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Trasformatore elettronico

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteFoxato » 4 apr 2012, 23:03

Salve a tutti,
sto cercando di capire il funzionamento dei trasformatori elettronici, in particolare quelli delle lampade alogene. In parte per pura curiosità, in parte per capire se si possono a tutti gli effetti utilizzare per realizzare alimentatori per i propri circuiti, invece di utilizzare pesanti e costosi trasformatori "classici".
Devo dire che dopo averne smontato uno sono stato abbastanza sorpreso della sua relativa semplicità, visto che non presenta circuiti integrati. Ho ricavato lo schema elettrico di questo circuito, ma mi sembra troppo complesso da trattare inizialmente, quindi propongo questo:


ricavato da quest'application note. Qualcuno sa aiutarmi? le poche righe di spiegazione dell'application note non mi hanno chiarito molto le idee
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[2] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteGuidoB » 5 apr 2012, 16:11

Ciao,
l'uscita di questo trasformatore è in alternata a frequenza ultrasonica. Se volessi utilizzarla per alimentare circuiti elettronici dovresti prima raddrizzarla e filtrarla, inserendo un ponte di Graetz con diodi veloci (Schottky) e almeno qualche condensatore di livellamento.

Non mi è molto chiaro dov'è la retroazione di questo circuito (menzionata nell'application note che hai linkato), comunque per ottenere una buona stabilizzazione la retroazione andrebbe prelevata dall'uscita (dopo il ponte di Graetz che inseriresti e il filtro).
Siccome non è così, l'uscita non potrà essere ben stabilizzata.

In conclusione, direi che non ti conviene usare questi trasformatori per alimentare circuiti elettronici. Sono più adatti gli appositi alimentatori classici o switching. In particolare gli alimentatori switching sono piccoli, leggeri, ad alto rendimento e spesso relativamente economici rispetto ai classici. Un esempio sono gli alimentatori per computer portatili.

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[3] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteFoxato » 5 apr 2012, 22:53

ciao, beh se non sbaglio parla di frequenze dell'ordine di 35khz, onestamente non mi sembrano poi così elevate. La retroazione in effetti non la vedo e infatti volevo capire se funziona anche senza carico o se la tensione tende a elevarsi "indefinitamente" o comunque qualche altra situazione critica... cosa che dubito visto che è un'alimentatore per normali lampade, che giustamente possono bruciarsi.
Per quanto riguarda la stabilizzazione in effetti avevo pensato di utilizzare integrati tipo l'LM2576 che accettano tensioni variabili in ingresso anche con range elevati e poi danno in uscita i loro bei 5 piuttosto che 12v stabilizzati... inoltre è un regolatore switching a differenza dei classici 78xx, quindi ad alto rendimento. In questo modo potrei "fregarmene" dell'eventuale variabilità della tensione continua a valle del secondo ponte di Graetz.
Gli alimentatori switching di cui parlavi (tipo PC portatile) non so bene che sistema utilizzino, so solo che in giro non ho trovato integrati simili al sopracitato lm2576 che accettino circa 300V in ingresso (forse in effetti chiedo troppo) in modo da poterli attaccare direttamente alla rete dopo un ponte e un filtro, quindi non capisco se abbassino la tensione con un sistema simile allo schema che ho postato e poi la stabilizzino/raddrizzino o cos'altro...
In ogni caso mi piacerebbe anche solo riuscire a capirne il funzionamento, trovo intatti quasi affascinante come un circuito "con 4 componenti" riesca a convertire la tensione con un rendimento così elevato! nel circuito che ho smontato i transistor sono privi di dissipatore nonchè chiusi in una scatola sigillata... eppure sono garantiti 60W in uscita!
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[4] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteGuidoB » 6 apr 2012, 1:52

Ciao,
Foxato ha scritto:se non sbaglio parla di frequenze dell'ordine di 35khz, onestamente non mi sembrano poi così elevate.

No, non sono tanto elevate, ma anche gli alimentatori switching lavorano su queste frequenze e usano diodi Schottky...
Foxato ha scritto: La retroazione in effetti non la vedo e infatti volevo capire se funziona anche senza carico o se la tensione tende a elevarsi "indefinitamente" o comunque qualche altra situazione critica... cosa che dubito visto che è un'alimentatore per normali lampade, che giustamente possono bruciarsi.

Anch'io dubito, comunque direi che una prova dissiperebbe ogni dubbio.
Foxato ha scritto:Per quanto riguarda la stabilizzazione in effetti avevo pensato di utilizzare integrati tipo l'LM2576 che accettano tensioni variabili in ingresso anche con range elevati e poi danno in uscita i loro bei 5 piuttosto che 12 V stabilizzati... inoltre è un regolatore switching a differenza dei classici 78xx, quindi ad alto rendimento. In questo modo potrei "fregarmene" dell'eventuale variabilità della tensione continua a valle del secondo ponte di Graetz

Certo, ma... uhm... hai due switching in cascata, ciascuno con il suo bravo induttore o trasformatore... Le perdite, anche se modeste, si sommano... Se l'alimentatore delle lampade alogene ce l'hai quasi gratis, potrebbe anche convenirti, se no, probabilmente è meglio un alimentatore switching da tensione di rete "classico".
Però non ho fatto nessun conto e magari hai ragione tu.
Foxato ha scritto:Gli alimentatori switching di cui parlavi (tipo PC portatile) non so bene che sistema utilizzino, so solo che in giro non ho trovato integrati simili al sopracitato lm2576 che accettino circa 300V in ingresso (forse in effetti chiedo troppo) in modo da poterli attaccare direttamente alla rete dopo un ponte e un filtro, quindi non capisco se abbassino la tensione con un sistema simile allo schema che ho postato e poi la stabilizzino/raddrizzino o cos'altro...

Adesso non riesco a trovarti uno schema, comunque anche loro raddrizzano e livellano la tensione di rete, e con un oscillatore a duty-cycle variabile comandano un mosfet ad alta tensione che invia impulsi a frequenza ultrasonica a un trasformatore. Sul secondario del trasformatore la tensione viene raddrizzata con un diodo Schottky (raddrizzatore a singola semionda) e livellata, e un circuito di retroazione provvede a controllare il duty-cycle dell'oscillatore sul primario, comandandolo attraverso un fotoaccoppiatore per mantenere l'isolamento tra primario e secondario.
Vedi per approfondire le caratteristiche anche questo thread per esempio.
Foxato ha scritto:In ogni caso mi piacerebbe anche solo riuscire a capirne il funzionamento, trovo intatti quasi affascinante come un circuito "con 4 componenti" riesca a convertire la tensione con un rendimento così elevato! nel circuito che ho smontato i transistor sono privi di dissipatore nonchè chiusi in una scatola sigillata... eppure sono garantiti 60W in uscita!

Condivido in pieno :ok: . Piacerebbe capirlo anche a me.
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[5] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteFoxato » 8 apr 2012, 15:23

GuidoB ha scritto:Certo, ma... uhm...
hahahaha si, in effetti è una soluzione un po'... stravagante! :D però mi sembra una buona soluzione per realizzazioni fatte in casa in modo da ottenere potenze discrete senza creare stufette.

GuidoB ha scritto: Adesso non riesco a trovarti uno schema, comunque anche loro raddrizzano e livellano la tensione di rete, e con un oscillatore a duty-cycle variabile comandano un mosfet ad alta tensione che invia impulsi a frequenza ultrasonica a un trasformatore. Sul secondario del trasformatore la tensione viene raddrizzata con un diodo Schottky (raddrizzatore a singola semionda) e livellata, e un circuito di retroazione provvede a controllare il duty-cycle dell'oscillatore sul primario, comandandolo attraverso un fotoaccoppiatore per mantenere l'isolamento tra primario e secondario.

si, giustamente si risparmiano uno stadio! ottimo, grazie!

In ogni caso ho cercato di non arrendermi e credo di aver capito se non perfettamente almeno in prima approssimazione come funziona questo circuitello. Provo a spiegare come l'ho capito io, non sia mai che torni utile a qualcuno. Riporto lo schema per comodità di lettura.


Premessa:
-Innanzitutto specifico che il diac, che ha come simbolo quei due diodi in antiparallelo circondato da un cerchietto mantiene la tensione fino a un determinato valore (tipicamente 30V) e poi entra bruscamente in conduzione facendo crollare la sua impedenza, per maggiori info c'è wikipedia che consiglio di guardare per capire il funzionamento del dimmer con il diac. In parte infatti questo circuito si basa sullo stesso principio.
- In secondo luogo specifico che le tre induttanze T1, T'1 e T''1 non sono indipendenti, il nucleo ferromagnetico di cui sono dotate è infatti uno solo, quindi di fatto costituiscono un trasformatore. In particolare l'avvolgimento in serie al trasformatore rispetto agli avvolgimenti in serie alla base dei transistor (che tra loro hanno lo stesso numero di spire) è di circa 1 a 5, in particolare nel mio circuito è: 1 spira, 5 spire.

Bene, fine premesse. Attacco la presa:
1) il condensatore più a sinistra inizia a caricarsi con una costante di tempo data dal valore del condensatore e delle resistenza che si trova sopra (hanno valori elevati quindi non scorrono grossi valori di corrente, la resistenza sul mio circuito è da 1/4 di watt).
2) appena la tensione sul condensatore supera circa 0,7V il diodo entra in conduzione e induce una corrente che attraversa T1 e il primario del trasformatore andando a caricare le capacità presenti più a destra.
3) la corrente che circola in T1 induce una corrente in T'1 che a sua volta attiva il BJT più in alto, a questo punto si instaura una sorta di retroazione positiva che mantiene il BJT bello acceso e i condensatori a destra si caricano sempre di più. Il transistor basso invece non si accende perché l'avvolgimento è avvolto al contrario in modo da spegnere il transistor.
4) dopo un po' il diodo va in interdizione poiché la tensione alla sua destra non è altro che v+ del raddrizzatore meno circa la caduta tra collettore ed emettitore (circa 0,2v) e quindi il condensatore a sinistra continua a caricarsi nuovamente attraverso la resistenza che si trova esattamente sopra nello schema.
5) La tensione ai capi del diac dunque sale fino a quando raggiunge 30V, poi crolla. A questo punto la corrente fornita dal condensatore va ad accendere il secondo transistor e in parte su T''1 anche se leggermente dopo a causa del filtro.
6) A questo punto ho un bel corto tra alimentazione e massa, ma sul transistor in basso inizia a scorrere anche la corrente dovuta alle capacità a destra che si scaricano secondo il processo inverso rispetto a prima. Quindi la corrente su T1 si inverte spegnendo il transistor sopra e creando invece, come nel caso precedente, una retroazione positiva nel transistor sotto che quindi rimane bello acceso fino a quanto le capacità di destra non sono completamente scariche. A questo punto può ricominciare il ciclo.

ps: facendo in modo che il diac entri in conduzione solo dopo che la corrente su T1 si sia già arrestata a causa del raggiungimento del picco di tensione si può evitare di far entrare in conduzione i due transistor contemporaneamente, anche se solo per tempi pressoché istantanei.
ps2: in realtà alla tensione di accensione non contribuisce solo la tensione ai capi del condensatore, ma anche quella ai capi dell'induttore in base al transistor in basso, che presenterà una differenza di potenziale pari al rapporto di trasformazione degli induttori (T1,T'1 e T''1), che comunque avrà un contributo marginale rispetto ai 30V necessari all'accensione del diac.
ps3: variando la costante di tempo dettata da R e C più a sinistra nel circuito si può anticipare o ritardare l'entrata in funzione del diac, quindi ottenere una modulazione della tensione d'uscita... quindi una funzione di dimmer per le lampade collegate come carico.

Mi rendo conto che non è una spiegazione rigorosa, non so se sia tutto giustissimo in realtà ho qualche dubbio... spero solo di non aver detto troppe castronerie. :oops: :mrgreen:
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[6] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteAOX » 8 apr 2012, 19:26

Premetto che circa 15 anni fa sono stato "costretto" per lavoro a fare anche questo genere di circuiti per una ditta abbastanza piccola che ne faceva 5000 al mese.
I due condensatori in serie sulla destra assieme ai 2 transistor formano una configurazione a mezzo ponte (mezzo perché la H è fatta da un ramo attivo, i 2 transistors, e da un ramo passivo, i 2 condensatori). Lo scopo dei due condensatori è quello di creare una tensione fissa a metà strada (circa 150V) in modo che quando alternativamente chiudono i due transistors si applica una tensione alternata di +/150V in entrambi i versi al primario del trasformatore.
Il piccolo trasformatore toroidale ha il primario di una spira in serie al primario del trasformatore di potenza e due primari a qualche spira (circa 4 più o meno) che pilotano alternativamente i due transistors. Il circuito è quindi autooscillante e l'innesco è dato, semiciclo per semiciclo, dalla scarica del condensatorino tramite il diac quando arriva a 30V (cioè poco dopo lo zero della rete). Se ritardi la carica del condensatore aumentando la resistenza di carica, l'innesco avviene più in ritardo e si riduce la luce. Il diodo di cui parli al punto 2 invece serve a tenere basso il condensatore di innesco una volta che il transistor basso è in conduzione (ed è quello innescato per primo dal diac).
Usarlo per alimentare circuiti vari invece di lampade è una tentazione ma tieni conto che in uscita c'è una 40KHz modulata dalla 50Hz di rete. Quindi non devi filtrare solo la 40KHz ma anche la 50Hz.
Inoltre con il pilotaggio in corrente (trasformatore piccolo toroidale) se non hai un carico minimo resistivo non si autosostiene. Io preferivo pilotarli in tensione infilando dentro la fessura del trasformatore principale un cartoncino flexistrip da 6 conduttori (per realizzare due avvolgimenti a 3 spire di pilotaggio) poi saldato come un ponte sullo stampato sotto, sia per risparmiare sul toroide, sia per non avere il problema del carico minimo. Anzi aveva anche un effetto limitativo perché, caricandolo di più, pilotava di meno i transistors al contrario di questo che più lo carichi più pilota.
Con tale sistema al massimo ho fatto dei 250W. Da tempo esistono diversi circuiti integrati che fanno la stessa cosa ad esempio di Interational Rectifier:
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irs2153d.pdf
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[7] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteFoxato » 9 apr 2012, 14:58

grazie mille aox!!!
Però.. non mi sono chiare un paio di cose, sicuramente relazionate tra loro. Come dici viene attivato per primo il transistor in basso grazie al diac, poi quindi la corrente fluisce dai condensatori, attraverso il primario e il transistor basso verso "massa"... ma poi chi mantiene acceso il transistor in basso? l'induttanzia in base o la caduta ai capi del condensatore che se non erro è di circa 0,9V (caduta del diodo più quella della Vce se il diac è ancora acceso)? e soprattutto, perché avviene l'autooscillazione? cioè cosa mi fa accendere il transistor sopra?
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[8] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteAOX » 9 apr 2012, 16:32

Il circuito è autooscillante e il piccolo trasformatore toroidale ha le fasi dei due secondari messe in modo che ci sia una reazione positiva. A un certo punto, essendo un trasformatore reale, raggiunge la saturazione.
Quindi autooscilla "sbattendo" continuamente tra le due posizioni estreme (da una polarità all'altra). La frequenza di autooscillazione si stabilisce a seconda delle sue caratteristiche oltre che a quelle dei transistors e del resto.
Questa application della ST parla di questo genere di prodotti:
http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00003902.pdf
In particolare se cerchi nell'ambito di marche di componenti, in particolare i transistor, interessate a sponsorizzare i loro, troverai varie informazioni. Per esempio nel mio caso, se non ricordo male visto che me ne sono occupato nella prima metà degli anni '90, si usavano i soliti MJ13007, dei transistoracci con elevata corrente, velocità ma guadagni infimi (tanto ci pensava il potente trasformatorino toroidale).
Se attacchi l'oscilloscopio analogico in uscita vedrai un'immagine con forma ad "occhio" in quanto è la forma d'onda della 50Hz, visto che non ha filtraggio sulla alta tensione, riempita dall'oscillazione a 40KHz.
Per questo per raddrizzare l'uscita ci vorrebbe ben un ponte di diodi veloci e a bassa caduta. Non è l'ideale per uno switching dover usare un ponte intero di diodi sull'uscita viste le correnti, ma anche io ricordo che avevo bisogno di un piccolo trasformatore da spina e lo ho improvvisato con questo circuito visto che traboccavo da tutte le parti di questi componenti. Inoltre scordati la stabilizzazione: alla fine si ottiene l'equivalente di un trasformatore a 50Hz seguito da un ponte di diodi più elettrolitico (mettilo buono viste le frequenze e aggiungi tra il ponte e il condensatore una bobina di filtro altrimenti sfinisci l'elettrolitico).
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[9] Re: Trasformatore elettronico

Messaggioda Foto UtenteFoxato » 9 apr 2012, 23:39

Ti ringrazio per le risposte e per i suggerimenti! :ok:
C'ho ragionato un bel po' su.. e in prima approssimazione l'ho capito, tuttavia non ho intenzione di realizzarlo, almeno a breve termine. Infatti non dispongo di un oscilloscopio, quindi sarebbe inutile realizzarlo per poi non vedere come si comporta e/o non poter intervenire per farlo funzionare, spero di poter rimediare tra in un futuro non troppo remoto.
grazie ancora O_/
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