Regolatore PWM Multiuso

[arkypita]

Su suggerimento di qualcuno sono stato invitato a creare una guida alla realizzazione di un alimentatore multiuso. Ciò che troverete in questa pagina NON è propriamente un alimentatore multiuso ma un circuito semplice ed efficace per la regolazione della potenza in corrente continua per potenze che vanno da 0 a 30W.

Si tratta di una mia auto-costruzione di vecchia data che negli anni ho usato e riusato in tutte le salse. E' nato per alimentare un pirografo, poi l'ho usato per regolare la luminosità di una barra-led, poi per un ventilatore e per vari motorini in corrente continua.

Voi lo potrete usare e riadattare (in realtà senza alcuna modifica) per variare la velocità dei vostri agitatori auto-costruiti e la luminosità dei vostri microscopi (a led e non) oltre che per tutti gli usi che la vostra fantasia vi indicherà.

Si basa sul principio della modulazione di ampiezza di impulso (PWM Pulse Width Modulation), ovvero del duty-cycle di un'onda quadra. Questo approccio è molto vantaggioso perché permette di regolare con continuità potenze notevoli senza bisogno di circuiti complessi o di dissipatori. Per una descrizione su questo principio vi rimando alla pagina di wikipedia.

Passiamo al circuito:

   

L'immagine l'ho presa da questo sito dove potete trovare un interessante video di come il circuito regola la potenza.

I valori dei componenti non sono critici, ma vanno scelti con una certa ragione. Dai valori di C1 e di P1 dipende strettamente la frequenza di lavoro del circuito. Frequenze inferiori ai 200Hz non vanno bene se il vostro scopo è alimentare un Led, poiché lo vedreste lampeggiare! Viceversa frequenze alte (>1KHz) poco si sposano con carichi induttivi come motori e elementi riscaldanti.

Per il "tuttofare" che sono andato a costruire ho usato C1 da 100nF e P1 da 50KΩ che fanno lavorare il tutto ad una frequenza di 288Hz. Il conto da fare per determinare la frequenza di lavoro è:

Frequency = 1.44 / (P1 * C1)

dove rispettivamente P1 è espressa in Ohm e C1 in Farad.

I due diodi D1 e D2 sono semplici diodi per piccoli segnali, vanno benissimo dei comuni 1N4148. C2 va bene da 10nF e R1 da 10KΩ.

C3 e D3 servono a proteggere il MOSFET dalle extra-tensioni nel caso si utilizzi il circuito con carichi induttivi (i soliti motori). Possono essere omessi nel caso non stiate utilizzando grosse potenze. Nella mia realizzazione non ci sono.

Veniamo al MOSFET:
Il suo compito è quello di lavorare come un interruttore di potenza (quindi acceso-spento) comandato dal segnale in uscita dal pin 7 dell'integrato 555. Può andare bene qualsiasi mosfet di discreta potenza. Io ho usato un IRF3205 che è in grado di reggere 55V-80A per un massimo di 200W. E' estremamente sovradimensionato per l'uso, ma questo mi ha permesso di evitare di montare un dissipatore.

In vari schemi che ho trovato in giro usano alternativamente IRFZ46N o l' IRF520. Quest'ultimo l'ho provato e posso garantire che va bene.

Nello schema non ho messo la numerazione dei piedini perché dipende da quale mosfet viene usato nello specifico. La si può dedurre dal suo datasheet recuperabile on-line.

Il circuito così dimensionato può essere alimentato da 5 a 15 volt, rigorosamente in corrente continua, e può regolare tranquillamente potenze di 25-30W che con un dissipatore sul mosfet possono salire a 50-60W.

Come ingresso si può usare quindi una batteria tampone da 12V, un alimentatore da computer, lo spinotto accendisigari dell'auto, un pacco di batterie etc etc

Per chi mastica l'inglese consiglio la lettura di questo articolo per approfondire.


Allego una carrellata di immagini del regolatore da me costruito e dei suoi possibili usi.
Attenzione: le foto dei LED non rendono bene la realtà perché fotografare una luce diretta è assai difficile! In realtà sono molto più luminose di quanto sembra in fotografia, tanto per capirci la barra LED a piena potenza illumina a giorno la mia stanza!


Il regolatore assemblato, diversi sorgenti di corrente e diversi utilizzatori.


Pirografo alla massima potenza


Pirografo a media potenza


Faretto LED a media potenza


Faretto LED a piena potenza


Barra LED a bassa potenza


Barra LED a potenza intermedia


Barra LED a piena potenza


Sotto al coperchio, c'è il circuito. Molto semplice effettivamente!

Nella mia realizzazione ho aggiunto due piccoli led verdi, uno in parallelo all'ingresso e l'altro in parallelo all'uscita, per avere un feedback visivo immediato della presenza dell'alimentazione e della potenza in uscita.

[al-ham-bic]

L'avevo fatto anch'io, quasi uguale, (e ce l'ho ancora) per gli usi generali che hai detto.
Robina semplice che funziona.
(bello il sistema del collegamento a pin base-coperchio )

[quimico]

Era un problema del forum mi sa

[EspeditoRusso]

Che non è abbastanza buono per avere più lavoro o di studio sul it.When lavoriamo dobbiamo prenderci cura di principi if not:tossico:

[Beefcotto87]

Vediamo di scrivere italiano! Seconda cosa, evita i quote please.

[Francesco]

Ciao,
Ho provato a fare il circuito suggerito ed è andato tutto bene. lo volevo usare per pilotare una striscia led ma mi sono accorto che l'intensità massima della luce possibile con questo circuito è circa un 30% inferiore al massimo ottenuto attaccando direttamente l'alimentatore alla striscia led in questione. Due considerazioni che magari aiutano, il circuito e la striscia led utilizzano lo stesso alimentatore, (per quanto vale) ho provato con un tester a misurare la tensione su drain e source del mosfet e ho notato una vistosa differenza. Ultima nota; ho usato un IRF520
Qualche idea ?
grazie

[arkypita]

Ciao,
Ho provato a fare il circuito suggerito ed è andato tutto bene. lo volevo usare per pilotare una striscia led ma mi sono accorto che l'intensità massima della luce possibile con questo circuito è circa un 30% inferiore al massimo ottenuto attaccando direttamente l'alimentatore alla striscia led in questione. Due considerazioni che magari aiutano, il circuito e la striscia led utilizzano lo stesso alimentatore, (per quanto vale) ho provato con un tester a misurare la tensione su drain e source del mosfet e ho notato una vistosa differenza. Ultima nota; ho usato un IRF520
Qualche idea ?
grazie

In serata farò una prova per vedere se quello che segnali (diversa luminosità tra alimentazione diretta e alimentazione con controllo al massimo) si verifica anche con la mia realizzazione.

Essendo la regolazione in PWM non è possibile fare misure in tensione con un semplice tester. Per la diagnostica serve un oscilloscopio.

L'ipotesi più semplice è che il circuito di controllo non riesca a coprire tutto il range Ton-Toff che va da 0 al 100%. In poche parole con il potenziometro nella posizione di massimo ti produce un duty-cycle del 70%

Questo è plausibile. La tempistica di Ton-Toff infatti è data dalla carica-scarica del condensatore C1 che avviene tramite P1. Siccome i diodi D1-D2 hanno una caduta di tensione e una resistenza interna minima, ma non trascurabile, la scarica/carica del condensatore non sarà mai immediata.
Questo determina che non è possibile ottenere un Ton = 100%

Lo si vede anche nel primo video postato in questo articolo.

Due domande per capire meglio il tuo problema:
A quanti volt alimenti la barra led? Da quanti watt è la barra led? da quanti watt è l'alimentatore?
Quali sono i valori dei componenti C1, C2, R1, P1 che hai usato? quale sigla ha il diodo?

ps. il fatto che circuito e barra led usino un alimentazione comune è un non-problema. Il 555 è in grado di funzionare su di un ampio range di alimentazione e consuma così poca corrente che è impossibile che ti tolga potenza in quantità visibile.

[Francesco]

Intanto grazie per la risposta.
Purtroppo non ho la possibilità di usare un oscilloscopio, in mancanza ho pensato che il tester avrebbe misurato la variazione del duty cycle come una variazione di tensione perciò la misura che ho fatto lascia il tempo che trova come hai sottolineato tu. Il circuito l'ho realizzato esattamente come da tuo schema alla virgola incluso il diodo che hai suggerito, la striscia led è un metro di una 5050 montata su rgb, il valore nominale è 14,4 W ma in realtà assorbe di meno. Al momento non sono in grado di darti il valore preciso perchè non ho il circuito sotto mano ma se ti serve stasera faccio la misurazione. Il diodo D3 e il condensatore sul mosfet non li ho montati, dato il tipo di carico ho pensato potessero essere omessi come mi sembrava di aver capito dal tuo articolo.
Il tutto è attaccato ad un alimentatore a 12V - 1A
Aggiungo però una considerazione che stavo sviluppando dopo le misure di tensione che avevo; ho preso il datasheet dell' IRF520 e ho trovato che Rds On è di 0,2 ohm ottenuta con una tensione di gate di 10V mentre il MOSFET che hai usato tu IRF3205 ha Rds On 0,007 alle stesse condizioni ... mi pare però che tanta differenza non possa essere giustificata dal mio ragionamento con questi numeri.
a presto.

[arkypita]

Ho fatto delle prove con una barra LED e posso dire che la mia realizzazione non ha perdite significative di potenza, non riesco a notare una differenza di luminosità a occhio nudo. Per valutare con certezza ciò che l'occhio mi dice ho fatto due foto con la macchina fotografica in manuale (stesso tempo/diaframma per entrambi gli scatti) e formato file RAW (che esclude compensazioni fatte dalla macchina stessa).
Questo è il risultato delle due immagini affiancate

   

Purtroppo la mia barra LED è lunga una 20ina di centimetri, e non mi permette di fare prove di assorbimento significative. Ho provato comunque a misurare il duty-cycle che mi risulta molto prossimo al 100%

   

Visto che il resto dei componenti sono gli stessi, è ipotizzabile che la differenza nei nostri due circuiti sia da ricercare o nel mosfet, o nel carico.

Una considerazione sul mosfet: la sua rdsOn influisce sulle prestazioni, è facile calcolare quanto:

La corrente che scorre è 14W/12V = 1.16A
La caduta di tensione sul mosfet (V=R*I) è pari a 0.2ohm*1.16A = 0.232V
Il che significa che la potenza che il mosfet dissipa (W=V*A) è pari a 0.232V*1.16A = 0.27W

Una perdita di potenza di 0.27W su 14W è circa il 2%, quindi sembrerebbe un'altra la causa.

Una altra cosa che ho visto è che il duty cycle a vuoto è veramente il 100% mentre con il carico attaccato il duty scende un po'.

   

Per tagliare la testa al toro e vedere se la perdita di potenza è dovuta ad un duty <100% oppure ad una perdita di potenza sul mosfet puoi provare a scollegare il mosfet dal pin 7 del 555 così da farlo andare in conduzione continua.

In questa situazione puoi misurare la caduta di tensione sul mosfet, che dovrebbe essere circa quella che ho calcolato teoricamente. Se è più alta hai trovato il colpevole.

[Francesco]

Buon giorno,
ieri sera ho fatto due prove seguendo il tuo consiglio di staccare il gain dal pin 7 e l'ho collegato direttamente all'alimentatore, in questa situazione ho misurato una caduta di un volt che è davvero troppo anche se decisamente inferiore rispetto alla caduta che ho con il pin 7 attaccato. L'altra prova che ho fatto è sul potenziometro e anche lì i valori non sono proprio quelli che dovrebbero essere. Stasera cambio sia mosfet che potenziometro e vediamo che succede. Un'altra cosa che ho fatto è cambiare la resistenza R1 con una da 1K anzichè i 10K. Questo valore l'ho ricavato dai link che hai messo nell'articolo dove viene utilizzato l'IRF520 ... a sensazione sembrerebbe un pelo meglio, stupidmente non ho misurato la tensione perciò rimane nell'ambito delle sensazioni.
Se hai tempo puoi spendere due parole sulla R1 di cui ho qualche idea ben confusa sul motivo per cui sia lì e sul suo dimensionamento.
Domani mattina riporto i risultati della sostituzione.
buona giornata !