DC-DC converter RR07.2013

Elevatori DC-DC di piccola potenza per uso amatoriale

Sempre più spesso nasce l’esigenza di disporre di tensioni continue superiori ai classici 12 o 13,8V comunemente disponibili nei nostri shack domestici o dalle batterie quando si opera in portatile e con potenze nell’ordine di alcuni watt.

In particolare i relè di commutazione RF quando di buona qualità e magari di origine surplus o aeronautica richiedono 24 o 28V, così come alcuni particolari dispositivi elettronici quali i diodi varicap.

Vediamo in questo articolo quindi due survoltori ben collaudati, scalabili e molto tolleranti ad essere replicati coi “componenti in fondo al cassetto”.

Da 12 a 24/28V per relé bistabile

DC-DC_html_b7d520ebIllustrazione 1: Relé a doppia bobina HP per microonde

Questo schema si propone di alimentare correttamente, partendo dai 12V, un relé bistabile a 24Vdc garantendo anche l’isolamento galvanico fra circuito di comando ed alimentazione/relé. Nella famiglia dei relè bistabili si trovano anche vari modelli della versione “transfer”, così come dispositivi di altissima qualità quali ad esempio quello riportato nell’immagine a fianco.

Vediamo ora lo schema elettrico proposto:

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Illustrazione 2: Schema elettrico proposto del survoltore 12-28V

Il cuore del circuito è l’oscillatore astabile realizzato da U1b, una delle quattro porte NAND del 4093B, un comune circuito integrato in logica cmos con ingresso a Schmitt trigger e uscita “buffered”, capace quindi di erogare alcuni mA. Alternative a questo dispositivo sono altre porte NAND così come NOT o inverter, purchè con lo stesso tipo di ingresso ad isteresi. La coppia C4+R3 determina la frequenza di oscillazione del circuito. Le tre porte U1a,c,d servono a pilotare una coppia di transistor in guisa di commutatori di potenza. La rete R4,C3 serve a pilotare i dispositivi di potenza con in modo da scongiurare l’evenienza che tutti e due si trovino in conduzione contemporaneamente, anche se per un breve periodo. Questa è una funzione molto importante per garantire l’affidabilità del circuito.

Q1 e Q2 sono due transistor in configurazione darlington di media potenza, facilmente sostituibili con altri disponibili di simili caratteristiche. Unici parametri da verificare sono appunto la configurazione (per avere un hfe o guadagno di corrente, elevato) e la corrente di collettore massima adeguata al carico.

L’uscita di potenza dell’oscillatore alimenta un doppio circuito di rettificazione e moltiplicazione, costituito dai componenti D1,2,3,4 e C5,6,7,8. Fra C6 e C8 avremo quindi disponibile una differenza di potenziale di circa 32V.

I quattro diodi D1,2,3,4 devono essere “veloci”, noti come fast recovery: io ho impiegato dispositivi da 100V e 3A, con un recovery time di 25nS. Può essere ovviamente impiegato qualunque dispositivo con prestazioni simili.

Il regolatore U2 è un classico LM317, che tramite le resistenze R10,11,12 stabilizza la tensione generata al valore di circa 28 V.

Può essere conveniente ricordare come l’uscita dipenda dal valore delle resistenze secondo la legge generale:

dove:

R2 è la resistenza fra il pin ADJ ed il riferimento (R10, 6800Ohm nel nostro caso)

R1 è la resistenza fra il pin USCITA e quello ADJ (R11//R12, 315 Ohm)

IADJ è la corrente in uscita dal pin ADJ e questo termine può sovente essere trascurato (tipico è 100μA).

La tensione ora elevata e stabilizzata al valore necessario (circa 28V), può alimentare il carico, che nel mio caso era appunto un potente ed affidabile relé transfer R&S che richiede per commutare, l’alimentazione sulla bobina specifica della porta da attivare.

In condizioni di ricezione, il transistor Q3 è interdetto e quindi il suo collettore sarà ad una tensione prossima a quella di alimentazione permettendo quindi la polarizzazione di Q4 alla saturazione (Vce 0). Così facendo la bobina RX del relè sarà alimentata, così come la sua spia, il diodo led D6.

Alimentando invece l’ingresso PTT del circuito con 12V, si attiva il fotoaccoppiatore FC1 che a sua volta porta alla saturazione Q3, attivando così la bobina Tx del relè. Con Q3 in saturazione, la sua Vce sarà prossima a zero, portando all’interdizione Q4 e con questo spegnendo l’altro carico.

FC1 può essere un generico fotoaccoppiatore con uscita a transistor, capace di almeno 5-10mA e nessun’altra particolare specifica.

D3,4 sono I classici diodi di ricircolo in parallelo alle bobine del relè ed hanno la funzione di smorzare il transitorio di apertura. Quasi qualunque diodo da almeno 50-100V ed 1A andrà benissimo.

D5 serve a garantire con ampio margine di tensione e leggero anticipo temporale l’interdizione di Q4 (e quindi lo spegnimento del relè Rx) quando Q3 è attivato.

Per finire questa parte, puo essere di vantaggio per il lettore disporre nella tabella seguente della piedinatura dei componenti attivi consigliati:

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4093

BD680

LM317

TLP620

BC337

Da 12V a 9,18,30V per circuiti complessi e sintonizzazione

Questo schema nasce da una mia passata esigenza di alimentare a batteria 12V un sintonizzatore Tv satellite normalmente funzionante alla tensione di rete a 230Vac. Questi dispositivi richiedono spesso ben 3 tensioni:

  • 9 & 18 V per la logica e gli amplificatori

  • 30V per la sintonia a varicap

Al di là dell’uso specifico che mi portò a progettarlo, credo sia un circuito molto flessibile ed idoneo a risolvere differenti ed attuali problemi.

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Illustrazione 3: Schema suggerito per alimentatore 18-30V

La parte più “ovvia” è quella relativa all’uscita a 9V, realizzata con un comune integrato di stabilizzazione lineare (U2, famiglia 7809). Data la sua semplicità, questa sezione non merita ulteriori approfondimenti.

Vediamo invece come realizzare le uscite a 18 e 30V.

Il cuore del circuito è l’oscillatore già analizzato nel circuito precedente.

Questa volta però, pilota due sezioni di commutazione di potenza indipendenti e ambedue riferite a massa, le cui uscite, poste opportunamente “in serie”, permettono di raggiungere le tensioni più elevate richieste.

All’uscita (capi di C6,10) della prima sezione infatti si concretizzeranno circa 22V coi quali alimentare un comune stabilizzatore integrato a 18V (U3, 7818).

Sommando a questa uscita la tensione generata dall’altra coppia di commutatori (Q3,4) si oltrepassano i 30V minimi richiesti.

La serie di cinque diodi zener D7,8,9,10,11 serve a limitare la tensione in uscita a non oltre circa 38V, sia nel caso di carico non connesso sia di tensione di alimentazione dell’intero circuito superiore ai 12V (ad esempio i 13,8V disponibili nello shack).

Per finire anche questa volta, può essere di vantaggio per il lettore disporre nella tabella seguente della piedinatura dei componenti attivi suggeriti:

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78xx

BDX54

Conclusioni:

Confido che I due semplici schemi proposti possano risolvere molti problemi di alimentazione specie “on field”. I circuiti sono semplici, facilmente replicabili ed adattabili ad esigenze differenti, nonché dotati di una buona efficienza. Non mi rimane quindi che augurare buone alimentazioni a tutti!

73, Pierluigi

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