4.2 Scheda 1
4.2.1 Componenti utilizzati e funzionamento
Nello schematico possiamo distinguere una parte di controllo e una parte di potenza.
La parte di controllo `e costituita da regolatore, PIC, comparatore e
driver. Vediamoli nel dettaglio:
• Regolatore: si tratta del regolatore ”L7805CV” della famiglia ”L78XX”
di ST [13]. Questo regolatore `e in grado di generare in uscita la ten- sione a 5 V regolata necessaria per il corretto funzionamento del PIC. Il regolatore `e stato montato sulla scheda secondo le specifiche date dal costruttore nei data-sheet, cio`e con un condensatore in ingresso da 0.33 µF ed uno in uscita da 0.1 µF, come si vede in figura 4.6.
Figura 4.6: Regolatore di tensione con i due condensatori di ingresso e uscita
• PIC: si tratta del microcontrollore PIC 16F676 [14] di Microchip.
Il programma di controllo viene caricato sulla program memory FLASH 1K × 14 attraverso il programmatore PICkit1 FLASH STARTER KIT di Microchip (mostrato in figura 4.7). Lo stesso programma viene scritto direttamente in assembler attraverso l’ambiente di sviluppo ”MPLAB IDE” di Microchip e assemblato con l’assemblatore dato in dotazione con ”PICkit1 FLASH STARTER KIT”. Successivamente viene caricato nel PIC via USB.
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 31
Figura 4.7: Scheda di programmazione del PIC, ”PICkit1 FLASH STARTER KIT”
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 32
• Comparatore: `e stato implementato utilizzando l’integrato AD826
di Analog Devices [15]. Questo chip contiene due amplificatori opera- zionali. Applicando sugli ingressi invertenti una tensione costante di 2.5 V e utilizzando una configurazione ad anello aperto, si ottengono due comparatori. Le caratteristiche di velocit`a dell’AD826 sono pi`u che sufficienti per le nostre esigenze, lavorando il nostro circuito ad una frequenza inferiore al Megahertz. Infatti [15]:
– Unity Gain Bandwidth typ. = 35 MHz – Settling Time = 70 ns
• Driver MOS: si tratta del driver IR2110 [16] di International Rectifier.
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E un integrato avente due ingressi e due uscite adatte a pilotare due MOS distinti, contemporaneamente. Il driver `e stato utilizzato in ma- niera anomala, non essendo i nostri due MOS riferiti n`e a massa, n`e alla tensione di alimentazione, ma bens`ı flottanti. La configurazione ti- pica infatti richiederebbe che i due MOS fossero riferiti ad una tensione fissa. Questo `e stato causa di problemi come si vedr`a pi`u avanti. Di seguito descriveremo il funzionamento della parte di controllo: il PIC, opportunamente programmato, genera i due impulsi di controllo (Ra0 ed
Ra1). Ra0 controlla l’apertura e la chiusura del MOS della parte positiva,
mentre Ra1 controlla il MOS della parte di aiuto negativa.
I segnali generati dal PIC variano su due livelli: 0 ÷ 5 V. Per pilotare il
driver sono invece necessari segnali che varino nel range 0 ÷ 15 V, per questo
motivo `e stato messo il comparatore, che opera da rigeneratore dei livelli. Quest’ultimo ha una soglia a 2.5 V posta sull’ingresso invertente dell’ope- razionale. Inviando quindi le uscite del PIC agli ingressi non invertenti, si ha che se Ra0 = 0 < 2.5 V l’uscita del comparatore sar`a bassa (0), mentre
se Ra0 = 5 V > 2.5 V l’uscita del comparatore sar`a alta (15V ). Analogo
discorso vale, ovviamente, per Ra1.
In questo modo viene controllato il driver che `e in grado di generare i giusti segnali di pilotaggio per i MOS.
La parte di potenza `e costituita dai seguenti elementi:
• E1 ed E2: batterie di carica positiva e negativa rispettivamente. La
tensione usata dipende dal singolo esperimento in base al livello di saturazione che si ha intenzione di raggiungere ed ai tempi di apertura e chiusura dei MOS.
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 33
• C1 ed C2: condensatori elettrolitici da 1000 µF e tensione di rottura di
100 V pi`u che sufficiente per i nostri scopi.
• MOS: sono due MOS di media potenza IRF1310N di International Rec-
tifier [17]. Questo componente ha caratteristiche di potenza e velocit`a adatte ai nostri scopi. Infatti una VDSS = 100 V ed una ID = 42 A
garantiscono un’adeguata robustezza. Mentre tempi come [td(on)+ tr] = 67 ns
ed
[td(of f )+ tf] = 85 ns
permettono di gestire gli impulsi con i quali abbiamo a che fare che hanno una ampiezza minima di 1 µs, essendo la massima frequenza di lavoro pari a 1 MHz.
• C: il condensatore di oscillazione. Il suo valore varia in base alla fre-
quenza di oscillazione che si vuole ottenere. La scelta `e caduta su con- densatori in poliestere, un tipo di condensatore che minimizza le perdite ed ha un buon funzionamento in un vasto range di frequenze. Mini- mizzare le perdite `e un aspetto importante per limitare l’attenuazione di energia durante le oscillazioni libere.
• Ferrite: si tratta della ferrite soffice N27 avente le seguenti caratteri-
stiche:
– Induzione di saturazione: 500 mT
– Campo magnetico di saturazione: 1200A m – Permeabilit`a iniziale: 2000 ± 25% – Temperatura di Curie: > 220oC – Resistivit`a: 3 Ω m – Lunghezza equivalente: 46.3 mm – Sezione equivalente: 32.1 mm2 – Fattore di induzione: 1300 nH spire2
Questo provino di ferrite `e costituito da un nucleo primario ed uno secondario, avente ciascuno 5 spire. Avendo, infatti, un rapporto spire unitario, i calcoli per determinare B ed H sono un poco pi`u semplici.
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 34 Per chiarezza descriveremo il funzionamento della parte di potenza per punti:
1. M1 ed M2 aperti: le due sezioni di carica si caricano con una costante
di tempo di circa τ = R1C1 = R2C2 = 1 s.
2. M1 chiuso ed M2 aperto: la carica immagazzinata nel condensatore
C1 si trasferisce al sistema ferrite-C.
3. M1 aperto ed M2 aperto: non essendoci pi`u vie di fuga per la cor-
rente, si innesca l’oscillazione smorzata tra ferrite ed il condensatore
C.
4. M1 aperto ed M2 chiuso: questo `e il momento dell’aiuto negativo.
`
E infatti in questo intervallo di tempo che il condensatore C2 aiuta,
con la sua carica negativa, il picco negativo della corrente nella ferrite e quindi del campo H, permettendo una buona saturazione negativa.
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 35