Switching Power Supply 20A Alimentatore Switching DC-DC push-pull 16V 20A by Roberto Chirio

Prototipo funzionante dell'alimentatore Switching da 18V 20A

Febbraio 2007

Questo alimentatore DC-DC serve per innalzare la tensione di batteria 12v e stabilizzare l'uscita compensando la caduta di tensione batteria durante la scarica. Potendo raggiungere 15V-16V è indicato per ottenere le massime prestazioni dagli apparati radiotrasmittenti.

La regolazione da 5 a 18Volt soddisfà le richieste di molti carichi elettronici.

L'aggiunta di un circuito rete con trasformatore di ingresso 220V/14V 250VA, ponte raddrizzante e condensatori di filtro, espande le possibilità di impiego.

La tensione di ingresso può essere tra 9,0 e 18V e la tensione in uscita è regolabile da 5-18,0V Quando l'ingresso è maggiore di 12,0V la massima corrente in uscita può raggiungere i 20A (con ventilatore). La tensione in uscita è regolabile tramite potenziometro da un valore minimo di 5 V fino a un massimo di 18V.

Non è presente una regolazione continua di corrente sull'uscita, (prestare attenzione) c'è solo la taratura della massima corrente che attraversa il MosFet.

Le migliori prestazioni con batteria si ottengono con 12-14V. Sotto 11,00Volt funziona ancora bene, ma la massima corrente non è raggiungibile.

UC3526

UC3526 Regulating Pulse Width Modulator

E' stato scelto questo regolatore in quanto inizia a funzionare a 8V. Uscita driver simmetrico per comandare BJT e Mos in configurazione Push-Pull.

Complete funzioni di controllo tensione e corrente.

La frequenza di lavoro, viene scelta 30Khz per non avere grandi perdite con la ferrite N27. E' determinata da (R5+P3) e C6.

Questo alimentatore DC-DC può funzionare senza ventilatore con un'uscita fino ai 5A oltre i 70°C interviene l'interruttore termico Klixon (da fissare sul componente che scalda di più) che fa partire il ventilatore per raffreddare la parte di potenza composta dai Mosfet, diodi, trasformatore, induttori e condensatori elettrolitici.

Roberto Chirio è a disposizione per consulenze nel progettare e realizzare Switching Power Supply

Contattare:

Materiale		Dove
IC1	● 1 integrato UC3526 UNITRODE (Texas Instrument)	negozio elettronica
	● morsettiera ingresso e uscita (tipo da 30A)	negozio elettronica
	● 1 basetta mille fori vetronite con piazzole stagnate	negozio elettronica
S1	● 1 termico Klixon da 60-70° normalmente aperto	negozio elettronica
R1	● 1 resistenza 10 ohm 1/4W	negozio elettronica
R2	● 2 resistenza 0,04 ohm 5-10W 5% filo (parallelo)	negozio elettronica
R3	● 1 resistenza 1K5 ohm 1/4W 1% strato metallico	negozio elettronica
R4	● 1 resistenza 4k7 ohm 1/4W 1% strato metallico (vedi note)	negozio elettronica
R5	● 1 resistenza 2k5K ohm 1/4W 1% strato metallico	negozio elettronica
R6	● 1 resistenza 1K5 ohm 1/4W 1% strato metallico	negozio elettronica
R7	● 1 resistenza 10 ohm 1/4W 5%	negozio elettronica
R8	● 1 resistenza 10K ohm 1/4W 5%	negozio elettronica
R9	● 1 resistenza 10K ohm 1/4W 5%	negozio elettronica
R11	● 1 resistenza 12 ohm 2W 5%	negozio elettronica
R12	● 1 resistenza 330 ohm 2W 5%	negozio elettronica
C1	● 1 condensatore elettrolitico 4700uF 35V per switching	negozio elettronica
C2	● 1 condensatore ceramico 220pF 100V	negozio elettronica
C3	● 1 condensatore elettrolitico 1uF 35V	negozio elettronica
C4	● 1 condensatore ceramico 470pF 100V	negozio elettronica
C5	● 1 condensatore ceramico 470pF 100V	negozio elettronica
C6	● 1 condensatore poliestere 4,7nF 100V	negozio elettronica
C7	● 1 condensatore policarbonato 1uF 63V	negozio elettronica
C8	● 6 condensatore elettrolitico 1000uF 25V per switching	negozio elettronica
C9	● 2 condensatore elettrolitico 1000uF 25V per switching	negozio elettronica
C10	● 1 condensatore policarbonato 1uF 63V	negozio elettronica
C11	● 1 condensatore ceramico .1uF 63V	negozio elettronica
C12	● 1 condensatore ceramico .1uF 63V	negozio elettronica
C13	● 1 condensatore ceramico .1uF 63V	negozio elettronica
C14	● 1 condensatore policarbonato 10nF 63V	negozio elettronica
D1	● 1 diodo doppio 200V 60A oppure diodo tipo Schottky da 60 A 50V (nota)	negozio elettronica
D2/D3	● 1 diodo Schottky 1N5819	negozio elettronica
Q1/Q2	● 6 Mos-Fet tipo RFP50N06 To220 (vedi note)	negozio elettronica
T1	● Trasformatore con nucleo E55 Siemens da avvolgere (vedi note)	negozio elettronica
L1	● 1 induttore 7,8uH (vedi note)	??
L2	● 1 induttore 1,7uH (vedi note)	??
P1	● 1 trimmer cermet 1Kohm	negozio elettronica
P2	● 1 potenziometro cermet 10 giri 22Kohm (vedi note)	negozio elettronica
P3	● 1 trimmer cermet 22Kohm	negozio elettronica
FAN	● 1 ventilatore 12V tipo computer 12cm	negozio elettronica
Is1	● 1 amperometro da pannello 20A cc	negozio elettronica
Vs1	● 1 voltmetro da pannello 20V cc	negozio elettronica
	● 1 contenitore alluminio	negozio elettronica
	● 3 radiatore alluminio alettato	negozio elettronica

Realizzazione

La realizzazione dello Switching Power Supply comporta avere delle conoscenze di elettronica, è necessaria un'attrezzatura ed esperienza nei montaggi elettronici.

Non si risponde per danni a cose e persone e per un uso improprio della realizzazione.

Sulla sinistra il radiatore dei diodi, al centro i tre MosFet in parallelo, l'aletta di raffreddamento è sufficiente solo se con ventilazione forzata, altrimenti montare su radiatore di maggiori dimensioni.

Il flusso d'aria del ventilatore 12v deve essere posizionato sui componenti che scaldano di più: i diodi veloci sull'uscita, condensatori e bobine di filtro, trasformatore e MosFet di potenza.

Nella versione finale dentro un mobile metallico, è necessario creare un canale di flusso aria che possa raffreddare bene tutti i componenti di potenza.

R4 P2 regolazione tensione uscita

La minima tensione ottenibile in uscita è uguale alla tensione di riferimento presente sul piedino 18 del del 3526 pari a 5,00Volt, in questo caso il valore di P2 è uguale a 0 ohm. La tensione massima è data dal partitore formato da P2 su R4. Per ottenere una escursione completa del P2 da 5 a 18V, è consigliabile montare al posto della R4 un trimmer 22 giri cermet da 5 o 10K ohm così da fare una preregolazione di fondo corsa del P2. A sistema funzionante portare il valore di P2 a fondo corsa e poi regolare la R4 per avere o 16 o 18V fondo scala, cosi al minimo avremo sempre 5V in uscita e tutta l'escursione di tensione sul valore lineare del P2. Se si vuole avere una tensione in uscita con escursione da 0V a 18V, è necessario un voltage reference esterno al 3526 con un valore di 0,6 inferiore al negativo.

Transistor Mos-Fet Q1/Q2

In questo caso ho usato i MosFet di Potenza tipo RFP50N06, vengono montati tre in parallelo per ogni lato simmetrico.

Vanno bene un po' con tutti i Mos-Fet di potenza con caratteristiche di 60V 50A o superiori. Vanno montati sul dissipatore usando grasso conduttivo per migliorare il trasferimento termico. Essendo tutti e tre in parallelo li monterei senza isolante verso il dissipatore, per poi usare una vite filettata per il collegamento comune di Drain direttamente sul dissipatore. Tutto il dissipatore deve essere fissato con boccole isolanti verso il telaio del contenitore. I due dissipatori non devono toccarsi tra di loro.

Diodi di potenza D1

Il diodo D1 può essere del tipo doppio Schottky da 60A 50V, purtroppo la tensione di lavoro è molto vicina a quella di Breakdown in quanto gli spikes sull'uscita per un semiponte sono nell'ordine dei 70-90V. Chi sa dimensionare bene gli snubber può tentare di ridurre gli spikes con uno snubber dedicato su ogni diodo. E' chiaro che usando lo Schottky si ottiene un migliore rendimento e temperature più basse.

Eventualmente si possono adottare 4 diodi Schottky da 60 A 50V in configurazione ponte intero e mettere in parallelo i due avvolgimenti in uscita.(Con la stessa fase)

Nel caso contrario si montano dei diodi fast da 200V 20/30A (da come si può vedere nella foto).

Trasformatore T1

Il nucleo di ferrite è un Siemens E55 materiale tipo N27. E' necessario il rocchetto dedicato per facilitare l'avvolgimento.

L'avvolgimento primario è composto da 2+2 spire realizzate con 12+12 fili rame smaltato da 0,75mm. L'avvolgimento deve essere realizzato per ultimo sopra il secondario. I 24 fili vanno avvolti tutti assieme, per garantire la stessa lunghezza (uguale induttanza e resistenza per ogni avvolgimento simmetrico). Bisogna preparare i 24 spezzoni lunghi 60/70cm, prima di iniziare a avvolgere.

L'avvolgimento secondario è composto da 4+4 spire composte da 8 fili rame smaltato da 0,75mm. L'avvolgimento deve essere realizzato per primo sotto il primario. I 16 fili vanno avvolti tutti assieme, per garantire la stessa lunghezza (uguale induttanza e resistenza). Bisogna preparare i 16 spezzoni lunghi 100/110cm, prima di iniziare a avvolgere.

Tra gli avvolgimenti isolare con 2 giri di nastro Mylar o materiale isolante per trasformatori.

Finito di avvolgere, le spire vanno fissate con alcuni giri di nastro Mylar o Nomex per avvolgimenti. Eventuale tubetto termorestringente per proteggere il passaggio di uscita.

Il trasformatore finito assemblato con la ferrite dovrebbe essere impregnato sotto vuoto con la vernice per trasformatori, non tanto per problemi di isolamento, quanto per ridurre il rumore ultrasonico generato durante il funzionamento.

La separazione dei due avvolgimenti primari e secondari va fatta dopo avere tolto lo smalto per 10-15mm dalla parte terminale del filo rame, usando poi il tester per individuare inizio-fine avvolgimento si separano gli 8 + 8 fili per formare i due avvolgimenti.

I terminali ottenuti vanno saldati assieme a un capicorda di rame ad occhiello.

Induttore L1

Gruppo filtro alta frequenza, da 20A

Viene usato l'induttore di filtro recuperato da un alimentatore ATX da 500W, si usa la sezione del 5V che è dimensionata per sopportare oltre 30A (ventilato).

Gli altri avvolgimenti con filo di diametro minore non vengono usati e vanno isolati tra di loro. L'avvolgimento composto da tre fili di 1,2mm deve sopportare tutta la corrente in uscita. I tre fili vanno collegati in parallelo tra di loro sull'ingresso e sull'uscita.

Sono 8/10 spire da 3 x 1,2mm su un nucleo toroidale da 35mm di diam.

Induttore L2

Anche in questo caso viene usato il secondo induttore di filtro di un alimentatore ATX da 500W, sono poche spire di grosso diametro, avvolte su ferrite. Deve sopportare tutta la corrente in uscita. (max 20A)

Sono 8 spire filo 2mm su una ferrite da 10mm.

Taratura

Collegare un alimentatore variabile all'ingresso e salire di tensione fino a 12V, dovremmo avere il circuito funzionante, regolare il P2 per fare variare la tensione in uscita. Se avviene una buona escursione da 5 fino 18V si può collegare un carico di almeno 5A e provare a rifare l'escursione di tensione uscita che deve arrivare fino a 18V. Mancanze di tensione in basso e in alto possono dipendere dal valore del potenziometro stesso e dalla

Il trimmer P3 serve a tarare la frequenza a 30Khz, togliere la R1 e R7 sul gate dei Mos e alimentare solo il UC3526, dovremmo avere una forma quadra al 50% simmetrica, regolare la frequenza a 30khz (+/-10%)

Il trimmer P1 serve a tarare la soglia di limitazione corrente massima, va regolato a carico per non fare salire la corrente in uscita oltre i 20A, quando l'ingresso è 11,0V.

Prova a massimo carico:

Per la prova a 16V 20A ci serve una resistenza da 16V/20A = 0,80 ohm 350W non facile da trovare.

Se non disponiamo di un carico elettronico variabile (vedi altre mie pagine), possiamo realizzare un buon carico con lampade auto 12V 55W.

Attenzione tutte le lampade alogene presentano da fredde una resistenza molto più bassa di quando sono accese, pertanto allo spunto assorbono anche 5 volte la corrente nominale.

Questo alimentatore è in grado di alimentare continuamente 4 anche 5 lampade in parallelo.

La tensione d'uscita deve essere regolata a vuoto a 12,5 Volt. L'unica accortezza è quella di accendere le lampade una dopo l'altra e non tutte assieme, questo per evitare la forte corrente di spunto che potrebbe fare intervenire il fusibile batteria.

Altro stratagemma per usare il carico lampade è quello di regolare la corrente con il trimmer al valore minimo e poi quando le lampade sono appena accese con pochi volt, portare la regolazione a un valore alto così che prenda il sopravento il controllo dell'uscita con la regolazione di tensione.

Leggere la tensione di uscita sul carico e verificare quanto è la caduta di tensione tra carico, vuoto. Valori di 0,5Volt sono accettabili. Cadute maggiori significano che i conduttori non sono di opportuna sezione e/o la sorgente in ingresso non è abbastanza potente e provoca caduta di tensione interna. Attenzione che i due fili di sensing che partono dal 3526 devono essere posizionati direttamente sulla morsettiera di uscita.

Connessione su batteria 12v
Quando è stato provato in laboratorio e tutto è OK, possiamo collegare l'alimentatore a una batteria da 12V, deve essere una batteria con una capacità minima di 63A/h: E' necessario un fusibile da 30A in serie a uno dei cavi di batteria. Va benissimo un fuse tipo automobilistico molto più economico. Cavi batteria devono essere da 10mmq e la loro lunghezza non superiore a 1,5m. Anche i cavi in uscita devono essere da 10mmq e max 1,5m. .. .. ..	Modifica per Power ON/OFF Questo evita di usare un interruttore generale da 30A direttamente sulla batteria, in quanto togliamo solo alimentazione al Driver UC3526. Il circuito di soft start evita di partire alla massima potenza.

Forme d'onda
Uscita UC3526 comando gate Mosfet, piedini 13 CH1 piedino 16 CH2 Parte di potenza non alimentata. VB 12V Lettura frequenza e verifica simmetria.
Tensione capi MosFet Parte di potenza alimentata. VB 12V Verifica comando dutycyle variabile, in questo caso controllo in corrente.
Uscita UC3526 comando gate Mosfet, Q1 CH1 Q2 CH2 Parte di potenza alimentata. VB 12V Verifica comando dutycyle variabile, in questo caso controllo in corrente.
Tensione capi diodi D1, comando parzializzato. Si nota una differenza di forma tra i due diodi, non sono così uguali tra di loro, è necessario uno snubber per ognuno con tarature diverse per ridurre gli spikes. Se avessi usato diodi Schottky sarebbero già out.
Tensione capi diodi D1, comando a piena onda. Si nota una differenza minore rispetto sopra.

Gruppo ingresso 220V 300VA
Schema del gruppo trasformatore 220V/14V necessario per fare funzionare da rete il Power Supply da 20A. Sono necessari almeno 2000uF per ogni Ampere assorbito in uscita, questo per garantire un buon livellamento. Ho usato 4 condensatori da 10000uF 35V in parallelo, va anche bene un condensatore da 47000uF da 35-50V più difficile da reperire. Il trasformatore da 300VA sarebbe ideale del tipo toroidale con schermo tra primario e secondario. Lo schermo elettrostatico da collegare a massa è molto utile per ridurre le interferenze, provenienti dalla rete. Il ponte raddrizzante deve essere montato su un dissipatore di generose dimensioni. Nel caso di assorbimento corrente massima per tempi lunghi, tutto il gruppo deve avere la ventilazione forzata, ideale usufruire della stessa ventola dello Switching. Non indispensabile, ma utile un filtro rete sull'ingresso ed eventualmente dei soppressori di transienti tra le fasi e verso massa, per ridurre i rischi di scariche presenti in rete. I collegamenti dal ponte verso i condensatori e verso il carico vanno fatti con cavo da 6/10mmq ideale una piattina di rame da 10mm spessa 1mm, direttamente sui terminali dei condensatori elettrolitici.
Realizzazione finale dentro il mobile
continua....

SWITCHING POWER SUPPLY PUSH-PULL

DC-DC in: 9-20V out: 5-18V max 20A