Regolatore PWM Multiuso

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 http://it.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation#Applicazionipagina 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 http://www.dprg.org/tutorials/2005-11a/index.htmlquesto 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.

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 )

Era un problema del forum mi sa

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

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

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

Francesco ha scritto:

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.

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.

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.

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 !

Francesco ha scritto:

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.

Nell'articolo iniziale c'erano alcuni errori che ora ho provveduto a correggere. Innanzitutto la formula citata era:

Frequency = 1.44 / (R1 * C1)

Dalla quale sembra che sia R1 a determinare la frequenza di lavoro. In realtà a determinare la frequenza di lavoro è P1. Il quale, con la sua posizione, determina anche il duty-cycle. Il motivo per cui R1 è presente nel circuito è spiegato in questo link:

The discharge pin is used to drive the output. In this case, the output is a IRFZ46N MOSFET. The gate of the MOSFET must be pulled high as the discharge pin is open collector only. Being an N channel MOSFET, the IRFZ46N will conduct from drain to source when the gate pin rises above 4 volts or so. It will stop conducting when the gate voltage falls below this voltage. The configuration of the output also serves to invert the signal from the 555 circuit.

Cosa significa questo open collector? Significa che il 555 con l'uscita a livello logico 0 mette il suo pin 7 a massa (chiudendo un transistor interno) mentre a livello logico 1 lo mette "flottante" quindi non fornisce ne tensione ne corrente. Il pin 7 quindi non può essere collegato direttamente al gate perché non sarebbe in grado di portare in conduzione (chiudere) il mosfet. La resistenza R1 è quindi necessaria a chiudere il nostro mosfet e va dimensionata in base al tipo di mosfet scelto e alla tensione di alimentazione del circuito affinché fornisca una corrente sufficiente a far chiudere il mosfet. Di solito questa corrente è molto molto bassa e quindi si può usare con tranquillità una resistenza da 1K-10K.

Un'altra cosa che ho fatto è cambiare la resistenza R1 con una da 1K anzichè i 10K

Hai fatto bene: in linea di max più è bassa e più e veloce la chiusura del mosfet. Conta che ogni mosfet ha una capacità parassita tra gate e source, che rende la sua risposta non immediata. Questa capacità (la trovi sui datasheet) si carica tramite la R1 e si scarica tramite il pin 7. A seconda del tipo di mos tale capacità può essere rilevante, in particolare su i mospower, e diventano necessarie correnti istantanee anche di svariate centinaia di mA per poter aprire e chiudere il gate in tempi brevissimi. Non è questo comunque il nostro caso, sia per le potenze in gioco che per le frequenze. Ripeto: hai fatto bene a metterla da 1K ma non è consigliato scendere sotto certi valori perché, oltre a essere del tutto inutile, diventa dannoso per il 555 che si troverebbe ad assorbire troppa corrente quando il livello dell'uscita è basso. spero di esserti stato utile

Buon giorno a tutti, ieri giornata di acquisti! Un mosfet IRF520 nuovo di zecca, un IRF3205 e un bel potenziometro da 50K. Appena ho sostituito il MOSFET si è messo a funzionare alla grande! giusto per curiosità ho montato anche l'IRF3205 e la situazione è migliorata ulteriormente; con quest'ultimo recupero poco più di 0,2 volt e il guadagno sulla luminosità massima dei led è migliorata ancora anche se di poco poco. Molto molto felice! adesso non mi rimane che mettere tutto su una millefori ed inscatolare il tutto. Grazie ad arkypita per la collaborazione e lo sbattimento. Della formula mi ero accorto leggendo l'articolo di cui avevi messo il link e mi ero dimenticato di avvertirti. due cose ancora se hai tempo e voglia: 1) Ho provato a cercare su internet ma ti giuro che non riesco a capire la questione del flottante e come questo possa attivare un (passami il termine) richiamo di corrente dalla R1 o inibirlo. 2) facendo le mie solite misure con il tester ho trovato in uscita (con carico attaccato) una tensione che andava leggermente in negativo quando il duty cycle era al minimo. ci ho messo un diodo e adesso mi rimane attorno ai 0,5 V positivi (scusa ma non saprei come altro dirlo) tra i vari acquisti ho preso un diodo veloce e anche qui sul "veloce" la cosa non mi è chiara. Ho fatto bene a metterlo ? (tra l'altro questo diodo ha due piedini che sembrano salsicce da quanto sono grossi !) A presto!

Francesco ha scritto:

1) Ho provato a cercare su internet ma ti giuro che non riesco a capire la questione del flottante e come questo possa attivare un (passami il termine) richiamo di corrente dalla R1 o inibirlo.

Hai letto la pagina wiki che ti ho linkato? http://it.wikipedia.org/wiki/Open_collector Per pilotare il mosfet viene usato il pin 7 che è open-collector. Se leggi l'articolo e guardi l'immagine di come è fatto internamente il 555 dovresti capire. Praticamente i due stati possibili del pin 7 non sono 0-5V o GND-VCC, bensì possono essere GND (quando il transistor interno è chiuso) oppure "flottante" quando il transistor interno è aperto.

Ho riletto e penso di aver capito l'errore vediamo... Nella mia testa bacata il pin 7 aveva una connessione a GND, ecco perchè mi chiedevo come mai non ci fosse corrente a prescindere dal pin 7 ! E dunque; R1 serve sia a dare tensione al MOSFET ma soprattutto a proteggere il BJC all'interno del 555 da eccessi di carico. Faccio una considerazione, se volessi sfruttare al massimo la tensione Vcc per dare tensione al MOSFET per diminuire il più possibile la Rds ON è possibile modificare il circuito in questo modo? Con Vcc a 12V come nel mio caso. Ho trovato questo sito http://www.evilmadscientist.com/2012/basics-open-collector-outputs/ dove affronta la questione open collector e resistenze pull up e pull down. In pratica (giusto per conferma) per flottante s'intende un NON valore anche se potrebbe averlo, la resistenza frapposta da un lato sull'open collector e dall'altra su un Vcc o un GND determina il valore della porta logica in questione HIGH O LOW. in caso di HIGH non assume 5V ma la tensione Vcc applicata.....come vado ?

non può funzionare perchè rimarrebbe sempre a vcc! e addio resistenza di pull up

Francesco ha scritto:

non può funzionare perchè rimarrebbe sempre a vcc! e addio resistenza di pull up

ottimo, vedo che ci sei arrivato da solo