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Convertitore di tensione DC-DC switching da 12 a 16.5 Volt
Un elevatore di tensione per caricare pacchi superiori ai 12 volt.


Per caricare i pacchi da 3 celle ai polimeri o agli ioni di Litio usando il caricabatteria economico presentato in questo sito (Caricabatterie per Litio Polimery) è necessario avere in ingresso una tensione di almeno 16 Volt.
Purtroppo al campo la fonte di energia disponibile è di solito una batteria a 12 Volt. Ho voluto quindi progettare e realizzare questo circuito elevatore di tensione switching da 12 a 16.5 volt per consentire a tutti di usarlo al campo senza problemi.
Il progetto si basa su un integrato della Maxim, un MAX643 che con pochissimi componenti esterni consente di realizzare elevatori di tensioni per correnti anche di qualche ampere.
Nella figura seguente è presentato lo schema circuitale proposto. Il MAX643 si alimenta dalla sua stessa uscita dopo il bootstrap iniziale.


In estrema sintesi il mosfet va in conduzione periodicamente e nell'induttore scorre una corrente. Viene pertanto immagazzinata nell'induttore una certa quantità di energia. Nel momento in cui il mosfet non conduce più la tensione ai capi dell'induttore si inverte bruscamente rendendo il drain del mosfet più positivo dell'uscita. La corrente quindi tramite il diodo shottky 1N5822 carica il condensatore C2. Ad ogni ciclo pertanto la tensione su C2 sale fino a quando il MAX643 tramite il partitore resistivo composto da R3, R4a e R4b rileva un valore superiore ad una certa soglia sul piedino VFB. IL mosfet a questo punto cessa di andare periodicamente in conduzione e la tensione in uscita inizia a diminuire per l'assorbimento del carico e le perdite del condensatore fino a quando la tensione su VFB scende al di sotto della soglia precedente. A questo punto il mosfet inizia nuovamente a lavorare alla frequenza di 45 Khz circa con tempo di apertura del gate di circa 11 usec.

Il circuito è costruttivamente semplice e questo è il master del circuito stampato che ho preparato.


L'unico punto critico di tutto il circuito è la realizzazione dell'induttore che va avvolto su nucleo toroidale.
Durante lo sviluppo del prototipo ho realizzato diverse induttanze con nuclei di permeabilità differente e quindi con numero di spire diverso.
Occorre tenere presente che al momento della conduzione del mosfet viene generato un transitorio di corrente che vale al massimo la tensione di alimentazione meno la tensione tra Drain e Source divisa per la resistenza interna della batteria più quella ohmica dell'induttore.
Pertanto realizzare l'induttore con poche spire comporta una bassa resistenza e quindi picchi di corrente elevati. Il mosfet quindi scalda molto durante l'assorbimento del carico e l'efficienza è molto bassa.
Inoltre occorre non far saturare il nucleo altrimenti l'energia in eccesso causerà un brusco aumento della corrente e quindi della temperatura del mosfet.
Alla fine delle mie prove ho identificato come scelta ottimale il nucleo toroidale a polvere metallica T44-15 con permeabilità pari a 25 ed induttanza caratteristica di 160uH circa per 100 giri. Per realizzare l'induttore quindi dovete procurarvi uno di questi nuclei toroidali riconoscibili per il colore rosso da un lato e bianco dall'altro ed avvolgere 40 spire di filo da 0.8 mm di diametro. Il mio induttore ha 25 uH e presenta una resistenza serie di 0.14 Ohm.
Io ho comprato qualche anno fa un discreto assortimento di campioni per il mio laboratorio su www.bytemark.com dove potete trovare anche le caratteristiche di dettaglio di questo e molti altri tipi di toroidi nonché le formule utili per i calcoli.
Con questa scelta il circuito è molto efficiente e fa lavorare i componenti senza scaldare ed in assoluta tranquillità. Per darvi un'idea delle sue prestazioni l'ho collegato al caricabatteria per le litio fatto in precedenza ed ho ottenuto questi risultati.
  • Caso 1   Input (12.2 Volt, 260 mA)     Output (16.5 Volt, 160 mA)    Eff = 82%
  • Caso 2   Input (12.3 Volt, 390 mA)     Output (16.5 Volt, 250 mA)    Eff = 85%
  • Caso 3   Input (12.3 Volt, 570 mA)     Output (16.4 Volt, 360 mA)    Eff = 84%
  • Caso 4   Input (12.3 Volt, 1100 mA)   Output (16.4 Volt, 630 mA)    Eff = 76%
  • Caso 5   Input (12.2 Volt, 1200 mA)   Output (16.2 Volt, 740 mA)    Eff = 82%
  • Caso 6   Input (12.2 Volt, 1280 mA)   Output (16.2 Volt, 800 mA)    Eff = 83%
  • Caso 7   Input (12.2 Volt, 1365 mA)   Output (16.2 Volt, 860 mA)    Eff = 84%
  • Caso 8   Input (12.2 Volt, 1450 mA)   Output (16.2 Volt, 910 mA)    Eff = 83%
  • Caso 9   Input (12.2 Volt, 1490 mA)   Output (16.2 Volt, 930 mA)    Eff = 83%
Come potete osservare anche nella posizione del caricabatteria con tutti gli switch inseriti per la massima corrente il circuito fornisce 15.1 Watt assorbendo solo 18.2 Watt.
In queste condizioni la prova del dito dice che sia il Mosfet che il diodo e l'induttore sono freddi anche con la massima corrente. Il circuito quindi può erogare anche più corrente di 1 Ampere sul carico anche se tenete presente che l'induttore è stato dimensionato per 1.5 Ampere con picchi di 3 Ampere ed è probabile che aumentando la corrente le prestazioni degradino.
Ovviamente l'uso di un dissipatore migliorerà ancora le cose se si tiene il circuito in funzione per tempi lunghi.
E' importante usare un diodo shottky da 3 Ampere come 1N5822 altrimenti il circuito sarà poco efficiente e scalderà. Quelli tradizionali non sono adatti perché hanno tempi di commutazione più lenti e cadute di potenziale più elevate.


Se non trovate il nucleo che ho proposto io tenete presente che dovreste raggiungere 25 uH con circa 1 metro di filo da 0.4. Per eventuali dubbi sull'induttore da usare e su quante spire avvolgere potete certamente contattarmi. Fondamentalmente è solo questo l'errore che potreste commettere nella realizzazione dei circuito. Ovviamente fare esperimenti senza avere un induttanzimetro digitale è piuttosto difficile, quindi è meglio comprare nuclei dalle caratteristiche note e calcolare le spire con le formule che trovate sul sito in questione. Il circuito dovrebbe funzionare anche con mofet equivalenti, però io non li ho provati e quindi non posso dirvi nulla sulle prestazioni ottenibili.
In allegato trovate i file in formato circad (www.holophase.com) del PCB e dello schema elettrico.
A tutti buona costruzione.
© Flyer


 
File:

Master dello stampato e schema elettrico


Nota Importante:
L'autore non si assume nessuna responsabilità per eventuali danni, diretti o indiretti, che dovessero verificarsi come conseguenza dell'utilizzo del presente circuito.



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