In questo tutorial di progetto vedremo alcune simulazioni su rumore e picchi con carichi induttivi. Una rete RC o un diodo può salvare i tuoi MOSFET e i tuoi circuiti. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. È un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, acquisizione schematica e visualizzatore di forme d’onda con miglioramenti e modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici. Può essere scaricato gratuitamente da https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Un circuito semplice con un carico resistivo

Gli interruttori di alimentazione sono molto importanti. Il loro funzionamento determina l’affidabilità e l’efficienza del prodotto. Per migliorare le prestazioni di un circuito di commutazione, tra gli interruttori di potenza sono posti dei soppressori, per sopprimere i picchi di tensione e per smorzare le oscillazioni causate dall’induttanza del circuito all’apertura dell’interruttore. Un buon design del soppressore può portare a una maggiore affidabilità, maggiore efficienza e minori interferenze elettromagnetiche (EMI). Partiamo da un semplice circuito in cui un MOSFET, utilizzato come elemento di commutazione, pilota un carico resistivo di 8 Ohm (vedi figura 1). Un piccolo riscaldamento del MOSFET è del tutto normale. Se impostiamo il potenziale del gate a 10 V, possiamo commutare il MOSFET nello stato ON. In questa condizione la sua resistenza interna è molto bassa e il componente è come se fosse un filo elettrico a circuito chiuso. La tensione sul Drain è prossima a 0 V. La corrente scorre attraverso il resistore e attraverso il MOSFET.

Figura 1: un MOSFET pilota un carico resistivo

Viceversa, se applichiamo la tensione di 0 V sul gate del MOSFET, il componente passa allo stato OFF. In questa condizione la sua resistenza interna è molto alta ed è come se il componente non fosse presente nel circuito. Nessuna corrente scorre sul resistore e non c’è tensione su di esso. Applicando un segnale pulsante al MOSFET alla frequenza di 1 kHz, l’uscita Drain segue la stessa forma d’onda del Gate, ma con un’inversione di fase. Per molti tipi di dispositivi di manovra, anche se collegati ad un carico resistivo, si potrebbero generare picchi in uscita, caratterizzati da una durata molto breve, come mostrato in figura 2. Tali picchi (di circa 2 V) non sono pericolosi e possono essere ridotti o eliminato utilizzando un condensatore collegato in parallelo.

Figura 2: picchi sul Drain

Il MOSFET utilizzato è IRF530 (vedi figura 3). Esaminiamo le sue valutazioni massime assolute:

• Vds: 100 V;
• Vg: +/- 20 V;
• Corrente di Drain continua (VGS a 10 V e TC=25° C): 14 A;
• Corrente di Drain continua (VGS a 10 V e TC=100° C): 19 A;
• corrente di Drain pulsata: 56 A;
• massima potenza dissipata (TC=25° C): 88 W;
• RDSon: 0,16 Ohm.

Le simulazioni eseguite con il MOSFET sono tutte contenute nei suoi limiti elettrici.

Figura 3: il MOSFET IRF530

Lo stesso circuito con il carico induttivo

Esaminiamo ora lo stesso circuito con un carico induttivo, invece del carico resistivo (vedi figura 4). La presenza del carico induttivo (un motore, un trasformatore, una bobina, ecc.) è molto critica. Ad ogni impulso rettangolare del Gate corrisponde un picco molto alto sul Drain. Questi picchi sono molto più ampi dei precedenti (con una lunghezza di alcuni microsecondi) e possono raggiungere la tensione di diverse migliaia di Volt. Questi picchi di tensione sono noti come “rimbalzi induttivi”. Ovviamente possono essere pericolosi per il carico e per il circuito in generale. Potrebbero inoltre formarsi pericolosi archi voltaici. Se il picco di tensione è sufficientemente alto, c’è il rischio di distruggere il MOSFET e altri componenti ad esso collegati. Perché ci sono questi grandi picchi? Quando il MOSFET è “ON”, la corrente scorre attraverso l’induttanza e la situazione è buona. Il carico induttivo ha immagazzinato energia induttiva. Quando il transistor è “OFF”, la corrente della bobina non può cambiare istantaneamente e c’è ancora corrente che scorre attraverso l’induttore. Questa corrente determina una grande differenza di potenziale, per alcuni istanti. Si noti tuttavia che il valore medio della tensione di uscita del circuito V(drain) è di 12 V e il suo valore efficace è di circa 168 V.

Figura 4: un MOSFET pilota un carico induttivo

Possiamo vedere picchi di tensione giganteschi sullo scarico. A volte, i piccoli picchi di una piccola bobina non sono in grado di distruggere i componenti ma se il MOSFET aziona un grande motore, il rischio di distruzione è molto alto. La tensione elettrica del picco è proporzionale all’induttanza della bobina, come si può vedere in figura 5. La durata del picco è dell’ordine dei microsecondi.

Figura 5: la tensione di picco è proporzionale all’induttanza della bobina

Per ridurre la tensione di picco, al MOSFET viene applicato un soppressore RC, come mostrato in figura 6. Spesso uno snubber è costituito da un resistore di basso valore e da un piccolo condensatore. Il valore del resistore deve essere simile a quello della risonanza dell’induttore. La capacità del soppressore deve essere maggiore di quella del circuito risonante, ma deve essere sufficientemente piccola da mantenere al minimo la dissipazione di potenza del resistore. I valori di R(snub) e C(snub) devono essere calcolati accuratamente con equazioni appropriate.

Figura 6: un tipico soppressore RC

Anche in questo caso i picchi saranno ridotti. In alcuni casi e con determinate frequenze, potrebbe verificarsi una bassa oscillazione (vedi figura 8). In questo caso è sufficiente collegare un piccolo condensatore in parallelo al diodo Zener.

Figura 8: un’oscillazione di circa 56 kHz sul Drain del MOSFET