PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE GENERATORE CORRENTE COSTANTE (CARICABATTERIE)
Questo progetto (in realtà non ancora realizzato anche se lo farò presto) nasce inizialmente a causa della reale mancanza di disponibilità in rete di schemi semplici ed efficaci di generatori di corrente costante (utilizzabili perciò ad esempio per la carica delle batterie NiCd e NiMH) in cui sia possibile REGOLARE la corrente di uscita/carica. Ho fatto parecchie ricerche, anche su siti non italiani, e sinceramente non ho trovato nulla del genere! La grandissima parte dei caricabatterie utilizza il classico LM 317 in configurazione corrente costante. Circuito peraltro semplicissimo ed affidabile, con il solo difetto che non è possibile alcuna regolazione continua della corrente in uscita. Al massimo si può implementare un deviatore multiplo (rotativo) con diverse resistenze che consentono di ottenere altrettante correnti fisse. Ciò che invece volevo io era un qualcosa che consentisse una regolazione continua, tramite potenziometro per capirci. Dopo aver cercato inutilmente schemi già pronti e dopo essermi consigliato con gli amici del forum di ElectroPortal (http://www.electroportal.net/phpBB2/) ho quindi deciso di passare alla progettazione/calcolo da zero dell'intero circuito.
Naturalmente ho escluso a priori l'uso del LM317, visti i presupposti. L'idea quindi si è spostata su un generatore basato su circuito operazionale che pilota un transistor (Darlington) in modo da fargli generare la corrente voluta.
La scelta della corrente. Ho deciso che per i miei scopi (ed anche per l'eventuale uso come caricabatterie!) il range di corrente che mi interessava era quello da 100 mA a circa 1A, regolabile linearmente e con continuità. In questo modo come caricabatterie a corrente costante (circa 10-12 ore ad 1/10 della capacità della batteria) si possono ricaricare batterie (o pacchi batteria) da 1 a 10 Ah, cioè la maggior parte di quelli attualmente in commercio. Ovviamente nulla vieta di modificare i valori a schema in modo da ottenere intervalli differenti nella corrente di uscita.
Vediamo lo schema.
Preciso che in questa sede non mi dilungherò sul funzionamento degli amplificatori operazionali, quindi rimando chi fosse interessato a comprendere a fondo il funzionamento del circuito a fare qualche ricerca e studio tramite le innumerevoli fonti disponibili anche su internet riguardo l'argomento.
In pratica il potenziometro lineare R4 (assieme a tutto il partitore formato da R1, R2 ed R4 appunto) fissa in modo regolabile una tensione di riferimento sul piedino non invertente (+) dell'operazionale. Il piedino invertente (-) fa invece capo alla giunzione fra emittore del transistor e resistenza R3, fungendo questa da "sensore" di corrente. La corrente attraversa il "carico" (indicato dalle due frecce di uscita), il transistor e successivamente la resistenza R3 da 1 ohm. Ai capi di questa si genera una tensione il cui valore dipende dalla corrente che la attraversa e dal suo valore resistivo secondo la ben nota legge di Ohm. Se ad esempio il carico (anche una batteria da caricare) è attraversato da 1A, lo sarà di conseguenza anche la resistenza R3.
La legge di Ohm dice che V=R*I dove V sono i volts, R la resistenza in ohm e I gli ampere. Nel nostro esempio si ha che V=1*1=1, quindi quando la resistenza viene attraversata da 1A di corrente determina (con il suo valore di 1 ohm) una caduta di tensione pari ad 1 volt. Dall'altro lato, se la corrente minima che desideriamo è pari a 100 mA (0.1A), la legge di Ohm dice che la caduta di tensione sarà pari a V=0.1*1=0.1 V.
Il range di tensioni monitorato dal piedino 2 dell'integrato sarà perciò compreso fra 0.1 e 1 V. Questo dunque sarà il range di tensione che occorrà disporre (in modo regolabile!) sul piedino 3 così da poter fissare la corrente erogata fra i limiti prefissati (0.1-1A).
Il valore di 1 ohm di R3 è stato scelto "con criterio" in base ai valori delle correnti in gioco, in modo da determinare una caduta di tensione non esageratamente bassa anche alla minima corrente e al tempo stesso non troppo alta e tale da far dissipare troppa potenza alla R3. Nel caso specifico la R3 dissiperà al massimo W=V*I ossia W=1*1=1 watt (i 5 watts di potenza sono per sicurezza e per evitare un riscaldamento eccessivo).
Per ottenere una migliore regolazione, soprattutto più stabile, ho preferito alimentare il partitore di tensione tramite un integrato stabilizzatore da 5 V anzichè dalla medesima tensione che alimenta il resto del circuito. Basta una versione "L" (78L05), in contenitore TO92 plastico, tanto non vi è praticamente richiesta di corrente dal partitore (circa 1 mA).
Il partitore R1, R2, R4 è stato calcolato con la relativa formula:
In questo caso applicata a rovescio (e considerando l'escursione del potenziometro):
Se avete voglia di "smanettare" un po' con la matematica e i sistemi posso garantire che non sarà difficile giungere alla mia soluzione, cioè i valori che trovate a schema (è ovviamente solo UNA delle possibili soluzioni usando le formule!!). In ogni caso il partitore indicato secondo i calcoli dovrebbe fornire in uscita (partendo da 5 V e sul centrale del potenziometro) una tensione variabile fra 100 mV (0.1 V) e 1 V, che è esattamente quella che ci occorre per ottenere l'escursione in corrente desiderata.
Sul resto del circuito c'è poco da dire, è un classico! Il ponte raddrizzatore potete ometterlo se volete alimentare il generatore/caricabatteria attraverso un alimentatore stabilizzato oppure direttamente dalla batteria dell'auto (questo soprattutto per modellisti e camperisti!). Il C1 è il classico condensatore elettrolitico di filtro (valore non critico, ma direi valido per correnti sino a 1-1.5 A). Tutti gli altri condensatori sono una "sicurezza" contro ogni tipo di disturbo, in particolare mi riferisco a C4, C5, C6, C7.
Le resistenze (a parte la R3 di cui si è già detto) sono tutte da 1/4 W.
Voglio spendere una parola in più sul transistor. Innanzitutto come detto è bene scegliere un modello "Darlington", in modo da avere un guadagno in corrente molto alto, così da non caricare troppo l'uscita dell'operazionale. I classici modelli usabili (sono solo una scelta fra le moltissime possibili, tra cui persino montare due transistor separati e collegati secondo la configurazione Darlington!) possono essere il BDX 53, oppure il BD 649. E' IMPORTANTISSIMO che questo transistor sia ampiamente DISSIPATO dal calore generato!!! Nelle condizioni più gravose il T1 arriverà a dissipare circa 15-16 Watts! Il che senza dissipatore (generoso!) si traduce nel renderlo incandescente (e poco dopo distrutto) in pochissimi minuti. Se poi calcolate che se usate il generatore per caricare batterie, questo dovrà fornire corrente per almeno 10-12 ore... Consiglio davvero un BUON dissipatore e di montare il transistor utilizzando l'apposita pasta al silicone per montaggi elettronici, eventualmente interponendo una mica per isolare elettricamente il transistor.
Anche la R3 scalderà un po', ma usandone una da 5 W si dovrebbe avere una buona dissipazione. E' comunque possibile salire di potenza (10 W).
Una nota IMPORTANTE: riguardo l'integrato VA scelto secondo determinate caratteristiche e direi che i modelli da utilizzare possono essere il LM 358 indicato a schema, oppure il LM 2904. La scelta è soprattutto relativa ai modi comuni di lavoro dei vari integrati. Se l'op-amp non lavora con modi comuni di in e out prossimi a V- il circuito in questione NON può funzionare!!! Tanto per fare un esempio, il buon vecchio uA 741 non funziona se la tensione in ingresso si avvicina troppo alle tensioni di alimentazione, quindi nel mio progetto NON può essere impiegato!!
Direi che per quanto riguarda il progetto è tutto e che schema e calcoli dovrebbero fornire i risultati voluti senza problemi. In questo caso tuttavia, visto che ho progettato l'intero circuito da me e l'ho calcolato da zero, per essere certo del corretto funzionamento sono ricorso ad un programma di simulazione per circuiti elettronici, ottenendo i risultati che ora vado a mostrare.
SIMULAZIONE
Tramite opportuni software è possibile ottenere una vera e propria simulazione del funzionamento di qualsiasi circuito elettronico. Si tratta di programmi piuttosto complessi e in genere molto costosi, anche se a livelli inferiori si possono comunque reperire in versione "demo" o limitata. Voglio comunque sottolineare come l'uso di questo tipo di analisi fornisca risultati attendibili e validi solo nel caso in cui si abbiano GIA' conoscenze sufficentemente approfondite del circuito in esame e almeno le basi dell'elettronica che vi sta sotto. Non è assolutamente possibile "progettare un circuito" direttamente dal simulatore e senza almeno sapere cosa aspettarsi, come funziona lo schema e approssimativamente come si calcola!! Si otterrebbero dei risultati spesso inutili e a volte fuorvianti. Usare un simulatore senza le dovute conoscenze quasi sempre da come risultato il prendere "cantonate" anche notevoli e aspettarsi un risultato che poi si dimostrerà lontano o diverso da quello reale.
Fatta la dovuta premessa passiamo al generatore di corrente. Ciò che ovviamente interessa è sapere se variando nei limiti previsti la tensione al piedino non invertente dell'amplificatore operazionale si ottiene o meno la corrente calcolata in uscita (sul carico, ossia al collettore del transistor). Il circuito disegnato al simulatore (MicroCap 9 nel caso specifico) è il seguente:
Qualche spiegazione. Il generatore V1 rappresenta ovviamente la tensione di alimentazione principale del circuito (nella simulazione l'ho posta pari a 12 Vcc). Il generatore V2 rappresenta l'uscita del regolatore 7805 nello schema, quindi è settato a 5 Vcc. Il potenziometro X2 è ovviamente da 1K come da schema. La resistenza R4 invece rappresenta nella simulazione il carico. L'ho arbitrariamente scelta da 2 ohm, solo per dare un basso valore resistivo e verificare la corrente in uscita a pieno carico. Inoltre scegliendo un valore troppo alto sarebbe stato necessario alzare il valore della tensione di alimentazione per fare erogare 1A di corrente al circuito. Ovviamente che la R4 sia 2 ohm oppure 1 oppure 5 non cambia nulla!
I punti marchiati in rosa e numerati sono i "nodi" su cui è possibile impostare una analisi o leggere i valori calcolati di vari parametri (correnti, tensioni, ecc.). Quelli che ci interessano maggiormente sono 1 e 5, ossia tensione sul piedino non invertente e corrente di collettore.
Nella prima simulazione ho posto in relazione proprio il valore della tensione al nodo 1 con la corrente al nodo 5 (quindi generata). Il risultato è il seguente:
Sulle ascisse (asse X) è riportata la tensione in V al piedino non invertente dell'integrato, mentre sulle ordinate (asse Y) vi è la corrente in A sul carico in uscita.
Come è facilmente deducibile si ha una variazione perfettamente lineare fra i due parametri e, soprattutto, con i valori di tensione calcolati nel progetto si ha esattamente la corrente di uscita (o di ricarica se si preferisce) prevista e voluta, con inizio a 0.1 A e termine a 1.1 A, leggermente superiore a 1 A massimo desiderato ma molto utile per compensare eventuali tolleranze dei componenti reali.
Poichè la tensione considerata è correlata a sua volta in modo lineare al partitore di tensione e in particolare alla variazione di resistenza del potenziometro, non occorrerebbe neppure una nuova simulazione per dimostrare che la stessa curva e gli stessi valori si ottengono confrontando la corrente di uscita (sempre asse Y) con la variazione in ohm del potenziometro (asse X). Ho tuttavia voluto ripetere la simulazione con questi due parametri a verifica di quanto ottenuto prima. Il risultato è decisamente soddisfacente:
Come si vede anche in questo caso la corrente di uscita non solo è proporzionale al valore assunto dal potenziometro, ma in questa simulazione si vede anche che i limiti progettuali sono rispettati. Quando il potenziometro è a zero la corrente di uscita (minima) è 100 mA. A salire sino a quando il potenziometro raggiunge il suo massimo (1K) e la corrente è salita sino a 1.1 A. Con potenziometro a metà corsa (0.50 Kohm) la corrente è di 600 mA (0.6 A).
Da ultimo uno degli amici del forum di ElectroPortal ha voluto valutare anche la stabilità della corrente di uscita in presenza di un eventuale oscillazione residua della tensione di alimentazione sotto carico (ripple alto, filtraggio insufficente...). Questi i risultati.
Anche con una ondulazione della tensione di ben 4 Volts la corrente di uscita (in questo caso fissata a 500 mA) rimane perfettamente stabile ed insensibile alle fluttuazioni dell'alimentazione! Ottimo risultato, che comunque conferma anche sotto questo punto di vista la massima affidabilità del mio circuitino!! ;-)
CONCLUSIONI
Ho voluto spiegare la progettazione e i test (sia pur simulati) relativi a questo semplice circuito generatore di corrente costante (possibile caricabatterie) nella speranza possano interessare qualcuno, almeno dal punto di vista teorico. Ritengo inoltre molto interessante il progetto stesso, in quanto come detto non sono riuscito a reperire in rete un buon generatore che avesse la particolarità di essere REGOLABILE nella corrente di uscita, in modo da poter essere facilmente adattato a vari usi (anche a varie capacità di batteria se usato con lo scopo della ricarica). Penso perciò che anche chi non è interessato alla parte progettuale e di simulazione possa comunque trovare uno schema di buon interesse.
Non ho ancora realizzato nella pratica il generatore, quindi non l'ho ancora testato nella realtà, ma dopo i calcoli e soprattutto le simulazioni fatte penso di poter sostanzialmente garantire il successo a chi lo vorrà costruire. Abbiate quindi la massima fiducia: lo schema è certamente buono e non tradirà le aspettative!! ;-)
ULTIME NOTE
1) Lo schema si presta abbastanza facilmente a modifiche per variare il range di corrente. In pratica occorre ricalcolare il partitore resistivo ed eventualmente rivedere il valore della resistenza "sensore" (per correnti più elevate converrebbe scendere a 0.1 ohm). Il resto del circuito dovrebbe essere già adatto. Ricordatevi semmai del problema dissipazione per il transistor, soprattutto se aumentate la corrente massima.
2) E' ovvio che nell'uso pratico occorre inserire un amperometro in serie all'uscita in modo da poter regolare il potenziometro sino ad ottenere la corrente desiderata. L'amperometro può essere sostituito dal tester digitale inserito temporaneamente per effettuare la regolazione. Se poi non occorrono valori di corrente precisissimi è sempre possibile realizzare una scala graduata attorno alla manopola del potenziometro, così da poter effettuare una regolazione di massima anche senza strumentazione. Data la linearità vista anche nelle simulazioni la scala dovrebbe essere di semplice realizzazione (spazi uguali fra le tacche per ottenere incrementi di corrente uguali).
Con questo spero di aver detto proprio tutto. Se vi fossero dubbi o perplessità contattatemi pure senza problemi: vi risponderò appena possibile. Se qualcuno realizzasse il prototipo del circuito... mi farebbe piacere sapere come si trova e se tutto funziona a dovere, anche se ne sono già certo!
BUON LAVORO A TUTTI!!!