Elevatore di tensione per nixie

Come ottenere una tensione di 40-170V 5-6W.

Alcuni componenti richiedono una tensione elevata per funzionare: tipicamente parliamo di display nixie, valvole termoioniche, display VFD, tubi Geiger,  dove sono normali tensioni 40V in su.

Se disponiamo di una alimentazione dalla rete, non è certo difficile ottenere questi valori con un trasformatore adeguato, ma dove vogliamo alimentare l'apparecchiatura con batterie, occorre un elevatore di tensione.

Si possono usare numerose circuiterie, ma, solitamente, l'impiego di circuiti integrati specifici permette di ottenere buoni risultati con pochi componenti.

Ecco un esempio di questo genere di circuiti

MC34063.

Vogliamo ottenere una tensione variabile tra 40 e 180V circa con una potenza massima di 5-6W, a partire dalla tensione di 12-15V.

Utilizziamo un non recente, ma sempre valido, MC34063, che è disponibile sia in package DIP che per surface mount. Si tratta di un integrato abbastanza comune e che può essere impiegato per step-up, step-down e inverter. Fondamentalmente, si tratta di un regolatore di commutazione con tutte le funzioni richieste per la costruzione di convertitori DC/DC buck o boost. Contiene un riferimento di tensione, un comparatore, un controller PWM e un interruttore di uscita ad alta corrente e richiede un numero limitato di componenti esterni. Può essere alimentato fino a 40V e lo switch interno consente di commutare fino a 1.5A. Una resistenza tra il pin 6 e 7-1, in serie al transistor di commutazione, consente di limitare la corrente massima. La capacità collegata al pin 3 determina la frequenza di oscillazione, che può arrivare a 100kHz.

L'impiego è semplice. Nel foglio dati è presentato il circuito minimale per realizzare un boost:

La resistenza Rse ha lo scopo di limitare la corrente nella bobina, commutata dallo switch interno Q1. Questo consente di evitare la saturazione dell'induttore e un eccesso di corrente in Q1. La resistenza Rs limita la corrente che Q2 inietta nella base di Q1, che è un transistor NPN. Il condensatore C3 determina la frequenza dell'oscillatore.   Occorrera aggiungere un diodo esterno D1, che sarà un fast recovery o uno Scottky. Il feedback che determina la tensione in uscita è stabilito dal partitore R2/R1.

La massima tensione supportata dal circuito è 40V: nella nostra applicazione, vogliamo ottenere uscite superiori cui utilizziamo un MOSFET esterno.

Il gate del MOSFET è portato alla tensione di alimentazione attraverso i transistor integrati, mentre è mantenuto a massa attraverso la R2.

Il MOSFET commuta alla frequenza stabilita da C4: quando l'impulso sale, la capacità del gate è caricata attraverso i transistor integrati, che hanno una capacità in corrente adeguata. Quando l'impulso termina, il gate dovrebbe essere scaricato a massa attraverso R2: il problema è che il tempo di scarica avrà la conseguenza di una cattiva forma d'onda a frequenze elevate.
Per ovviare alla cosa, utilizziamo un transistor PNP e un diodo. Il gate viene portato a livello alto dal transistor interno al circuito integrato attraverso il D1, mentre, al cessare dell'impulso, il transistor Q2 provvederà a scaricare a massa la capacità residua del gate. Questo consente una commutazione con fronti ripidi e quindi con minime sovra oscillazioni e perdite.
il diodo D1 potrà essere un piccolo Schottky, genere BAV34. Se non disponibile, un comunissimo 1N4148 potrà essere usato per le prove.
La resistenza Rs dello schema applicativo non viene qui usata, dato che si tratta di comandare il gate del MOSFET e non la base di un BJT.

Per quanto riguarda l'oscillatore, con il condensatore C4 usato abbiamo circa 56kHz.

Il MOSFET dovrà avere una tensione sufficientemente elevata. Si potranno usare elementi in TO220 o TO251 senza richiesta di alette di raffreddamento.

La tensione di alimentazione arriva al pin 1-2 del connettore JP1 e raggiunge il pin 6 (Vcc) dell'integrato. 
Un LED indica la presenza della tensione di alimentazione.

La tensione in ingresso è sostenuta da C3 e C5 che riducono l'impedenza del generatore nel caso di collegamenti non minimi. Ancora, C2 e C7 forniscono la riserva di corrente per lo switch. Per gli elettrolitici, elementi a basso ESR migliorano le prestazioni.

La corrente nel circuito è limitata dalla R1. Nel nostro caso, la corrente nel transistor di potenza interno al circuito è limitata a quella di comando del gate del MOSFET e quindi mediamente minima. Però, dato che la R1 è in serie alla bobina, il sensore di corrente ha comunque effetto, limitando la corrente nella bobina e nel contempo evitando sovraccarichi: quando interviene la limitazione di corrente, l'impulso di comando viene interrotto.

Nel prototipo è stato scelto un valore di 0.2ohm, che permette una resa di 5-6W in uscita senza necessità di utilizzare un dissipatore per Q1.
Volendo ottenere potenze maggiori, si potrà ridurre  R1 o anche eliminarla, collegando i pin 6 e 7 direttamente; in questo caso sarà necessario un dissipatore per Q1 e non sarà presente alcuna limitazione di corrente nel circuito.

Il diodo D2 sarà uno Schottky o comunque un fast recovery in grado di sostenere ampiamente la corrente e la tensione di uscita.

La tensione di uscita è determinata dal partitore R3/R4 + R6. I valori del partitore e dell' induttanza sono calcolabili con le formule presenti sui fogli dati, ma per chi vuole fare a meno delle formule, sono altresì disponibili vari calcolatori in rete per facilitare il dimensionamento delle parti.

In ogni caso, il valore della tensione di uscita è dato da:

Vout = 1.25 (1+(R3/Rx))

dove Rx è la resistenza somma di R4+R6. 1.25V è la tensione del riferimento interno.

Nella nostra realizzazione si voleva ottenere una tensione regolabile, per diversi impieghi, tra 45 e 170V. La possibilità di variazione si ottiene con il trimmer R6; se occorre solo una tensione fissa, si sostituirà R6 con un resistore opportunamente calcolato. 

L'uscita al pin 3 di JP1 è impulsiva e può essere usata per alimentare un duplicatore o un triplicatore di tensione esterni (diodi + condensatori), ottenendo oltre 400V senza variare il circuito

Il circuito è stato realizzato su uno stampato a singola faccia, di dimensioni ridotte ( 35x39mm ).

Per ottenere il massimo della compattezza, parte dei componenti sono SMD, montati sul lato rame. 

Il circuito non è critico e si potrà realizzare con componenti su foro, con un minimo aumento dell'area dello stampato, ma anche su schede millefori e simili.

Il limite di 170-180V in uscita è determinato essenzialmente dalle caratteristiche dei componenti usati e del circuito stampato, ma è facilmente superabile utilizzando componenti adeguati.
In ogni caso, è opportuno una mano di vernice antiarco sul lato delle saldature per evitare che sporco o altro creino delle occasioni di scintilla o corto circuiti sull'area dell'uscita ad alta tensione.

I componenti usati:

La tensione di uscita, con i componenti utilizzati, varia da circa 45 a circa 150V, con una potenza di circa 4-5W. La tensione di alimentazione è opportuno non scenda sotto i 9V, altrimenti la corrente assorbita aumenterà e si ridurrà l'efficienza. Una alimentazione ragionevole potrà variare tra 11 e 18V (on una maggiore tensione di ingresso si otterrà anche una maggiore corrente in uscita). La corrente assorbita dipenderà ovviamente da quella richiesta in uscita, a meno del rendimento.
Con una tensione di alimentazione di 12V si ottengono in uscita circa 5.5W. Con una alimentazione a 15W si ha la possibilità di estrarre poco più di 6W. Il rendimento è mediamente superiore al 70%.
Ad esempio:

Il circuito fornisce una tensione stabile, ma con un ripple che per alcune applicazioni, può essere troppo elevato. Mentre non riveste particolare importanza nell'alimentazione di nixie o display a vuoto, nel caso di valvole usate per amplificazione potrebbe essere il caso di far seguire il circuito da un semplice filtro LC.

Alcune informazioni per applicare variazioni allo schema.

• MC34063 utilizza un ciclo di lavoro massimo di circa 0,857. Tuttavia, questo duty cycle è abbreviato dall'intervento della limitazione di corrente. In sostanza, più che di un vero PWM si tratta di un oscillatore in cui il tempo di on può essere interrotto dal sensore di corrente. L'oscillatore per la frequenza di commutazione e il comparatore del confronto con la tensione di riferimento non sono sincronizzati. Ciò significa che il ciclo di lavoro varia costantemente.
  
• La bobina deve avere una certa induttanza minima legata al valore della corrente massima ammessa e non dovrebbe entrare in saturazione. Peraltro, nel caso di un boost, come quello presente, una certa induttanza massima non deve essere superata per permettere alla bobina una carica completa nel tempo definito da C4.
  Peraltro, non è neppure troppo critica; nell'esempio, valori tra 100 e 150uH sono adeguati. Deve supportare una corrente di1.5-1.8A almeno.
  Quella usata è una comune a rocchetto verticale, di facile reperibilità (anche dallo smontaggio di alimentatori per PC).
  
• Il resistore limitatore di corrente R1 non serve solo come limite per la corrente di uscita, ma è limita anche la corrente della bobina: se la bobina ha una corrente di saturazione di 1A, R1 deve essere tale che la corrente non superi questo valore ( R1 = 0.33V / 1A = 0.33Ω) In caso contrario, ci sarà una riduzione dell'efficienza.
  
• 1.5A specificati nella scheda tecnica sono la corrente di picco del transistor interno, non la corrente di uscita del regolatore di commutazione. 
  In generale, nei convertitori boost di questo genere, il problema non è tanto la tensione in uscita, che può raggiungere valori anche elevati, quanto la potenza erogabile, che dipende da numerosi fattori.

Per ottenere tensioni più elevate, vanno considerati anche questi punti importanti:

• Il MOSFET Q1 dovrà essere in grado di sostenere ampiamente la tensione di uscita massima. Mantenete un margine abbastanza ampio di sicurezza. Nel circuito presentato è stato usato (2S)K2134 - TO220 che era disponibile, ma un IRFU320 (T0251) o altro a canale N con almeno 200V-3A sono adatti ad una tensione di uscita inferiore a 200V. Per aumentare la tensione di uscita si dovrà usare un MOSFET con una Vds adeguatamente maggiore. Da notare che, aumentando questo parametro, aumenta anche la resistenza di conduzione (Rdson); non è fondamentale, data la limitata corrente disponibile in uscita, ma è inutile impiegare un elemento da 800V se ne vogliamo ottenere solo 90V.
  
• Per il diodo D2 sono stati provati elementi come UF4007, FR107 e altri analoghi, di facile reperibilità anche dallo smontaggio di alimentatori PC. Per tensioni maggiori si useranno BYW95C, BAW56C e simili.
  
• I condensatori C1-C6 dovranno altrettanto essere in grado di sostenere la tensione in uscita, sempre con un buon margine di sicurezza. Da notare che all'aumentare della tensione di lavoro, aumentano le dimensioni del componente (a pari capacità). Quindi potrà essere necessario avere un circuito stampato più ampio.
  
• Questa considerazione vale assolutamente per distanze tra pista e pista e tra i componenti, per evitare scariche distruttive. In particolare, per tensioni superiori a 200V la distanza tra i pin del connettore dovrà aumentare a 5mm o più.
  
• La cosa vale anche per la resistenza R3: potrà essere un dato poco noto, ma i resistori hanno una tensione massima applicabile. Ad esempio, nel circuito presentato è stati usato un formato 0805 per R4, ma un 1206 per R3. Questo limita la tensione in uscita ad un valore minore di 200V, dato che questa è la massima tensione applicabile a questo tipo di resistori. Se dovete, ad esempio, ottenere 250V, occorrerà usare un resistore a montaggio su foro o due elementi 1206 in serie.  
  
• La tensione di alimentazione del circuito deve tenere conto del limite della tensione massima applicabile al gate del MOSFET, che, generalmente. è 20V. Quindi, per alimentazioni superiori a questo valore occorrerà inserire un diodi zener, ad esempio da 18V, e relativa resistenza per limitare la tensione al gate oppure si userà un NPN di potenza per Q1 (aggiungendo Rs).

Ultima notazione ovvia, ma sempre importante, è quella di considerare che tensioni sopra i 48V sono considerati pericolosi dalle normative internazionali: sarà opportuno maneggiare il circuito con la dovuta cautela. Anche se la potenza erogata è limitata, il rischio esiste comunque.  Sistemare il circuito in un contenitore isolante o comunque dove l'uscita non possa essere toccata per errore.

Sempre a riguardo delle tensioni elevate, non si tratta di un elevatore di tensione che possa sopportare corto circuiti prolungati, scintillamenti e simili : questi sono quasi certamente causa della distruzione dei semiconduttori usati.

Altre informazioni.

• Foglio dati ST  
• Foglio dati TI
• Foglio dati UTC
• Application of the MC34063 Switching Regulator - TI
• Application note AN920 - ONSemi
• Calculator online
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• MC34063 Boost Calculator