In questa versione si `e cercato di porre rimedio al problema della fragilit`a dei driver sostituendoli con dei trasformatori di impulso (pulse-transformer ) in grado di trasferire impulsi dal primario al secondario fino alla frequenza di 1 MHz. In figura 4.9 riportiamo lo schematico di scheda2.
− + 2,5 V PIC 16F676 regolatore 17805CV 5V 5V regolati Ra0 Ra1 E1 R1 C1 C ferrite C2 R2 E2
tensione sul secondario +
- AD 826AN
parte positiva parte di aiuto negativa
− + − + 15V 15V misura di corrente Q1 Q2 D1 D2 D3 D4 D5 D6 Rp1 Rp2 Ra Rb Rc AD826 M1 M2 Pulse transformer
parte positiva parte negativa
Pulse transformer
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 37 La parte di potenza `e uguale a quella di scheda1, ci`o che cambia `e la
parte di controllo con l’inserimento dei pulse-transformer e della circuiteria
adatta al loro pilotaggio.
4.3.1
Componenti utilizzati e funzionamento
Il gruppo regolatore-PIC-comparatore rimane uguale alla precedente scheda. Elenchiamo di seguito i componenti che sono cambiati.
1. Pulse-transformer: si tratta del modello 1001 di C&D Technologies [18]. `E un trasformatore di impulso con un rapporto spire di 1:1 adatto per il trasferimento di impulsi fino alla frequenza di 1 MHz.
2. Diodi D3 e D4: sono i diodi di flyback (o di circolazione) dei pulse-
transformers. Servono per scaricare le sovratensioni negative che ven- gono a crearsi, a causa dell’inerzialit`a alle variazioni di corrente dei trasformatori, quando i BJT interrompono bruscamente la corrente nel primario.
3. BJT Q1 e Q2: sono due BJT di media potenza TIP41 di Faichild
Semiconductor [19]. Il loro compito `e quello di controllare il fluire della corrente nel primario dei pulse-transformers. Il prodotto guadagno- banda (PGB) `e fT = 3 MHz, pi`u che sufficiente per trasmettere i nostri
impulsi.
4. Diodi Shottky: tra base e collettore dei BJT sono stati posti questi due diodi in modo da evitare la saturazione della base. Fenomeno che farebbe perdere, nella fase di spegnimento del BJT, un tempo di circa 4 ÷ 5 µs inaccettabile per le nostre specifiche.
5. Potenziometri RP 1 ed RP 2: sono stati messi per modulare l’intensit`a
di corrente nella base dei BJT. Operano nel range di resistenza [0 ÷ 10 KΩ].
A causa della rottura della sonda ad effetto Hall, che permetteva di mi- surare la corrente in maniera precisa e non invasiva, si `e dovuto utilizzare un
circuito per la misura della corrente nel primario della ferrite.
In figura 4.10 viene mostrato il circuito per il prelievo e la misura della corrente.
Vediamone il funzionamento: la resistenza Ra = 0.4 Ω ha il compito di
prelevare la tensione V+ proporzionale alla corrente proveniente dal primario
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 38 − + misura di corrente Ra Rb Rc AD826
Corrente proveniente dal primario della ferrite
V+ V- Vu
Figura 4.10: Schematico del circuito per la misura della corrente nel primario della ferrite
V+= Raif err
dove if err `e la corrente che scorre nel primario della ferrite. L’ordine di
grandezza di if err, in dipendenza dalle misure effettuate, `e tra 1 A e 2 A. In
questo modo si ottiene V+ ∈ [0.4 V ÷ 0.8 V] che `e un range di tensioni ben
gestibile dall’AD826 [15].
In fine, scegliendo Rc= 10 KΩ ed Rb = 1 KΩ, si ha che:
Vu = µ 1 + Rc Rb ¶ V+ ∈ [4, 4 V ÷ 8, 8 V]
in questo modo misurando Vu abbiamo una misura di della corrente che
scorre nel primario della ferrite:
if err =
V+
Ra
Possiamo adesso vedere il funzionamento della nuova parte di control- lo. La trasmissione degli impulsi di controllo (provenienti dal sistema PIC- comparatore) ai MOS avviene, come detto, tramite i due trasformatori di
pulso. In questa versione della scheda, il controllo dei trasformatori avvie-
ne in corrente, nella seguente maniera: quando sulla base del BJT arriva l’impulso positivo questi comincia a condurre, entrando successivamente in una zona di quasi-saturazione, zona di funzionamento nella quale la tensio- ne collettore-emettitore (VCE) `e pari al massimo ad 1.5 V, come si legge sui
data-sheet del TIP41 [19]. In questo modo il trasformatore trasmette un im- pulso di (15 − 1.5) V = 13.5 V sulla VGS dei MOS, permettendo la chiusura
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 39
4.3.2
Problemi riscontrati
Le problematiche poste da questo circuito sono, effettivamente, quelle che hanno impedito di innalzare la frequenza di lavoro. Il problema principale riguarda la trasmissione degli impulsi tra PIC e MOS. In particolare si nota un evidente allungamento degli impulsi ed una deteriorazione dei fronti di salita e di discesa. In figura 4.11 mostriamo un’immagine di una schermata dell’oscilloscopio con riportati gli impulsi del PIC ed i corrispondenti impulsi in uscita dal pulse-transformer.
Figura 4.11: Schermata di confronto tra gli impulsi in uscita dal PIC ed in ingresso ai MOS
Mentre nelle figure 4.12 ed 4.13 riportiamo una schematizzazione delle distorsioni apportate agli impulsi dal sistema BJT-trasformatore, rispettiva- mente per la parte negativa e positiva.
Tali distorsioni sono limitanti per quanto riguarda la massima frequenza
raggiungibile dal sistema. Infatti, con questi impulsi, la minima distanza
ottenibile tra la fine dell’impulso positivo e quella dell’impulso negativo `e di circa 10 µs (come si vede in figura 4.14). Il periodo dell’onda di corrente sar`a di circa 20 µs, corrispondenti ad una frequenza di 50 KHz. Questa `e appunto la massima frequenza raggiungibile con questa scheda.
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 40
1.04 uS 2.08uS 9.36uS 2.48uS 12 uS
t
t
Impulso in uscita dal PIC
Impulso in arrivo al MOS (Vgs)
Figura 4.12: Rappresentazione schematica di confronto tra gli impulsi in uscita dal PIC ed in ingresso al MOS della parte negativa
1.36 uS 3.28uS 7.28uS 3.92uS 12 uS
t
t
Impulso in uscita dal PIC
Impulso in arrivo al MOS (Vgs)
Figura 4.13: Rappresentazione schematica di confronto tra gli impulsi in uscita dal PIC ed in ingresso al MOS della parte positiva
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 41
4us 8us 4us
9us 2us 8us
10us
t
t
t Impulsi in uscita dal PIC
Impulsi sui MOS (Vgs)
Corrente nel primario della ferrite
Semiperiodo=10us Periodo=20us Frequenza=50kHz
Figura 4.14: Rappresentazione schematica degli impulsi in uscita dal PIC, di quelli che arrivano ai MOS (VGS) e della corrente nel primario della ferrite
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 42 Comunque la generazione degli impulsi per fare le misure sotto i 50 KHz `e buona come si vede nelle seguenti figure (4.15 ed 4.16):
Figura 4.15: Impulsi in uscita dal PIC ed in ingresso al MOS, per la parte
positiva
Figura 4.16: Impulsi in uscita dal PIC ed in ingresso al MOS, per la parte
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 43
4.3.3
Commenti
Ad una prima analisi, il problema sembrava risiedere nella saturazione dei
BJT, per questo motivo sono stati posti i diodi Shottky, i quali non hanno
per`o sortito l’effetto sperato. Perci`o si `e dedotto che la causa della distorsione degli impulsi dovesse essere una questione di carattere fisico riguardante l’i- nerzialit`a alle variazioni di corrente tipiche delle induttanze, nel caso specifico si tratterebbe dei trasformatori di pulso.
Di fatto `e per questo motivo che `e stata fatta la scelta di cambiare il ti- po di pilotaggio dei pulse transformer, nella speranza di ridurre i sopracitati effetti di inerzialit`a alla corrente.
In ogni caso restano dubbi sul fatto che i BJT possano andare lo stesso in saturazione nonostante i diodi Shottky posti tra base e collettore. Sareb- be stato di conforto trovare dei BJT-Shottky di adeguate caratteristiche, in modo da avere la sicurezza della non-saturazione profonda dei bipolari. Cosa che non `e stata possibile.
CAPITOLO 4. DESCRIZIONE FISICA DEI CIRCUITI 44