor npn.

Avete consigli in proposito, suggerite di lasciar perdere o di continuare?

[lelerelele]

mi sembra un'impresa degna di nota, (anche se non così semlice come sembrerebbe)

io non so se riuscirei, ti consiglio di usare LTspice, che è gia pronto e ti consente di simulare molto bene con una buona quantità di componenti gia pronti.

guarda qua:

LTspice

oltertutto è anche free.

[GiRock]

In linea di principio è abbastanza semplice, conoscendo la Vbe del transistor NPN che si aggirerà in base al modello utilizzato tra gli 0.5V e 0.6V, ne ricavi il valore del resitore di sensing R3 in rapporto alla corrente dei LEDs, ogni variazione su questa verrà automaticamente a compensare la polarizzazione sulla base del transitor che nella stessa proporzione aumenterà o diminuirà la Vce dove è collegato anche il pin del Gate aprendo e chiudendo il rubinetto del MOSFET in maniera tale da formare una sorta di bilanciamento tra le tensioni e le correnti esistenti nel circuito, l'unico inconveniente di questo semplicistico circuito è che lavora al limite dei parametri senza una sorta di reazione di controllo di sicurezza, se si apre la R sulla base o va in corto potrebbe verificarsi un tragicomico effetto domino ...

Nota: sull'articolo sono consigliati tutti i valori delle resistenze e i modelli dei semiconduttori da utilizzare, per altri non saprei dirti se la stabilità si mantenga costante, ma da quanto ho letto nelle risposte penso proprio di no dato i numerosi problemi riscontrati dagli utenti che hanno sperimentato il circuito con componentistica e correnti differenti...

[ludo69]

il circuito rientra in quelli con anello di retroazione che quindi vanno incontro ai relativi problemi tra cui la stabilità del sistema retroazionato.

Se dovessero sussistere problemi a riguardo allora si potrebbe rendere il circuito più stabile mettendo un resistore in serie alla base del transistor (diciamo 1KOhm?) e poi si dovrebbe mettere tra il collettore e la base dello stesso un condensatore (diciamo 0,1 microFarad?).

Questo rallenterebbe (partendo da Iout=zero) la velocità con la quale il transistor amplificatore di retroazione agirebbe sul gate del Mosfet "attuatore" donando una maggior stabilità al sistema.

Nota:

la Vbe del transisto diminuisce leggermente con la temperatura, ed essendo questa Vbe che determina linearmente la Iout (attraverso la R3) allora si potrebbe pensare di far aderire il corpo del transistor al retro del piastrino dissipativo dove sono posti i LED ad alta luminosità (nel caso che questi LED tu debba alimentare...) in modo da avere anche un altro tipo di reazione negativa che tenderebbe a stabilizzare il sisrtema: se i LED scaldano troppo il transistor avrà una Vbe più bassa che corrisponderà ad una corrente di uscita più bassa che tenderà in parte a limitare il surriscaldamento ulteriore del LED, di contro appena si accendono i led specie in un ambiente molto freddo la Iout sarà un pò maggiore proprio per il motivo opposto.

Una cosa del genere si usa fare anche per stabilizzare il punto di lavoro dei transistor finali degli amplificatori audio in modo da evitare un "effetto valanga", termicamente parlando.

Modificato: 14 novembre 2011 da ludo69

[mg90]

LTSpice lo conoscevo già e non ne sono esaltato perché non so che equazioni usa, preferisco capire bene le cose, tanto si tratta solo di risolvere numericamente equazioni non lineari.

Un problema che ho riscontrato è che i grafici sul datasheet sono quasi tutti inutili perché molti valori utilizzati in questo circuito sono fuori dalla scala del datasheet. Per il MOSFET ad esempio riporta Id in funzione di Vds a vari Vgs (da 2.5 a 15 V) e il circuito, per le condizioni in cui l'ho testato, lavora spesso a basse Vgs (< 2.5 V) pertanto dovrei estrapolare linearmente e l'operazione è imprecisa. Inoltre richiederebbe parecchio tempo scrivere la macro che interpola, pertanto voglio essere sicuro.

Una ulteriore nota peggiorativa è che il LED stesso non rispetta troppo le specifiche del datasheet: a 800 mA il LED ha una ddp di 3.40 V contro i 3.59 V specificati dalla curva I-V del componente. Questa differenza è quasi del 6%, un po' troppo.

Mi è stato suggerito di inserire una resistenza da 100k alla base dell'NPN, forse per evitare destabilizzazioni? Quando si attiva lo switch che sceglie tra due R3 a circuito funzionante,la resistenza di sensing va a 0 e a questo non avevo pensato! Cambia qualcosa di sostanziale se metto questa resistenza aggiuntiva?

Come allego il circuito in fidocadj per far capire dov'è lo switch?

Modificato: 14 novembre 2011 da mg90

[mg90]

Scusa ludo69, ho modificato il messaggio mentre rispondevi, sostanzialmente io ho la resistenza da 100K, il tempo di reazione del circuito aumenterebbe di molto?

[ludo69]

mg90,

il circuito è pensato proprio per operare SENZA fare ipotesi sulla Vgs-th del mosfet, sulla Vled ecc. ecc.

Che della Vled te ne puoi infischiare in fondo lo dici tu stesso: è un generatore di CORRENTE costante, indipendentemente (entro i limiti di funzionamento) dalla Vled che si viene a formare ai capi del led sottoposto a detta corrente.

Considerando che un led si pilota in corrente, della Vled (entro certi limiti) che te ne frega?

La Vgs-th (ovvero la soglia di inizio conduzione del mosfet) è molto variabile da pezzo a pezzo, ovvero se leggi i dati ti dicono che rispetto al valore tipico dichiarato questa può in realtà essere dalla META' al DOPPIO! invece la Vgamma del silicio del transistor (ovvero nel tuo caso la Vbe) è un valore MOLTO più definito (anche se variabile con la temperatura e in un una certa parte dipendente dalla Ic) e non dipendente da questa casualità legata da come il pezzo è "uscito di fabbrica".

Il fenomeno di incertezza dei dati costruttivi è conosciuto come "dispersione delle caratteristiche" e per i transistor, ad esempio, è evidente sul guadagno in corrente!

I circuiti retroazionati servono appunto a far dettare alla rete di retroazione il comportamento del sistema, retrazione che è quasi sempre realizzata con componenti passivi e quindi molto precisi e stabili, immunizzando il circuito dai problemi che la dispersione delle caratteristiche (o "dispersione dei parametri") dei semiconduttori porterebbero alla determinazione delle grandezze elettriche in gioco.

P.S.

è che su 100K la corrente di base farebbe cadere troppa tensione limitando la stabilizzazione di corrente, olte che la sua determinazione

P.P. io sto parlando della R che ti ho consigliato prima di mettere in serie alla base (con il condensatore...), quella tra il collettore e il positivo te la consiglio intorno ai 10K in modo da far scorrere un pelino di corrente nel transistor...

Modificato: 14 novembre 2011 da ludo69

[mg90]

Si, a me serviva la curva I-V del LED per poterlo simulare in excel, ma sto abbandonando l'impresa; ho solo osservato che la curva data dal produttore non si avvicina bene a quella da me verificata. Non escludo problemi di misurazione dovuti al tester.

Comunque seguo il tuo consiglio, se confermi i valori di 0.1 microF per il condensatore tra base e collettore, 1k in serie alla base, diminuisco da 100k a 10k tra positivo e collettore.

Mi fido ciecamente perché per quanto abbia seguito elettrotecnica all'università, non abbiamo avuto il tempo di affrontare tematiche di stabilità, non essendo il corso principale.

Ti ringrazio comunque per l'aiuto che mi stai dando nel migliorare il circuito

PS:Ho letto ora la modifica relativa alla stabilizzazione in temperatura, cercherò di saldare l'NPN il più vicino possibile alla piastra d'alluminio a cui sono collegati il LED, il mosfet e le resistenze.

Modificato: 14 novembre 2011 da mg90

[ludo69]

la dipendenza della Vbe del transistor dalla temperatura era solo poco di più di una scusa per estendere più in astratto il discorso di "sistema retroazionato negativamente" che stabilizza il punto di lavoro voluto dal progettista, ti consiglio quindi di adagiare il transistor sul fondello del supporto del/i led (magari proprio dove sull'altro lato c'è il chip di un led) mentre ti esorto a montare il mosfet su un'aletta NON termicamente a contatto con il fondello dei led, perchè la corrente del circuito NON deve variare con la temperatura del Mosfet, ma se vuoi è bene che vari con quella dei led.

Le retroazioni si studiano sia in elettronica che in sistemi, almeno questo è quello che mi ricordo dei miei trascorsi all' Istituto Tecnico Industriale, quindi se vuoi approfondire potresti cercare in rete slide o .PDF orientati a quei corsi che per te, che sei comunque abituato a testi di complessità universitaria, dovrebbero essere bevuti di un sol colpo (o quasi..)

[mg90]

Sulle retroazioni ho fatto un intero corso, Automatica, quindi capisco di cosa parli; se avessi delle equazioni differenziali per i transistor sarei ancora più felice, ma non le trovo!

Comunque i due transistor e il led sono montati su un'unica piastra in alluminio.

[Livio Orsini]

Mai consultato i vecchi testi sacri come il Millman?

Comunque dovresti prima studiarti i vari modelli a partire da Ebers-Moller ed i vari parametri (r, y, h ed s solo per citare i più noti). Da questi modelli puoi arrivare a capire come si modellizza un circuito a transistor.

[mg90]

Sono riuscito a mettere in excel il modello del transistor IRLIZ44NPbF ma funziona solo nel range dato dal datasheet:

Vgs = 2.5..6 V

Ids = 1..200 A

Vds = 0.1..25V

Il problema principale è Vgs, che nelle 8 misurazioni effettuate sul circuito assume questi valori:

1,25

2,44

3,00

2,19

1,25

2,43

2,15

2,10

quasi tutti sotto i 2.5 V, per cui sto estrapolando, linearmente tra l'altro, e il modello non funziona.

I valori di Ids sono questi:

0,00

0,03

0,50

0,80

0,00

0,03

0,38

0,41

anch'essi tutti sotto l'ampere.

A questo punto mi chiedo: a cosa servano i dati "typical output characteristics" sul datasheet se comprendono una ristretta zona di funzionamento?

[ludo69]

allora, i dati sono questi:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/irliz44n.pdf

e vedi che la Vgs(th) va da 1V a 2V, ora se vedi ad esempio la curva di fig.3 (curva a Tj=25°) noterai che passando da circa 2,25V a circa 3,25V (la stessa variazione concessa dal costruttore a Vgs(th).... ) noterai che l'uscita varia di circa 30A (!!!!!!) il che vuol dire che tu potresti comprare due mosfet di pari sigla e applicandogli un qualcosa come 3,5V potresti leggere in uscita una corrente con una indeterminazione, tra la minima e la massima) di circa 30Ampere!!!!!

Osservando la fig.3 si può poi desumere un'altra cosa: la dipendenza dalla temperatura che solo in un punto pare nulla (almeno tra le 2 temperature rappresentate) a 20A di uscita.

Se tu vedi all'inizio delle curve (tu starai facendo transitare una frazione di amper...) il salto di temperatura 25°...175° è capace di spostarti la Vgs(th) di circa 0,7V, ma ritengo che alle bassissime correnti a cui operi questa deriva termica possa essere più evidente.

In pratica non puoi imporre una Vgs e sperare di sapere quale I sarà in uscita, è più serio cercare di scoprire, fissata la IDrain voluta, in quale CAMPO DI VARIABILITA' dovrei trovare la Vgs reale....

Nota di "colore":

mi è capitato di confrontare, nel campo industriale, due filosofie opposte che generalmente sono applicate rispettivamente dagli americani e dagli europei...

Americani: lo schema è semplice, rustico, quasi banale (ove possibile...) ma utilizzano componentistica già professionale (costosa di fabbrica e con poca "dispersione dei parametri")

Europei (specie tedeschi): si utilizzano componenti commerciali (ove possibile...) e si affida alla TOPOGRAFIA circuitale ed alle retroazioni (ovvero al SISTEMA escogitato dal progettista) affinchè il circuito sia componente-indipendente.

Questo "gonfia" lo schema elettrico, ma l'approviggionamento dei componenti non è problematico come per gli americani dove non solo devi prendere componenti già costosi, ma li devi richiedere a volte "selezionati" e/o addirittura "matchati" a coppie!

[mg90]

Perfetto, allora è come pensavo, abbandono il progetto di modellazione e mi affido alla retroazione; preferisco di gran lunga la filosofia "europea".

Ti ringrazio per avermi fatto notare dal datasheet cose che non avevo notato, per inesperienza.

PS: potresti darmi conferma dei valori delle due resistenze (di base e al positivo) e del condensatore tra base e collettore di qualche post fa? Sono rimasto con rispettivamente 1 K, 10 K e 0.1 uF, ma avevi messo dei punti di domanda, per cui prima di acquistare e assemblare definitivamente il circuito vorrei essere sicuro. Altrimenti lo assemblo così come l'avevo descritto all'inizio e spero non succedano instabilità. Grazie!

[ludo69]

Di nulla,

in fondo sperimentare serve ad addentrarsi nella materia, e se uno schema pure semplice riesce a darci lo spunto per parlare con semplicità e concretezza di problematiche anche poco note, ben venga!

Sui componenti avevo messo un punto di domanda perchè sono frutto di calcoli fatti nemmeno a mente ma a naso oppure, come si dice da noi, son stati fatti i conti dalla "serva".... comunque dovrebbero andar bene così come li hai elencati (in serie alla base 1K, sul collettore 10K e tra base e collettore condensatore 0,1uF).

Ti chiedo solo di infrangere quello che reputo una maleducazione troppo spesso vista nei vari forum dove si chiedono consigli e poi si sparisce: tienici informati dell'evoluzione e dei risultati ottenuti da questa sperimentazione, se vorrai sarà il tuo ringraziamento per l'attenzione ricevuta.

[mg90]

Perfetto! Ora sono nella fase di acquisizione delle componenti rimanenti (non molte), ho testato il circuito e devo aspettare l'arrivo di una lente per collimare il fascio del led. Ho realizzato in solidworks uno schizzo delle componenti per poterle mettere in modo compatto in un contenitore impermeabile, vi terrò informati.

Forse è il caso di cambiare il titolo del topic, ma non saprei cosa mettere.

[mg90]

Ma se la tensione al positivo fosse data da una dinamo raddrizzata, il circuito fornirebbe ugualmente corrente costante?

[Livio Orsini]

Dipende dal ripple e dal limite minimo a cui scende la tensione.

[Mirko Ceronti]

Infatti, poniamo di avere un circuito configurato come generatore di corrente costante alimentato a 12 Volt su una resistenza da 10 Ohm, impostato per una corrente costante di 400 milliAmper.

Accadrà che (per sommi capi) se l’alimentazione, dai 12 Volt originali, scende sotto ai : 10ohm x 0,4amper = 4 Volt, il circuito non riuscirà più (giocoforza) a soddisfare la corrente di set point, poiché sotto quella tensione (4 Volt) sarà impossibile far circolare 400 milliAmper in una resistenza da 10 Ohm.

Comunque volevo fare i miei complimenti a Ludo69, per la sua competenza tecnica e chiarezza di esposizione degli argomenti.

Lo si legge di rado, ma posso con buona approssimazione affermare che appartiene a quella categoria di utenti da cui c’è sempre da imparare qualcosa.

Inoltre è persona che ha molto chiari i concetti di coesistenza ed aiuto reciproco su questo Forum, che anch’io tengo sempre a ribadire e che approfitto per rimarcare.

Saluti

Mirko

[ludo69]

Mirko, grazie, ma non esagerare che poi mi monto la testa......

per ora arrossisco!

[mg90]

Oggi ho disposto i componenti sulla piastra in alluminio faticosamente trovata, li ho fissati con viti autofilettanti (infernali da mettere) e ho messo del grasso al litio per riempire il troppo spazio tra dissipatore e piastra e tra piastra e mosfet/led ad alta potenza. Spero vada bene dal punto di vista termoconduttivo...

[mg90]

Livio Orsini+17/11/2011, 08:48--> (Livio Orsini @ 17/11/2011, 08:48)

Quindi ci vuole un condensatore abbondante in parallelo ai due poli V+ e V- del circuito. Qualcuno può quantificarmi l'ordine di grandezza?

[Livio Orsini]

Dipende, prima di tutto, dal tipo di dinamo che impieghi, poi dall'escursione di velocità. Se la dinamo serve solo come generatore, e non come trasduttore di velocità o altro, mettici un filtro p-greco piuttosto pesante.

Attenzione che con una dinamo, al variare della velocità di rotazione, varierà anche la tensione di armatura.

[mg90]

La dinamo serve solo come generatore. Un filtro pi-greco "pesante" in che senso?

[Livio Orsini]

Nel senso che la frequnza di taglio sia la più bassa possibile.