Sulle orme del precedente progetto di uno stabilizzatore di tensione a valvole (stabilizzatore a valvole) ho voluto costruirne uno a mosfet, con analogo circuito elettrico, per poterne determinare le differenze con il primo.
Anticipo che questo stabilizzatore allo stadio solido ha prestazioni assai migliori di quello a tubi; esso ha una regolazione più efficace dovuta anche alla presenza di un "current source" al posto di una resistenza (nel progetto dello stabilizzatore a valvole mi ero proposto di non usare componenti allo stadio solido sul percorso della retroazione e quindi non ho voluto usare un "current source" al posto della resistenza R2), una maggiore capacità di erogazione in corrente e una maggior efficienza a causa della minore tensione necessaria in ingresso a parità di tensione in uscita per mantenere il sistema in regolazione e per l'assenza dei filamenti che nelle valvole assorbono potenza, inoltre il costo per la realizzazione dello stabilizzatore a mosfet è nettamente inferiore di quello a valvole. I difetti di questo stabilizzatore si riducono a due; i mosfet non si illuminano come le valvole e sono monoliti brutti, grigi e tristi, i mosfet si rompono immediatamente per un accidentale cortocircuito in uscita.
Qui sotto lo schema elettrico di questo stabilizzatore e di quello con le valvole per un immediato confronto:
Anticipo che questo stabilizzatore allo stadio solido ha prestazioni assai migliori di quello a tubi; esso ha una regolazione più efficace dovuta anche alla presenza di un "current source" al posto di una resistenza (nel progetto dello stabilizzatore a valvole mi ero proposto di non usare componenti allo stadio solido sul percorso della retroazione e quindi non ho voluto usare un "current source" al posto della resistenza R2), una maggiore capacità di erogazione in corrente e una maggior efficienza a causa della minore tensione necessaria in ingresso a parità di tensione in uscita per mantenere il sistema in regolazione e per l'assenza dei filamenti che nelle valvole assorbono potenza, inoltre il costo per la realizzazione dello stabilizzatore a mosfet è nettamente inferiore di quello a valvole. I difetti di questo stabilizzatore si riducono a due; i mosfet non si illuminano come le valvole e sono monoliti brutti, grigi e tristi, i mosfet si rompono immediatamente per un accidentale cortocircuito in uscita.
Qui sotto lo schema elettrico di questo stabilizzatore e di quello con le valvole per un immediato confronto:
A parte i valori diversi
dei resistori si notano alcune differenze sostanziali tra i due schemi,
il primo è che al posto della resistenza R2 nello schema relativo ai
mosfet, come già detto, è stato messo un "current source", questa
semplice modifica migliora di molto la qualità della regolazione dato
che aumenta la resistenza vista dal drain di M2 con il conseguente
aumento della complessiva amplificazione nella retroazione. Si badi
bene che non è per la presenza di questo current source che lo
stabilizzatore a mosfet è migliore di quello a triodi, già facendo
delle prove con una semplice resistenza al suo posto, a parità di
carico e di tensione in uscita, questo stabilizzatore forniva una
tensione con un ripple cinquanta volte minore di quello dello stabilizzatore a triodi! Tutta
questa efficacia di regolazione e il fatto che a parità di tensione in
uscita i mosfet richiedono una più bassa tensione in ingresso rispetto
alle valvole mi ha permesso di usare un condensatore di livellamento di
piccola capacità con minore tensione di lavoro.
PROGETTO
Per la descrizione del progetto utilizzo un esempio. Voglio che lo stabilizzatore fornisca una tensione di 400V ed eroghi una corrente di 0.2A. Si faccia riferimento alla figura sottostante dove sono rappresentate le curve di uscita dei mosfet M1 e M2:
Per il progetto del current source si procede così:
Si usa un led verde che fornisce una tensione abbastanza costante di circa 2V (VLED) come dispositivo di riferimento, la tensione presente su R5 è:
VR5 = VLED - 0.7 = 2 - 0.7 = 1.3V
la resistenza R5 si determina tramite la seguente formuletta:
R5 = VR5 / ID_M2 = 1.3 / 0.0015 = 866 ohm
nel circuito reale la tensione del LED è risultata più bassa di 2V e ho dovuto mettere una resistenza da 820 ohm per far circolare quella corrente di 1.5mA
Per dimensionare R6 occorre rimandare a dopo perché ancora non si conosce che valore deve avere la tensione VIN_DC per il corretto funzionamento dello stabilizzatore.
Torniamo ora ad M2.
Sulle curve dei mosfet una corrente di 1.5mA è troppo bassa per poter essere rilevata, ipotizzo che per tale corrente la curva interessata (che non entri in zona ohmica) sia relativa ad una VGS_M2 di 3.5V, quindi sul gate di M2 deve essere presente una tensione di:
VG_M2 = VZ + VGS_M2 = 100 + 3.5 = 103.5V
La resistenza R3, facente parte del partitore, non deve essere ne troppo piccola per non dissipare inutilmente potenza ne troppo grande per evitare oscillazioni, valori tra 100K e 1M vanno bene, io ho usato una resistenza da 100K.
con la formula del partitore determino R4
R4 = VG_M2 * R7 / (VOUT -VG_M2) = 103.5 * 100K /(400 - 103.5) = 34.9 K
Questa resistenza andrà sostituita con una fissa e una variabile per regolare al valore esatto di 400V l'uscita, io ho usato una resistenza fissa di 27K in serie con un trimmer di 10K.
Dei tre dispositivi attivi presenti nello schema quale sarà quello che setta la tensione minima alla quale ancora lo stabilizzatore funziona? Abbiamo detto che il mosfet M2, nel funzionamento regolare dello stabilizzatore, ha la tensione VDS_M2 e la corrente ID_M2 costanti e questa situazione permane anche quando lo stabilizzatore sta uscendo dalla regolazione che succede, ad esempio, quando compare sulla tensione di uscita del ripple.
La tensione del mosfet M1 tra la saturazione e la zona ohmica (quando iniziano a incurvarsi le curve) ha valore sicuramente minore di 1V (vedi caratteristiche di uscita del Mosfet), mentre il BJT Q1 ha un valore di saturazione di circa 500mV, quindi chi è dei due che satura per prima?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima calcolare il livello del ripple a pieno carico:
Vr = Iout / (100 * C1) = 02 / (100 * 270uF) = 7.4Vpp
Tenendo conto che sul collettore di Q1 ci sono 404V sommando a questo valore metà livello del ripple, la tensione di saturazione del BJT e la caduta su R5 ottengo il valore minimo della tensione continua VIN_DC che deve essere presente affinché lo stabilizzatore ancora funzioni:
VIN_DC_min = VD_M2 + Vr / 2 + 500mV + VR5 = 404.5 + 3.7 + 0.5 + 1.3 = 410V
tra il drain e source di M2 la tensione è invece:
VDS_M1 = VIN_DC_min - VOUT = 410 - 400 = 10V
che ha un valore superiore al minimo di 1 volt supposto limite oltre il quale M1 entra in zona ohmica, con questo si può dare una risposta alla domanda che ci eravamo posti prima; Q1 è il dispositivo che va in saturazione per primo ed è lui che decide la tensione minima di ingresso sotto la quale il sistema non stabilizza più.
Torniamo a Q1.
Faccio corrispondere a VIN_DC_min al -10% della tensione di rete (in Italia è +/- 10 % di 220V) che è pari a 198V.
Il valore nominale è:
VIN_DC_nom = VIN_DC_min / 0.9 = 410 / 0.9 = 455V
Che corrisponde a la tensione nominale di rete di 220V
Il massimo valore di VIN_IN corrispondente al +10% della 220V (242V) è:
VIN_DC_max = VIN_DC_nom + 10% VIN_DC_nom = 455+ 45.5 = 500.5V
Questo ultimo valore ci assicura che il condensatore di livellamento (che ha tensione di lavoro pari a 550V) sia al sicuro. Inoltre anche Q1 è al sicuro, infatti la sua tensione VEC_Q1 al massimo può avere il valore di:
VEC_Q1_max = VIN_DC_max - VR5 - VDS_M2 = 500.5 - 1.3 - 404 = 95.2V
Il BJT che ho scelto ha una VEC0 pari a 400V e quindi va bene.
La potenza nominale dissipata su M1 è:
PD_M1_nom = VDS_M1_nom * IOUT = (VIN_DC_nom - VOUT) * IOUT = (455 - 400) * 0.2 = 11W
A questo punto posso dimensionare la resistenza R6.
Volendo far circolare una corrente di 1mA nel LED posso determinare il valore di R6:
R6 = VIN_DC_nom / 0.001 = 455 / 0.001 = 455K
che approssimo questo valore a 470K.
Qui di seguito le immagini dei livelli delle tensioni in varie parti del circuito.
PROVA CON TENSIONE VIN_DC = 430V, VOUT = 400V, IOUT = 0.2A (STABILIZZATORE IN REGOLAZIONE)
Ripple residuo in uscita:
Ripple ai capi di C1, 6.8Vpp:
Tensione VDS_M1, HEADROOM = 27V:
Tensione VEC_Q1, HEADROOM = 23V:
PROVA CON TENSIONE VIN_DC = 409V, VOUT = 400V, IOUT = 0.2A (STABILIZZATORE FUORI REGOLAZIONE)
Tensione VOUT:
Tensione VDS_M1, HEADROOM = 5.2V:
Tensione VEC_Q1 in saturazione:
PROGETTO
Per la descrizione del progetto utilizzo un esempio. Voglio che lo stabilizzatore fornisca una tensione di 400V ed eroghi una corrente di 0.2A. Si faccia riferimento alla figura sottostante dove sono rappresentate le curve di uscita dei mosfet M1 e M2:
La curva di uscita che per
una corrente di 0.2A non entra in zona ohmica (dove inizia la curvatura delle curve) non è rappresentata nel
grafico, ipotizzo sia quella relativa ad una VGS_M1 di 4V, non
preoccupatevi della approssimazione che ho fatto tanto la
regolazione per ottenere 400V in uscita andrà effettuata variando
la resistenza R4 che porterà il mosfet a lavorare con il vero valore
VGS_M1 (il cui valore varia di poche centinaia di millivolt tra
l'ipotetico e il reale).
Quindi sul drain di M2 è presente una tensione:
VD_M2 = 404V
Bisogna decidere ora la tensione del diodo zener, io, in genere, ne scelgo una compresa tra 1/3 a 1/4 della tensione in uscita, in questo stabilizzatore ho scelto un zener da 100V (VZ).
Quindi la tensione VDS_M2 risulta essere:
VDS_M2 = VD_M2 - VZ = 404 - 100 = 304V
Bisogna scegliere un mosfet che resista almeno a 2 volte quella tensione (per sicurezza), i mosfet che ho usato io resistono a una VDS di 600V e quindi vanno bene.
Per quanto riguarda la corrente che circola in M2 (quella limitata dal current source) occorre fare alcune osservazioni. Il gate di M1 non assorbe corrente continua ma a causa della capacità di ingresso, se alimentato con tensione variabile, esso ne assorbe tanta quanto è più alta la frequenza del segnale applicato. L'unico segnale variabile presente sul gate è il ripple ma di valore così basso che la corrente dal gate si può tranquillamente trascurare. A questo punto la corrente circolante nel current source circola totalmente in M2 (ID_M2), che valore scegliere per questa corrente? Non si po' scegliere troppo alto per non far dissipare inutilmente potenza da M2 ne troppo basso per scongiurare il pericolo che il mosfet entri in interdizione. Un valore vicino ad 1.5mA va benissimo per questo tipo di circuiti.
La potenza dissipata da M2 è:
PD_M2 = VDS_M2 * ID_M2 = 304 * 0.0015 = 0.45W
Tenendo conto che quando il sistema è in regolazione sia la corrente ID_M2 che la tensione VDS_M2 rimangono praticamente costanti per variazioni di carico e di tensione in ingresso (limitatamente a quelle ammesse dal progetto), quindi anche la potenza dissipata rimane costante e dato il suo piccolo valore M2 non ha bisogno di dissipatore.
Quindi sul drain di M2 è presente una tensione:
VD_M2 = 404V
Bisogna decidere ora la tensione del diodo zener, io, in genere, ne scelgo una compresa tra 1/3 a 1/4 della tensione in uscita, in questo stabilizzatore ho scelto un zener da 100V (VZ).
Quindi la tensione VDS_M2 risulta essere:
VDS_M2 = VD_M2 - VZ = 404 - 100 = 304V
Bisogna scegliere un mosfet che resista almeno a 2 volte quella tensione (per sicurezza), i mosfet che ho usato io resistono a una VDS di 600V e quindi vanno bene.
Per quanto riguarda la corrente che circola in M2 (quella limitata dal current source) occorre fare alcune osservazioni. Il gate di M1 non assorbe corrente continua ma a causa della capacità di ingresso, se alimentato con tensione variabile, esso ne assorbe tanta quanto è più alta la frequenza del segnale applicato. L'unico segnale variabile presente sul gate è il ripple ma di valore così basso che la corrente dal gate si può tranquillamente trascurare. A questo punto la corrente circolante nel current source circola totalmente in M2 (ID_M2), che valore scegliere per questa corrente? Non si po' scegliere troppo alto per non far dissipare inutilmente potenza da M2 ne troppo basso per scongiurare il pericolo che il mosfet entri in interdizione. Un valore vicino ad 1.5mA va benissimo per questo tipo di circuiti.
La potenza dissipata da M2 è:
PD_M2 = VDS_M2 * ID_M2 = 304 * 0.0015 = 0.45W
Tenendo conto che quando il sistema è in regolazione sia la corrente ID_M2 che la tensione VDS_M2 rimangono praticamente costanti per variazioni di carico e di tensione in ingresso (limitatamente a quelle ammesse dal progetto), quindi anche la potenza dissipata rimane costante e dato il suo piccolo valore M2 non ha bisogno di dissipatore.
Per il progetto del current source si procede così:
Si usa un led verde che fornisce una tensione abbastanza costante di circa 2V (VLED) come dispositivo di riferimento, la tensione presente su R5 è:
VR5 = VLED - 0.7 = 2 - 0.7 = 1.3V
la resistenza R5 si determina tramite la seguente formuletta:
R5 = VR5 / ID_M2 = 1.3 / 0.0015 = 866 ohm
nel circuito reale la tensione del LED è risultata più bassa di 2V e ho dovuto mettere una resistenza da 820 ohm per far circolare quella corrente di 1.5mA
Per dimensionare R6 occorre rimandare a dopo perché ancora non si conosce che valore deve avere la tensione VIN_DC per il corretto funzionamento dello stabilizzatore.
Torniamo ora ad M2.
Sulle curve dei mosfet una corrente di 1.5mA è troppo bassa per poter essere rilevata, ipotizzo che per tale corrente la curva interessata (che non entri in zona ohmica) sia relativa ad una VGS_M2 di 3.5V, quindi sul gate di M2 deve essere presente una tensione di:
VG_M2 = VZ + VGS_M2 = 100 + 3.5 = 103.5V
La resistenza R3, facente parte del partitore, non deve essere ne troppo piccola per non dissipare inutilmente potenza ne troppo grande per evitare oscillazioni, valori tra 100K e 1M vanno bene, io ho usato una resistenza da 100K.
con la formula del partitore determino R4
R4 = VG_M2 * R7 / (VOUT -VG_M2) = 103.5 * 100K /(400 - 103.5) = 34.9 K
Questa resistenza andrà sostituita con una fissa e una variabile per regolare al valore esatto di 400V l'uscita, io ho usato una resistenza fissa di 27K in serie con un trimmer di 10K.
Dei tre dispositivi attivi presenti nello schema quale sarà quello che setta la tensione minima alla quale ancora lo stabilizzatore funziona? Abbiamo detto che il mosfet M2, nel funzionamento regolare dello stabilizzatore, ha la tensione VDS_M2 e la corrente ID_M2 costanti e questa situazione permane anche quando lo stabilizzatore sta uscendo dalla regolazione che succede, ad esempio, quando compare sulla tensione di uscita del ripple.
La tensione del mosfet M1 tra la saturazione e la zona ohmica (quando iniziano a incurvarsi le curve) ha valore sicuramente minore di 1V (vedi caratteristiche di uscita del Mosfet), mentre il BJT Q1 ha un valore di saturazione di circa 500mV, quindi chi è dei due che satura per prima?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima calcolare il livello del ripple a pieno carico:
Vr = Iout / (100 * C1) = 02 / (100 * 270uF) = 7.4Vpp
Tenendo conto che sul collettore di Q1 ci sono 404V sommando a questo valore metà livello del ripple, la tensione di saturazione del BJT e la caduta su R5 ottengo il valore minimo della tensione continua VIN_DC che deve essere presente affinché lo stabilizzatore ancora funzioni:
VIN_DC_min = VD_M2 + Vr / 2 + 500mV + VR5 = 404.5 + 3.7 + 0.5 + 1.3 = 410V
tra il drain e source di M2 la tensione è invece:
VDS_M1 = VIN_DC_min - VOUT = 410 - 400 = 10V
che ha un valore superiore al minimo di 1 volt supposto limite oltre il quale M1 entra in zona ohmica, con questo si può dare una risposta alla domanda che ci eravamo posti prima; Q1 è il dispositivo che va in saturazione per primo ed è lui che decide la tensione minima di ingresso sotto la quale il sistema non stabilizza più.
Torniamo a Q1.
Faccio corrispondere a VIN_DC_min al -10% della tensione di rete (in Italia è +/- 10 % di 220V) che è pari a 198V.
Il valore nominale è:
VIN_DC_nom = VIN_DC_min / 0.9 = 410 / 0.9 = 455V
Che corrisponde a la tensione nominale di rete di 220V
Il massimo valore di VIN_IN corrispondente al +10% della 220V (242V) è:
VIN_DC_max = VIN_DC_nom + 10% VIN_DC_nom = 455+ 45.5 = 500.5V
Questo ultimo valore ci assicura che il condensatore di livellamento (che ha tensione di lavoro pari a 550V) sia al sicuro. Inoltre anche Q1 è al sicuro, infatti la sua tensione VEC_Q1 al massimo può avere il valore di:
VEC_Q1_max = VIN_DC_max - VR5 - VDS_M2 = 500.5 - 1.3 - 404 = 95.2V
Il BJT che ho scelto ha una VEC0 pari a 400V e quindi va bene.
La potenza nominale dissipata su M1 è:
PD_M1_nom = VDS_M1_nom * IOUT = (VIN_DC_nom - VOUT) * IOUT = (455 - 400) * 0.2 = 11W
A questo punto posso dimensionare la resistenza R6.
Volendo far circolare una corrente di 1mA nel LED posso determinare il valore di R6:
R6 = VIN_DC_nom / 0.001 = 455 / 0.001 = 455K
che approssimo questo valore a 470K.
Qui di seguito le immagini dei livelli delle tensioni in varie parti del circuito.
PROVA CON TENSIONE VIN_DC = 430V, VOUT = 400V, IOUT = 0.2A (STABILIZZATORE IN REGOLAZIONE)
Ripple residuo in uscita:
Ripple ai capi di C1, 6.8Vpp:
Tensione VDS_M1, HEADROOM = 27V:
Tensione VEC_Q1, HEADROOM = 23V:
PROVA CON TENSIONE VIN_DC = 409V, VOUT = 400V, IOUT = 0.2A (STABILIZZATORE FUORI REGOLAZIONE)
Tensione VOUT:
Tensione VDS_M1, HEADROOM = 5.2V:
Tensione VEC_Q1 in saturazione:
