Generazione di alta tensione

I tubi Nixie sono ormai passati di moda ma trovano ancora applicazione nelle lampade fluorescenti a basso assorbimento. 

Analizziamo in questo articolo come utilizzare la tecnica PWM per generare i segnali di un convertitore DC-DC.

Il tubo Nixie è un dispositivo nato intorno alla metà del ventesimo secolo per la creazione di caratteri numerici ed è attualmente sostituito da più pratici e durevoli display LED o LCD. Esso può essere utilizzato nell’applicazione che descriveremo in questo articolo, per dimostrare la possibilità di generare alte tensioni a partire da un generatore di bassa tensione. L’articolo mostra una implementazione in cui un PIC16C782 viene usato, insieme a opportuni driver, per la creazione di un convertitore DC-DC, nel nostro caso funzionante in modalità discontinua. Il microcontrollore fornisce anche i codici per pilotare il display a tre cifre che visualizza i dati forniti da un sensore di temperatura.

DETTAGLI ESSENZIALI DEL CONVERTITORE

La Figura 1 mostra lo schema di un convertitore DC-DC funzionante in modalità discontinua: in esso la tensione di ingresso Vin è sempre minore di quella di uscita Vout.

Figura 1: schema di base del convertitore.

Figura 1: schema di base del convertitore

Figura 2: valore massimo dell’intensità corrente.

Figura 2: valore massimo dell’intensità di corrente

La corrente che attraversa l’induttore quando Q1 va in conduzione cresce nel tempo secondo la relazione mostrata in Figura 3; in essa si trascura la resistenza in serie dell’induttore e quella di ingresso di Q1.

Figure 3-4: equazioni che mostrano gli andamenti della corrente nell’induttore

Figure 3-4: equazioni che mostrano gli andamenti della corrente nell’induttore

Il valore massimo dell’intensità di corrente si ha quando Q1 viene spento; tale valore compare nella relazione riportata in Figura 2, dove D è il periodo del duty cycle e T il periodo del PWM. La corrente continua a scorrere attraverso il diodo D1 verso il parallelo formato dalla capacità C1 e il carico resisitivo Rl; la corrente inizia, così, a decrescere linearmente nel tempo fino a raggiungere il valore zero, secondo la modalità discontinua in cui viene fatto funzionare il convertitore (vedi Figura 4). La capacità si carica, così, sino al valore di tensione mostrato in Figura 5 (per maggiori dettagli si possono consultare i testi riportati nei riferimenti).

Figura 5: valore della tensione di carica della capacità.

Figura 5: valore della tensione di carica della capacità

ESEMPIO DI DISPLAY AD ALTA TENSIONE

I tubi Nixie considerati nell’articolo funzionano a 170 VDC, un’intensità di corrente di circa 4 mA (0.68 W ogni tubo): servono 2 W per far funzionare un display a tre cifre. La tensione di ingresso da amplificare è di 2 V; tale valore viene portato a 170 V dal DC-DC, con una potenza massima di uscita di 2 W. Dalla relazione di Figura 6 si può ricavare il valore dell’induttanza in funzione della potenza richiesta e dell’intervallo di tempo in cui il MOSFET Q1 rimane acceso; i valori scelti dell’oscillatore del PIC (4 MHz), del periodo del PWM (FOSC/128) e del duty cycle massimo (75%) forniscono per tale intervallo di tempo il valore di 24 microsecondi.

Figura 6: relazione della potenza in funzione dell’induttanza.

Figura 6: relazione della potenza in funzione dell’induttanza

Scegliendo un valore dell’induttanza di 330 microH, il corrispondente valore massimo della potenza è di 2.945 W, trascurando eventuali perdite. In realtà, si ha un valore minimo consentito dell’efficienza dell’induttore scelto del 67.9%; un valore del 70% è ragionevole per questa applicazione e non dovrebbe creare problemi. Il valore massimo della corrente che attraversa l’induttore si ricava dalla relazione di Figura 2 ed è di 330 microH, come riportato in Figura 7, entrambi i valori dell’induttanza e dell’intensità di corrente sono comuni. Il DC-DC funziona in modalità discontinua con i valori scelti per il carico.

Figura 7: calcolo dell’intensità di corrente che attraversa l’induttore.

Figura 7: calcolo dell’intensità di corrente che attraversa l’induttore

Perciò, il tempo di salita e di discesa dell’intensità di corrente che attraversa l’induttore va confrontato con il periodo di switching. Il tempo di salita è di 24 microsecondi, come già ricordato; quello di discesa si trova usando l’equazione riportata nelle Figure 3 e 4, come mostrato in Figura 8. Il periodo T è di 32 microsecondi ed è maggiore della somma dei due tempi di salita e discesa che definiscono il tempo totale in cui l’induttore è percorso da corrente: 25.34 microsecondi. Il convertitore funziona così in modalità discontinua considerando i valori scelti dell’induttanza, dei tempi del PIC e del carico.

Figura 8: calcolo del tempo di discesa dell’intensità di corrente.

Figura 8: calcolo del tempo di discesa dell’intensità di corrente

UTILIZZO DEL PIC16C781/782 NEL LOOP CHIUSO

Il loop chiuso fa uso di un PIC16C781/782, come mostrato in Figura 9: la tensione di feedback VVFB è posta all’ingresso invertente di un comparatore e confrontata con una tensione di riferimento fissa fornita da un DAC. Quando esse si equivalgono, il PSMC (Programmable SwitchMode Controller) viene resettato.

Figura 9: schema del loop chiuso.

Figura 9: schema del loop chiuso

Modificando la tensione di riferimento fornita dal DAC si modifica la tensione VOUT. Per maggiori dettagli circa il funzionamento del PSMC del PIC16C781/782 si può consultare il “PIC16C781/782 Data Sheet” (DS41171). Il duty-cycle del PWM va anche scelto per ridurre il ripple all’uscita. La tensione di riferimento VREF si modifica tramite il software e un possibile andamento di essa insieme alla tensione di uscita VOUT è mostrato in Figura 10, la tensione cresce linearmente in diverse centinaia di microsecondi. La scelta della tensione di riferimento e la salita graduale mantengono entro certi limiti il valore dell’intensità di corrente durante lo start-up e consentono l’uso di un FET di minore potenza.

Figura 10: andamenti delle tensioni di riferimento e di uscita.

Figura 10: andamenti delle tensioni di riferimento e di uscita 

 

 

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