Trasformatori per CCFL

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Sono in possesso di alcuni trasformatori per lampade a catodo freddo della Coilcraft, piu' altri smontati qua e la, volevo provare a fare qualcosa di interessante con questi trasformatori. Premetto che non sono un esperto di lampade a catodo freddo e nemmeno un esperto di alimentatori per questo tipo di lampade; non sono nemmeno un esperto di alte tensioni ed infine non sono un esperto della topologia Royer. Si ma allora che cavolo vuoi? Sono solo uno che vuole tentare di capire qualcosa: questa e' la prima volta che sperimento la topologia Royer e devo dire di averla trovata veramente interessante, e' un po' l'uovo di Colombo degli alimentatori autooscillanti e spero di utilizzarla nuovamente in futuro.

Per quanto riguarda i trasfomatori per CCFL posso solo dire che solitamente hanno un rapporto spire molto spinto, devono superare i 1000V a secondario per innescare la lampada e se avete la fortuna di trovarli gia' costruiti forse c'e' qualche speranza che possano anche funzionare. In questa visione di trasformatore con una tensione di uscita molto alta ho pensato di poterlo utilizzare come base per alimentare ad esempio dei moltiplicatori di tensione.

Almeno per quanto riguarda i trasformatori conosciuti abbiamo 3 diversi rapporti spire, come si vede nella tabella sottostante.

Cominciamo con lo schema elettrico, la configurazione e' molto interessante: di fatto si tratta di un oscillatore tipo pull-pull, come lo ha definito qualcuno, in cui l'oscillazione e' mantenuta da un apposito segnale di feed-back. E' proprio questo segnale di feed-back che mi ha stupito, a me sembra geniale ed assenziale: senza prese intermedie un semplice avvolgimento e' in grado di sbilanciare il circuito di polarizzazione dei transistor e mantenere l'oscillazione.

La parte fondamentale in questo tipo di topologia non sono i transistor, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, ma l'induttore L1. Purtroppo non ho ancora trovato una regola chiara per dimensionare questo induttore, posso solo dire che questo schema elettrico sembra funzionare abbastanza bene, altre garanzie non ce ne sono (dovreste saperlo :-).

La funzione dell'induttore L1 risulta piu' chiara osservando le forma d'onda, qui sotto. Cliccando sull'immagine si ottiene la versione completa, questa comprende anche il calcolo del segnale che alimenta l'intero avvolgimento primario del trasformatore (in arancione chiaro).

All'inizio anch'io ci ho messo un po' a capire: i due transistor vanno in saturazione alternativamente, quindi per mezzo ciclo uno dei due e' in saturazione mentre l'altro e' interdetto, il transistor in saturazione vincola il proprio lato del trasfomatore a 0V, mentre l'altro e' libero. Il lato libero oscilla con andamento sinusoidale, al di la della forma d'onda che potrebbe essere rimessa in discussione, il nocciolo della questione sta proprio nel fatto che il potenziale del lato libero si muove nel tempo. Se ora vediamo l'avvolgimento primario come un partitore di tensione induttivo, allora appare chiaro che anche il potenziale della presa centrale debba muoversi.

Da una analisi iniziale del circuito si e' portati a pensare che il potenziale della presa centrale debba rimanere sempre a +Vcc, di fatto senza un elemento di caduta quale puo' essere L1 questo circuito esplode. Ho visto dei mosfet aprirsi come noci senza capirne il motivo prima di provare ad inserire un elemento di caduta. Nei miei primi esperimenti, risalenti ormai a diversi anni fa, al posto di un induttore c'era un resitore da pochi ohm, l'uso di un induttore dovrebbe essere piu' efficiente perche' e' in grado di fare da serbatoio di energia, cosa che un resistore non e' in grado di fare.

Le forma d'onda viste sopra si riferiscono ad un circuito che monta un trasformatore tipo FL2015-4L con rapporto spire pari a 1:50 alimentato a 5V in continua. La presenza di un induttore nel circuito di alimentazione produce un secondo effetto (piu' o meno gradito): innalza la tensione di alimentazione del circuito primario. Essendo 5V la tensione di alimentazione mi sarei aspettato di trovare un segnale a 10Vpp ai capi dell'avvolgimento primario (completo, senza considerare la presa intermedia), invece l'oscilloscopio dice che la tensione ai capi del primario e' di 11.3Vrms, quindi il picco va ben oltre. Questo simpatico effetto si misura anche sulla presa centrale che non ha il massimo a 5V ma bensi' a 8V.

Se facciamo due conti per verificare che tutto stia funzionando secondo le regole troviamo: 542V / 11.37V = 47.6, il risultato avrebbe dovuto essere 50, ovvero il rapporto spire del trasformatore, ma una piccola caduta al secondario e' tollerabile, considerate che in teoria il secondario sarebbe caricato; in teoria perche' di fatto il carico e' costituito da due piccole lampadine al neon quindi la corrente dovrebbe essere pressoche' ridicola.

Qui sotto il layout finale di cui vado piuttosto fiero: affusolato, essenziale, asciutto, ho barato un pochino nel piazzare C2 ma spero di poter essere perdonato per questo.

La tensione di uscita di 540V efficaci e' sufficiente per far accendere due piccole lampadine al neon messe l'una vicino all'altra; i due fili di ciascuna lampadina vengono saldati insieme, il passaggio di corrente avviene attraverso il vetro delle lampadine stesse, potere della corrente alternata!

Questo il mio parco elevatori di tensione, ho voluto realizzarne uno per ogni trasformatore, questa sara' la base per altri esperimenti con le alte tensioni. La versione nuda al momento monta le famose lampadine al neon.

Vediamo ora alcune applicazioni realizzabili con questi trasformatori, ovviamente di utilizzarli per alimentare delle lampade a catodo freddo non se ne parla nemmeno, magari un futuro, per il momento occupiamoci di cose piu' intriganti.

Perche' non costruire un contatore Geiger?
La parte fondamentale di un contatore Geiger e' ovviamente il tubo Geiger: e' l'elemento sensibile, puo' essere di vetro o metallico, solitamente dalla forma allungata (per questo lo chiamano tubo). All'interno del tubo si trovano due elettrodi, anche questi di forma allungata, immersi in una opportuna miscela di gas (solitamente inerti). Il tubo Geiger e' un rivelatore sensibile alle radiazioni ionizzanti, come possono essere ad esempio i raggi X, i raggi beta, i raggi gamma, etc. Esistono diversi tubi con sensibilita' differenti alle diverse radiazioni.

I due elettrodi vengono posti ad una differenza di potenziale prossima alla rottura del gas che riempie il tubo, in queste condizioni il tubo potrebbe rimanere per tempo illimitato ma se lo spazio tra gli elettrodi viene attraversato da un raggio X (ad esempio), il gas circostante viene ulteriormente ionizzato. Il gas che gia' era al limite della rottura non resiste e sia ha la scarica tra i due elettrodi. Un circuito esterno al tubo rivela il passaggio di corrente e lo rende visibile, ad esempio emettendo i famosi tic che si sentono in tutti i film.

Per far lavorare il nostro tubo Geiger dobbiamo portare gli elettrodi attorno ai 400V, quale utilizzo migliore dei nostri trasformatori?
Qui sotto lo schema elettrico.

Un'immagine vale piu' di mille parole, quindi cerchero' di contenere i commenti, diro' solo che il condensatore viene caricato a 400V esatti (potenza dei diodi zener); nel tubo non scorre corrente, possiamo vederlo come un condensatore, quindi sicuramente gli elettrodi del tubo si trovano anch'essi a 400V. La serie di resistenze da 3.3Mohm serve solo a non forzare corrente nel tubo stesso: quando avviene la scarica nel tubo la differenza di potenziale si azzera, di botto il tubo si ritrova ad essere un condensatore completamente scarico; il generatore che lo alimenta non deve approfittarne e nel modo piu' gentile possibile deve riportarlo a 400V, diversamente il condensatore al centro dello schema si scaricherebbe completamente sul tubo distruggendolo!

In questo modo il generatore che alimenta il tubo ci appare con un'impedenza elevatissima, questa grande impedenza cozza contro il tempo di recupero del tubo: dopo la rilevazione della radiazione il tubo e' completamente scarico, ma perche' possa avere una nuova rivelazione gli elettrodi devo raggiungere i 400V, con un'impedenza serie cosi' grande ci vorra' una vita prima che il tubo sia carico e quindi pronto ad una nuova scarica. In realta' la capacita' del tubo e' di pochi pF, caricato attraverso una resistenza da circa 10Mohm non impiega piu' di una manciata di ms prima di essere nuovamente carico, piu' che sufficiente per una segnalazione audio.

Qui sotto l'opera finita: ovviamente ho incorporato il trasformatore nel pcb.

Per tanti anni ho prima sentito parlare dei contatori Geiger, poi li ho visti nei film, poi li ho trovati sulla riviste di elettronica, hanno sempre rappresentato qualcosa di lontano, di irrealizzabile. Ora che ne ho uno sulla mia scrivania si pone un'altro problema: come lo provo??
Purtroppo (o per fortuna) non possiedo elementi radioattivi e io stesso non credo di essere radioattivo, l'unica conferma di funzionamento risiede nella radiazione di fondo, il data sheet del tubo parla di circa 2 impulsi al secondo ed effetivamente di tanto in tanto si sentono dei tic completamente casuali.

Possiamo realizzare un semplice ozonizzatore per ambienti con uno di qyesti generatori di alta tensione ed uno spinterogeno fatto cosi':

E' fatto con delle lampadine al neon su cui viene avvolto un filo rigido di rame stagnato, i fili della lampadina vengono collegati ad un polo, mentre il filo avvolto viene collegato all'altro polo. In questo esempio ho masso in parallelo due lampadine, aumentando il numero di lampadine e' possibile aumentare la quantita' di ozono prodotta.

Come abbiamo gia' visto l'alta tensione e l'elevata frequenza permettono alla corrente di attraversare il vetro della lampadina, di fatto la lampada viene trasformata in un condensatore in cui il dielettrico e' proprio costituito dal vetro stesso della lampadina (e dal gas all'interno). In lampadine cosi' piccole e' difficile vederlo, anche perche' la lampadina stessa si illumina, ma all'esterno tra il vetro e il filo avvolto si generano delle microscariche elettriche, sono queste a generare l'ozono.

Qui sotto l'ozonizzatore in funzione, avvicinando il naso e' possibile sentire l'odore pungente di questo gas. Vi ricordo che l'ozono e' un gas molto pericoloso: chimicamente e' formato da 3 atomi di ossigeno, quindi particolarmente instabile; ha un forte potere ossidante quindi evitate di farvi delle belle sniffate sopra a questo coso.