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Scaricatore ad impulsi Pulsotron

Scaricatore ad impulsi

Si tratta di uno scaricatore ad impulsi si corrente che scarica la batteria e solubilizza i cristalli di solfato di piombo. Questo nelle nostre intenzioni.

Schema elettrico Scaricatore ad impulsi Pulsotron

Il basso lo schema dello Scaricatore ad impulsi Pulsotron. Come vedete la parte finale va realizzata con filo di rame di sezione sufficiente per veicolare delle correnti relativamente alte che possono arrivare a svariate decine di ampere.

Analizziamo il funzionamento del circuito:

L'integrato 40106-1, una porta NOT smith-trigger CMOS, funge da generatore di onda quadra asimmetrica. Regolando i trimmer Trim1-Trim2 è possibile variare la simmetria dell'onda quadra.
Il condensatore C1 assieme ai due trimmer e ai diodi schottky D1 2 D2 determinano la frequenza dell'onda quadra.
Le restanti porte logiche servono solo a squadrare e bufferizzare l'onda quadra che viene poi applicata sul gate di M1 attraverso la resistenza R2.
La resistenza R1 serve per riferimento di massa per portare il gate di M1 a potenziale zero quando il valore dell'onda quadra è zero.
Il carico della batteria quando M1 è in saturazione è costituito da R3 e C4.
C4 serve per avere forti correnti all'atto della commutazione di M1 da interdizione a saturazione.
A regime la corrente è data dal valore della tensione di batteria diviso la resistenza R3 (1Ω).
L'induttanza L1 e il condensatore C5 servono per eliminare i transienti di commutazione e ripulire la tensione che arriva al regolatore di tensione 7812 (che in pratica alla normale tensione di batteria non funziona quasi mai) che alimenta l'integrato 40106.
Lo stesso compito hanno anche i condensatori C2 e C3.
La resistenza R3 deve essere adatta ad essere attraversata da forti correnti, quindi ne abbiamo scelta una del tipo corazzato da 50W.
Lo stesso dicasi per tutto il circuito in cui passano i picchi di alta corrente, compresi i fili di collegamento con la batteria che devono essere il più corti possibile.
Il mosfet M1 deve essere dotato di aletta di raffreddamento.
Il tempo di commutazione dello stesso è una frazione rilevante del tempo di durata dell'onda quadra che lo eccita, essendo la frequenza dell'ordine del centinaio di Khz per parte del tempo il mosfet si trova in una condizione intermedia fra interdizione e saturazione, condizione in cui lavora nella zona lineare, quindi dissipa un po' di potenza in calore.
Per ridurre questo effetto occorre lavorare sulla velocità di commutazione delle porte logiche e del mosfet stesso oppure abbassando la frequenza di lavoro.
Il compromesso va cercato fra dissipazione di calore ed efficacia del circuito, quindi questo circuito è stato spinto al massimo per quello che riguarda la generazione di impulsi di corrente nell'unità di tempo arrivando al limite della dissipazione del mosfet.
Per migliorare il tempo di commutazione occorre mettere un transistor ad alta velocità come buffer fra l'uscita della porta logica e il gate del mosfet per eliminare in parte gli effetti della capacità parassita del gate del mosfet.

Caratteristiche dei componenti utilizzati

Vedere i relativi datasheet.

Misure eseguite durante il funzionamento dello Scaricatore ad impulsi Pulsotron

Le misure di tensione sono state eseguite con un tester da banco Keithley 2015 e con un oscilloscopio Tektronix 2465B da 400Mhz utilizzando diversi tipi di sonda, da 50Mhz e 250Mhz dotate di attenuatore 1/10 escludibile.
Per i rilievi termici è stata utilizzata una termocam Fluke Ti9.

Uscita della porta logica 40106-2

A sinistra la tensione presente all'uscita della porta logica 40106-2.
Il fronte di salita, considerata la durata totale dell'impulso ha un tempo ragguardevole.
L'impulso in questa foto ha una durata di 301nS.
Nella fotografia a destra lo stesso impulso visto in una scala dei tempi più lunga.
Si noti lo sciame di sinusoidi smorzate dopo l'impulso, dovute a disturbi captati dall'alimentazione e generate dalla batteria.
Tali disturbi sono stati attenuati utilizzando l'induttanza di blocco L1 in modo che non possano perturbare il funzionamento delle porte logiche.

Altra scala dei tempi. Si vede il treno di impulsi generati e la loro esigua durata rispetto al tempo in cui il segnale rimane allo zero. La base dei tempi è impostata a 10uS per divisione. Il tempo fra un impulso e il successivo è di circa 10,2 uS.

Tensione presente sul gate del mosfet

Nelle due immagini sopra a sinistra l'impulso sul gate del mosfet.
Come vedete rispecchia grossomodo la carica di un condensatore, quello parassita presente sul gate (1,9nF).
La resistenza di carica è quella di uscita delle tre porte NOT in parallelo (circa 400 Ω).
Per migliorare il comportamento in commutazione del mosfet occorre ridurre la resistenza di uscita dello stadio che alimenta il gate incrementando il numero di porte logiche in parallelo o utilizzando un transistor per alta frequenza come buffer.

Impulso sul gate del mosfet visto modificando la base dei tempi con tempi progressivamente più lunghi.

Tensione presente sulla batteria

Tutte le misure sono fatte con una sonda attenuata in rapporto 1/10 in quanto la tensione eccede quella massima visualizzabile dall'oscilloscopio.

Come vedete all'atto dello spegnimento viene generata una sinusoide smorzata con una tensione massima di 41V.
Il cursore inferiore dell'oscilloscopio è posto a zero e la misura è stata fatta in DC variando unicamente la base dei tempi.
La batteria si comporta come un circuito LC parallelo reale, quindi con una resistenza parassita che provoca il decadimento della sinusoide.
Sarebbe interessante valutare l'evoluzione di detta frequenza di risonanza nel tempo e in funzione della carica della batteria.
Sarebbe altresì opportuno studiare il fenomeno utilizzando una batteria con una geometria degli elettrodi diversa, in modo da determinare se si tratta di una oscillazione dovuta alla geometria interna (connettori fra le varie piastre=induttanza e piastre fra di loro=capacità) oppure ad un effetto piezoelettrico dei cristalli che si formano sulle piastre o di risonanza molecolare.

Il periodo della sinusoide è 64,9 nS pari ad una frequenza di 15.408.320 Hz ovvero 15,4 Mhz.

Tempo misurato fra un impulso e l'altro (circa 10,2 uS).

Ora possiamo fare alcune considerazioni matematiche.

• Le porte logiche erogano 10mA di corrente alla tensione di 12V, quindi 1200Ω di impedenza di uscita.
  Le porte logiche che pilotano il gate sono 3 in parallelo quindi hanno una impedenza di uscita di 400 Ω.

• Il tempo di salita dell'impulso sul gate è dato dalla resistenza di uscita delle tre porte logiche moltiplicata per la capacità di ingresso del mosfet e le altre capacità parassite del circuito che è di 2nF.

• Il tempo di durata dell'impulso nel settaggio di prova è di 314nS mentre il periodo è di 10,2uS.
  Quindi il rapporto è 10,2/0,314=32,48.

• La corrente massima che passa nella batteria e, quindi nel mosfet è data in condizioni di commutazione dalla tensione di batteria fratto la resistenza serie (circa 1Ω essendo trascurabile quella del mosfet).
  Quindi circa 12A.
  La corrente media è data dalla corrente massima fratto il rapporto On/Off del mosfet, quindi 12/32,48=0,369A.
  In realtà la corrente media sarà inferiore perché il tempo in cui il mosfet è in piena conduzione è minore, dovendo decurtare il tempo di salita dell'impulso sul gate.
  Per controbilanciare in parte questo effetto il condensatore C4 nell'attimo iniziale di conduzione bypassa R3 generando un notevole picco di corrente.

A destra nella tabella la tensione a vuoto di una batteria da 12V (6 celle) in funzione dello stato di carica della stessa alla temperatura di 25°C. Questa tensione deve essere misurata a riposo, dopo qualche ora che la batteria è scollegata da qualsiasi circuito esterno.

%CARICA TENSIONE 99 12.91 90 12.80 80 12.66 70 12.52 60 12.38 50 12.22 40 12.06 30 11.90 20 11.70 10 11.42