FLYBACK DIRETTAMENTE A 230 VAC

 

UN PO DI STORIA

 Agli albori della mia passione per l’alta tensione, non mi sarei mai immaginato di costruire un Tesla, ne tanto meno di maneggiare grosse potenze. I primi circuiti che realizzavo erano perlopiù i classici trasformatori di riga TV del vecchio tipo “non triplicati” pilotati da un banalissimo oscillatore Flyback a transistor 2N3055. La potenza era irrisoria ed il povero transistor scaldava a tal punto da servire quale stufa per l’inverno. Dite quello che volete ma a me, che ero un ragazzino di 15 anni vedere uscire un debole plasma violaceo dall’odore acre bastava….e come se bastava…

 

Successivamente mi sono adoperato alla costruzione di driver a MOSFET per pilotare le bobine d’auto ed oscillatori più evoluti per i trasformatori di riga, senza avere comunque sostanziali miglioramenti.

 

Un bel giorno, mi sono imbattuto nel famosissimo oscillatore ROYER ideato da Vladimiro Mazzilli, di cui ne ripropongo lo schema.

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Una volta montato e provato, ho visto uscire dal povero trasformatore, scariche mai viste prima. La potenza complessiva superava il centinaio di W, il plasma era così caldo da fondere gli elettrodi in ferro in pochi secondi ed i finali composti da due IRFP260 restavano freddi… E’ strepitoso vedere ciò che è capace di fare una simile manciata di componenti..

Dopo qualche tempo, spinto dall’ insaziabile esigenza di potenze maggiori, nell’aumentare la tensione in ingresso, ho trovato le prime difficoltà ed muri del circuito:

1)   La tensione di lavoro del Condensatore e dei Mosfet è pari a Vin x 3,14 x 1.41. Quindi per rendere un idea, con un alimentazione di 50Vcc la tensione di picco ai capi del condensatore è di 178Vp. Per alte tensioni in ingresso, non è semplice trovare MOSFET adatti. La scelta quindi ricade sugli IGBT, robusti in corrente e tensione ma dannatamente lenti….

2)  Il sistema è critico se non si adottano alcuni accorgimenti;

3)  E’ necessario avere un grosso trasformatore sempre appresso, non tanto quanto per variare la potenza ma proprio per alimentarlo!!

Benché sono riuscito a costruire oscillatori ROYER per una tensione di ingresso di 220VAC, essi sono estremamente instabili, ed inadatti al pilotaggio di trasformatori o Tesla.

 

FINALMENTE SI SALE DI POTENZA E L’INSTABILITA’ DIMINUISCE

 

Girando su internet e sfogliando i cataloghi di elettronica, ho visto che ci sono dei circuiti integrati, come ad esempio l’ IR2153 che servono a pilotare i gate di due MOSFET in configurazione H-BRIDGE, senza l’ausilio di piccolo trasformatori, in quanto le due uscite resistono ad una tensione Flottante di ben 600V. 

 

Il circuito è semplicissimo.

 

 

Ø Il ponte composto dai due MOSFET (o IGBT) viene alimentato da una tensione continua compresa fra i 0 V ed i 310Vcc.

Ø Il circuito integrato “IR2153” viene alimentato autonomamente da una tensione fissa di 15Vcc. Per lo scopo potete usare un banalissimo 7815 in virtù del fatto che l’assorbimento è di un centinaio di mA.

Ø L’ IR2153 ha al suo interno un oscillatore simile all’ NE555 a dutycicle 50% la cui frequenza viene variata agendo sul  potenziometro P1. In uscita vengono generate due onde quadre sfasate rispettivamente di 180° l’una rispetto all’altra che accendono in alternanza i MOSFET.

Ø I diodi  servono a proteggere i finali dalle extratensioni che si creano durante le accensioni e gli spegnimenti. Usate i diodi più veloci che trovate. Anche se i Mosfet o qualche IGBT ne sono già dotati, mettetene comunque uno esterno. Un MUR1560 va più che bene.

Ø Infine, la rete snubber composta dal Condensatore da 4.7nF e la resistenza da 4.7 Ohm serve anch’essa a mangiare il più possibile i picchi presenti sul secondario e di conseguenza su ciascun Mosfet. Fidatevi….serve parecchio!!

 

Insisto a dire che ovviamente la forma d’onda presente nel primario (e di conseguenza sul secondario) è un onda quadra abbastanza pulita avente ovviamente un ampiezza di 620Vpp. Esiste però una frequenza per cui l’avvolgimento primario ed i condensatori da 1uF entrano in risonanza. Dipende tutto ovviamente dal valore dell’induttanza del primario. Nel mio caso la freq di risonanza è di 30KHz. Personalmente lavoro con frequenze superiori ai 40KHz poiché più ci si avvicina alla frequenza di risonanza e più la corrente di corto-circuito aumenta drasticamente. Inoltre l’onda quadra man mano che ci si avvicina alla risonanza aumenta di ampiezza fino a trasformarsi in una perfetta sinusoide di ampiezza Vin*3.14*1.41. I finali così facendo esploderanno subito.

Esistono inoltre delle frequenze superiori  quella di risonanza “armoniche” per le quali a parità di tensione in ingresso triplica all’incirca la tensione sul secondario. Queste frequenze raddoppiano di volta in volta rispetto alla freq di risonanza, 30-60-120KHz…

La corrente però, diminuisce sempre più all’allontanarsi dalla risonanza.

 

Io personalmente lavoro immediatamente sotto o immediatamente sopra la Freq delle II° armonica. In questo modo ho una tensione contenuta (20KV) con un buon compromesso corrente/finali.

Se vedete che i vostri IGBT scaldano parecchio o i Mosfet sono poco robusti allontanatevi parecchio dalla risonanza per avere un rendimento minore..

Nel mio caso, al massimo della tensione di esercizio 350Vcc (Variak al massimo) l’assorbimento è il seguente:

1-    A vuoto 50mA – (17W)

2-    A pieno carico, “corto sul secondario” circa 2A (700W)

 

QUALCHE CONSIGLIO

La tensione di esercizio dei componenti deve essere minimo di 320Vcc, ma sceglieteli almeno da 500V o 600V meglio ancora.

 

Una cosa molto importante è prima accendere il driver e poi dare tensione al ponte o rischierete di far schiantare i finali

 

Come già detto prima, se i vostri finali diventano delle stuffe, allora siete vicini alla risonanza, allontanatevi il più possibile da quella frequenza. Per ridurre ancora di più il consumo, togliete il grosso condensatore di filtro all’uscita del ponte. Invece di avere una buona tensione continua, avrete un’onda pulsante di 100Hz.