Protezione per alimentatori


In altre pagine (in allestimento, ndr) descriviamo il progetto degli Alimentatori illustrando nel dettaglio come utilizzare LTspice per sviluppare i circuiti. Converter a commutazione (Switching Mode Power Supply) in primis naturalmente, ma le potenzialità del software vanno ben oltre. In una recente occasione ci è stato chiesto quale funzione ausiliaria può rendere maggiormente affidabile un alimentatore. Diamo seguito a questa domanda proponendo un esempio concreto. Poichè diversi sistemi ed apparati presentano picchi di assorbimento molto brevi nasce l'esigenza di predisporre un controllo che intervenga nel proteggere il circuito da sovracorrenti istantanee, dato lo scopo divulgativo di questa nota è utile inoltre che tale protezione risulti di applicazione flessibile in modo da adattarsi ad ogni regolatore di tensione. Impiegare uno dei molti circuiti integrati per alimentazione garantiti da eccessi termici, inversione della polarità, eccetera, non è automaticamente la soluzione ideale a questo problema. Se ci si sofferma solo ai termini tecnici le caratteristiche di questi dispositivi (molti dei quali presenti nelle librerie del software) sono senz'altro notevoli. In generale infatti la funzione di limitazione della corrente massima è uno standard, perchè dunque sviluppare un circuito specifico per la medesima necessità?

Il fattore discriminante è la velocità, fatta salva la risposta del converter e/o regolatore alle piccole e medie variazioni di carico quando si tratta di grandi escursioni di corrente taluni dispositivi agiscono con relativa lentezza sia per ragioni strutturali che per considerazioni di impiego. Ciò significa che la funzione di limitazione di un alimentatore standard si dimostra attiva su tempi scala relativamente lunghi ma fallisce durante i picchi ed i primi istanti di superamento della soglia di intervento. Non è sempre così naturalmente, si deve però tenere conto che i produttori dei dispositivi di potenza vengono incontro alle tipiche esigenze applicative dove solitamente un picco di carico molto breve viene considerato accettabile, allo stesso tempo nei sistemi di alimentazione si pone all'uscita condensatori di grande valore che agiscono riducendo il gradiente di variazione della corrente. La situazione cambia radicalmente quando ad un alimentatore viene richiesta contemporaneamente un rapida regolazione della tensione in uscita per carichi non eccessivi ed allo stesso modo un immediato intervento di limitazione quando la corrente supera un prefissato valore. Ritroviamo queste necessità ogni qual volta si debba alimentare un circuito cui garantire l'integrità indipendentemente dalle condizioni di lavoro, magari perchè sono presenti componenti sensibili, oppure si abbia il bisogno di fornire una robusta alimentazione a sistemi composti da più circuiti che possono commutare o variare il carico in modo non prevedibile. In quest'ultima categoria rientrano sia i circuiti di pilotaggio industriale che alcune schede a microprocessore, accomunate da un comportamento dinamico per certi versi simile.

Vi proponiamo di valutare su LTspice un circuito particolarmente semplice che presenta il non piccolo vantaggio di adattarsi a qualsiasi stadio di alimentazione che operi nell'intervallo di tensione di ingresso sui 10-25 Volt e per potenze fino a 100 Watt. Ovvero correnti anche maggiori di 5 A. Lo Schema elettrico del circuito è visibile in figura 1.

Schema elettrico del circuito di protezione per alimentatore

Figura 1: Schema elettrico del circuito di protezione

Come si osserva la protezione va inserita a monte del convertitore DC/DC o del regolatore di tensione, qui genericamente proposto nell'area grigia. La protezione è realizzata come si vede attorno ad un comune transistor ed un MOSFET di potenza. L'operazione è dunque ridotta al minimo. Il cuore del circuito si basa sul MOSFET Q2, un dispositivo serie IFRxxxx da 10 Ampere. Nella normale operatività le resistenze R1 ed R2 agendo quale partitore polarizzano il gate del dispositivo a circa la metà della tensione Vin. In tali condizioni Q2 è in piena conduzione presentando una resistenza tra il terminale source e drain molto bassa tipicamente sull'ordine delle decine di milliohm. Nella pratica quasi un corto-circuito. Questa situazione di riposo è dipendente dalla corrente che attraversa R3, quando il carico richiede una maggiore corrente tale che sulla resistenza viene a determinarsi una differenza di potenziale superiore a circa 0.7 Volt per mezzo di R4 la base del transistor Q1 (un 2N3906 od uno qualsiasi dei suoi equivalenti) viene polarizzata direttamente, questo porta in conduzione il transistor che è posto in parallelo alla R1. Per conseguenza la tensione tra gate e source di Q2 viene a ridursi portando il MOSFET fuori dallo stato di conduzione. La sua resistenza interna aumenta limitando la corrente che può essere erogata al successivo stadio di regolazione.

Il meccanismo opera vincolando la massima corrente che attraversa Q2 alla tensione che viene a crearsi ai capi di R3. Scegliendo opportunamente il valore di questa resistenza si determina pertanto il punto di intervento della protezione ovvero il valore della corrente di soglia oltre la quale il circuito entra in azione. Per semplicità i valori iniziali di R3, ovvero i punti di partenza per effettuare le simulazioni tramite software, sono riassunti nella tabella che segue per diverse correnti di intervento.

Corrente di limitazioneR3Note
100 mA6 Ω1/4 Watt
300 mA2 Ω1/2 Watt
1000 mA0.6 Ω1 Watt
5000 mA0.12 Ω4 Watt

E' interessante osservare che il circuito proposto, capace di operare con correnti di più Ampere, è allo stesso tempo adatto a controllare valori anche bassi a partire da pochi mA. Oltre che protezione, nel senso più comune del termine, questo schema può risultare utile nell'aggiungere ad un alimentatore un sistema di regolazione indipendente per tensione e corrente. Lo schema come avete osservato richiede pochi componenti, l'ideale per integrare i progetti che eseguite con LTspice acquisendo nel contempo esperienza con questo ambiente di sviluppo.


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