#005i: Progetto completo con PCBgogo
“Circuito Giratore per il filtraggio delle alimentazioni di preamplificatori valvolari e amplificatori stereo”
di PIER-ALESSANDRO AISA, TIZIANO VECCHI
Introduzione
Questo articolo riporta il progetto completo realizzato con PCBgogo di un doppio giratore.
L’articolo è organizzato in queste sezioni:
- Principio di misura
- Dimensionamento e Simulazione
- Sbroglio del circuito stampato
- Ordine a PCBgogo di 10 prototipi in fast prototyping
- Montaggio
- Circuito di test
- Test del primo prototipo PCBgogo e misure
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Il giratore è un doppio bipolo dove ingresso e uscita sono legati da una funzione di trasferimento caratterizzata dal coefficiente ϒ che è detto “rapporto di girazione”:
Il circuito prende il nome di giratore perché opera una inversione di impedenza trasformando una reattanza capacitiva in reattanza induttiva.
Ricordiamo al lettore che non accumula energia come farebbe un induttanza discreta.
Questo concetto si estende anche ai filtri e quindi un filtro passa-banda puo’ essere trasformato in un filtro elimina banda.
L’inventore del giratore è Bernard Tellegen, ricercatore presso la Philips negli anni ’50.
La seguente figura illustra un filtro attivo con Amplificatore Operazionale e componenti RL, C e R, che dal punto di vista elettrico assume lo stesso comportamento di una induttanza con valore:
L = RL x R x C.
Figura 1: Schema di principio del Giratore
L’ applicazione con l’ operazionale è solo un esempio applicativo, lo si puo realizzare anche con BJT, JFET e Mosfet
L’utilizzo principale del giratore riguarda l’emulazione di una induttanza e quindi invece di utilizzare un ingombrante e costoso componente magnetico con un nucleo ferromagnetico, degli avvolgimenti è possibile tramite un piccolo circuito a stato solido ottenere una induttanza equivalente.
Ciò risulta utile specialmente nella tecnologia dei circuiti integrati, oppure nei casi in cui necessita una induttanza di elevato valore oppure facilmente regolabile.
Il circuito giratore infatti puo’ essere tarato finemente ed in maniera semplice tramite la selezione di componenti di precisione come condensatori e resistori al fine di ottenere induttori con un fattore di merito Q ben definito, a differenza di un induttore reale, che presenta tolleranza non trascurabile.
Il massimo valore di induttanza che si puo’ ottenere e il relativo fattore di merito sono comunque limitati e non possono superare un certo limite come di seguito descritto.
Questo articolo di riferisce all’utilizzo del circuito giratore negli equalizzatori audio, per filtrare le alimentazioni negli stadii preamplificatori e amplificatori stereo valvolari.
Il giratore permette di ottenere una impedenza, che si puo’ esprimere con l’espressione:
Con riferimento allo schema di figura 1, l’impedenza dell’induttanza equivalente è l’induttanza desiderata in parallelo con l’impedenza di C ed R.
Se la resistenza R è molto più grande di RL, l’espressione si può approssimare a
Questa è la stessa di una resistenza RL in serie con una induttanza L di valore RL x R x C.
Rispetto ad una vera induttanza presenta RC in parallelo e presenta una resistenza serie grande che limita il fattore di merito Q o la selettività dei filtri che si possono ottenere.
Inoltre, bisogna tenere presente che a differenza di una induttanza reale questo circuito non immagazzina energia sotto forma di campo magnetico.
Quindi non può essere usato in applicazioni come convertitori DC\DC, come flyback, buck o boost o anche alimentatori per elevate tensioni\correnti o applicazioni che lavorano a radiofrequenza.
Esistono prodotti commerciali come il MEC50 e MEC 100 per gestire correnti rispettivamente di 50mA e 100mA
Figura 2: Giratore commerciale prodotto MEC50 e MEC100
SIMULAZIONE con LTSpice
L’ induttanza equivalente che si vuole ottenere è 50H. Il valore di resistenza serie è di 30 Ohm. La seguente figura mostra il circuito usato in simulazione con LTspice.
Figura 2: Simulazione del circuito Giratore con valore L=50H
Il circuito rappresenta una situazione abbastanza tipica di impiego dove:
- R2 è la resistenza equivalente vista verso il raddrizzatore
- C2 è la prima capacità di filtro dopo il raddrizzatore
- I1 è un carico a corrente costante di 200 mA
- C1 è la capacità di filtro di uscita
Figura 3: Curva di risposta del circuito Giratore con valore L=50H
Simulando si vede che il picco di risonanza si mantiene attorno ai 5 Hz.
Dal diagramma possiamo vedere che I 100 Hz sono attenuati e le armoniche in pratica vengono bloccate.
Il circuito prevede il possibile step dell’induttanza e del condensatore di uscita.
Variando la capacità di C1 in pratica si ha un minimo cambio del picco di risonanza.
Un’ottima strategia è evitare condensatori con capacità enormi per C1 e distribuire dei condensatori da 22uF nei punti dove l’utilizzatore assorbe maggiore potenza.
Come ad esempio nelle vicinanze delle valvole finali. Il condensatore da 22uF 450V ha dimensioni 15 x 25 p = 10mm è piccolo permette di fare dei collegamenti corti e si inserisce facilmente in apparecchiature compatte.
Agendo in questo modo se tengono corti si abbassano gli effetti induttivi dei lunghi cablaggi tipici dei valvolari.\
Per valutare quanto sia bene approssimata l’induttanza rappresentata dal circuito giratore si è eseguita una simulazione con LTSpice che mette a confronto una implementazione con MOSFET del giratore. Come si vede dalle curve gialla e viola la risposta in frequenza è praticamente identica.
Figura 4: Simulazione con LTSpice per la simulazione di una induttanza del valore di 22 H
Figura 5: Risposta in frequenza induttanza ideale e induttanza realizzata con circuito giratore
DIMENSIONAMENTO
Il seguente schema riporta l’implementazione prevista per la realizzazione di una induttanza equivalente di 22H, tramite un MOSFET.
Figura 5: Schema Giratore con MOSFET
Per rendersi conto che effettivamente si tratti di una induttanza è necessario risolvere il seguente circuito equivalente, dove il MOSFET è rappresentato come un generatore di corrente ID controllato dalla tensione Vgs, tramite la transconduttanza gm.
Siccome la Vgs è condizionata dal condensatore, avviene la rotazione di impedenza che trasforma la reattanza capacitiva in induttiva.
Figura 6: Circuito equivalente
SBROGLIO CIRCUITO STAMPATO
Per lo sbroglio è stato usato l’ambiente Altium, in cui sono state inserite due istanze di giratore per poter simulare induttanze di valore diverso.
Figura 7 : Ambiente di sviluppo Altium
Figura 8: Schema Doppio Giratore in Altium
Il circuito stampato è stato realizzato in due versioni Singolo e Doppio. Di seguito si mostrano i files Gerber realizzati con PCBgogo
Figura 9: Sbroglio Doppio Giratore
ANALISI DEI CIRCUITI STAMPATI RICEVUTI da PCBgogo
Vorrei sottolineare la rapidità con cui sono stati prodotti e spediti i circuiti stampati da PCBgogo.
In 4 giorni dall’ordine ho ricevuto i circuiti stampati. Secondo me il tempo tipico è di 7 giorni lavorativi, poi in alcuni casi fortunati può essere anche ridotto.
La qualità dei PCB, secondo me trattandosi di prototipi è assolutamente accettabile.
Le foto seguenti sono state eseguite tramite microscopio USB e rappresentano i punti principali dove si può valutare la qualità del processo, come vias, fori, serigrafia, silkscreen, centratura.
Figura 10: Primi prototipi ricevuti da PCBgogo lato TOP
Figura 11: Lato TOP e lato BOTTOM dei primi prototipi ricevuti da PCBgogo lato TOP
MONTAGGIO e DEL PRIMO PROTOTIPO
La lista componenti è decisamente ridotta e si è proceduto al montaggio del primo prototipo.
Distinta componenti
R1 = 10 ohm 1W
R2 = 220Kohm 1/2W
R3 = 220Kohm 1/2W
Q1 = IRF840
D2 = SM4007
D2 = SM4004
C2 = 10u 50V
C3 = 100nF 630V
J1,J2 PHOENIX 2 POLES
Figura 12: Montaggio primo prototipo PCBgogo
COLLAUDO DEL PRIMO PROTOTIPO
Per il test del prototipo è stato impiegato un setup con generatore di funzioni Agilent 332210 A, per valutare la curva di risposta del filtro passa-basso in cui è impiegato il circuito giratore.
Figura 13: Test primo prototipo PCBgogo
Figura 14: Misure di attenuazione su primo prototipo PCBgogo
Figura 15: Misure di attenuazione su primo prototipo PCBgogo
CONSIGLI FINALI
Ora che siete pronti ad usare il giratore occorrono alcune precauzioni:
- Il circuito in ingresso necessita di una differenza di tensione ai suoi capi di circa 15 V (oppure vedrete la vostra tensioni di ingresso abbassarsi di circa 11/15 V)
- Prestare attenzione nel maneggiare il circuito i condensatori vengono caricati con tensioni potenzialmente Letali.
Pier Alessandro Aisa
Tiziano Vecchi