Switch Mode Power Supply LaboratoRY

FUENTE DE ALIMENTACIÓN TERMINADA

Tengamos en cuenta que siempre la seguridad es lo primero y esta ante todo, los riesgos existen y por lo tanto se avisan.

El autor de este artículo no se hace responsable de un mal uso del mismo ni TAMPOCO de los riesgos que conlleva su realización.

VIDEO DE PRUEBAS Y PRESENTACIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Pues como casi siempre todas las cosas se hacen son por una necesidad y la mía surgió cuando con mi anterior fuente que es lineal da unos 20A a 12V +- 240W quise cargar unas baterías de plomo acido las baterías eran de 200Ah y las tenia que mantener en carga a unos 18A durante variar horas, todo bien hasta que pasaron 15 minutos y aquello empezó a calentarse y a saltar la protección por temperatura, al final le puse un ventilador de casa para poder seguir cargando las baterías y fueron tantos los problemas que decidí diseñar mi propia fuente pero ahora conmutada y que pudiera mantener al menos 300W durante un tiempo ilimitado que es la que presento en el

video.

Lo que se ve en el video es como la fuente con un carga resistiva de 4 lámparas dicroicas halógenas de 50W cada una que son unos 200W a 12V en total, primero desde 0 a 15V y un consumo de unos 20A unos 300W regula el voltaje perfectamente estable y después se ve también como se puede regular la intensidad de 0 a 20A, cabe destacar que la fuente empieza todo por cero esto es un dato importante cuando lo que queremos es una buena fuente de laboratorio.

Desde el principio del proyecto hace ya unos cuantos meses decidí publicar en mi web integra toda la documentación de la fuente de alimentación y por tanto el que la quiera montar va a tener toda la información a su alcance y mi ayuda, también desde principio todo el diseño de la fuente esta pensado para que sea lo mas sencilla posible el montaje y la comprobación, por ese motivo se ha diseñado por módulos, cada modulo tiene una función especifica y puede funcionar por separado de la placa principal.

Sobre La complejidad de circuito no puedo establecer una escala porque todo depende de los conocimientos de la persona que los valla a realizar, a parte del trabajo de electrónica que necesita de herramientas normales para el ajuste como un multímetro y también es recomendable tener un osciloscopio, los trabajos mecánicos son también importantes por ese motivo cada uno tiene que ver sus posibilidades.

La mala noticia es que en diseño se a incluido solo componentes de la máxima calidad de marcas conocidas por lo tanto es cara de realizar, nada de componentes chinos de los de mientras mas barato mejor. Yo empecé con dos fuentes chinas fijas de 24V 150W y duraron muy poco, una se quemo y la otra le falto poco al final cuando compre la buena ya me había costado el doble. Si se elige el camino de lo barato al final tendremos una birria de fuente.

Testo original de la presentación del video de la fuente en el foro va-k. http://ba-k.com/showthread.php?t=3275745

CARACTERÍSTICAS

• Estrada de alimentación red.80-275 VAC• Frecuencia de funcionamiento. 47 -63 Hz• Máxima potencia de salida 320W• Frecuencia de la fuente 130 KHz• Voltaje de salida ajustable de 0 – 40V• Intensidad de salida ajustable de 0 – 20A a 15V • Protección por sobre intensidad con indicador• Protección por sobre temperatura con indicador

• Control de ventilación automático con indicador• voltímetro 0-40V y amperímetro 0-40A LCD de 2,4¨ programable USB• Amperímetro sin elementos resistivos con sensor Hall de 50A

ESQUEMA DE CONEXIONES

En el esquema anterior se puede ver con claridad los componentes de la F A y sus interconexiones.

CONEXIONES Y DISTRIBUCIÓN INTERNA

LISTA DE MÓDULOS Y DEL CONTENIDO

DESCRIPCIÓN DEL CÓDIGO

CÓDIGO DESCRIPCIÓN PÁGINA

12.01-02 PLACA BASE PRINCIPAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN 1

12.02-04 MODULO AMPERÍMETRO 6

12.03-02 MODULO PROTECCIÓN 4

12.04-01 MODULO DE CONTROL PWM 2

12.05-03 MODULO FUENTE TENCIONES AUXILIARES 3

12.06-02 MODULO DRIVER 5

PLACA BASE PRINCIPAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

12.01-02

La placa principal de la fuente es la que sirve de soporte e interconexión para casi todos los componentes de la fuente. En un principio esta placa se diseño para integrar también los transistores MOS-FET de potencia con una refrigeración liquida a base de un KIT para un micro

de un PC (versión 12.01-01), pero después de muchas pruebas en las que siempre daban como resultado la destrucción de los elementos de potencia cuando se sobrepasaba los 120W que es el máximo que estos kit pueden disipar, decidí aprovechar el PCB pero modificarlo y poner los elementos de potencia en un radiador de calor con ventilación forzada (1001-01).

Primeras pruebas con refrigeración liquida y los MOS-FET en la placa base (versión 12.01-01).

ESQUEMA

LISTA DE COMPONENTES

CONDENSADORES

C1 6800µ 63V C2 6800µ 63V C3 10µ 50V C4 100µ 50V C5 100n 50v C6 100n 50v C7 10µ 50V C8 3µ3 100V C9 3µ3 100V C10 2200µ 63V C11 3µ3 100V C12 2200µ 63V C13 2200µ 63V C14 3µ3 100V RESISTENCIAS

R1 0.01 20W*ver texto R2 470 1/4w R3 1k5 1/4w R4 4.7 1/4w R5 4.7 1/4w R6 4.7 1/4w R7 470 1/4w R8 1K 2W R12 10k NTC *ver texto

SEMICONDUCTORES

D1 BY255 D2 BZX79-C15 15v 0.5W ZENER D3 BZV48C20 20V 5W ZENERD4 BYS28-90 D5 LED NARANJA 5M.M D6 BYV28-600D7 BYS28-90 D8 BYV28-600 F1 *ver texto F2 *ver texto

F3 *ver texto T1 IRFP250 VR1 7812

COMPONENTES VARIOS

FS1 fusible de automoción 6A-7AL1 10µH *ver texto 2 radiadores de calor TO2204 separadores metálicos 45m.m5 separadores metálicos 6 m.m2 bornas de 2 contactos tornillo a PCB1 radiador calor TO247 65x50x15 m.m

SEMICONDUCTORES

VR1=UA 7812

REGULADOR INTEGRADO +12V

D1=BY255

DIODO RECTIFICADOR 3A

D6,D8=BYV28-600

DIODO RAPIDO 1A

F1,F2,F3=IXFN200N10

MOS-FET 200A 100V

D4,D7=BYS28-90

DIODO DOBLE Schottky

2X12.5A 90V

T1=IRFP250

MOS-FET 200V 30A

D3= BZV48C20

20V 5W ZENER

D2=BZX79-C15

15v 0.5W ZENER

LED 5 M.M NARANJA

COMPONENTES VARIOS

FS1= fusible de automoción 6A-7.5A

L1= 10µH 40A

NÚCLEO TOROIDAL POLVO DE HIERRO

AMARILLO-BLANCO

39.8X24.13X14.48

BOBINAR 8 ESPIRAS REPARTIDAS UNIFORMEMENTE

CON HILO ESPECIAL DE ALTA TEMPERATURA

PARA HORNOS DE 2.5m.m DE SECCIÓN

DISIPADOR DE CALOR, TO-218/220/247, 18.7°C/W

SEPARADOR METAL, M3X45

separadores metálicos m3x06

EPCOS - B57703M103G - TERMISTOR, NTC

Como se puede ver los componentes son todos normales, exceptuando a los MOS-FET que son componentes un poco más difíciles de encontrar y caros, cada uno cuesta alrededor de unos 27€, estos componentes se pueden sustituir por unos con menos intensidad de trabajo y por lo tanto que sean más baratos. el motivo de poner los IXFN200N10P fue que al principio estaban pensados para una fuente de 700w, montando dos fuentes de 350W en paralelo pero por motivos de presupuesto la he tenido que dejar como esta.

Otro componente que puede ser difícil de encontrar es la L1, este componente esta hecho a mano y las características están puestas en la lista de componentes, solo hay que tener en cuenta que tiene que ser del tipo polvo de hierro no puede ser de ferrita, si lo ponemos de ferrita que es un material más saturable, nos dará problemas de ruidos y vibraciones. este núcleo no es difícil de conseguir casi todas las fuentes de PC tienen uno o varios para filtrar la tensión de salida, solo hay que tener en cuenta que sea del valor dado de 10µE, cabe mencionar que este componente se calienta bastante y se debe de bobinar con hilo especial para hornos, estos hilos tienen una funda muy resistente al calor y por ese motivo necesita menos sesión de cable para obtener la misma intensidad que si utilizáramos hilo esmaltado, si no conseguimos este hilo siempre podemos usar hilo esmaltado, una trenza de 8 hilos esmaltados de 0.8 m.m de sección sería suficiente.

Por ultimo la NTC tiene que ser del tipo que tiene una argolla metálica para poder fijarla al radiador con un tornillo, este componente y los MOS-FET deben de ir montados con una generosa cantidad de grasa de silicona para aumentar lo mas posible la transferencia de calor, con referencia a la grasa de silicona es muy importante el conseguir una que sea de buena

calidad y garantice la máxima transferencia de calor.

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MODULO PWM12.04-01

Todos los electrónicos tenemos una historia de lo que no podemos hacer. A lo largo de estos años he visto como las diferentes publicaciones de vanguardia y fabricantes en electrónica

tenían diferentes estrategias para que no pudiéramos montar los circuitos por nuestra cuenta y los tuviéramos que comprar. Eran muchas las veces que no encontrábamos ese dichoso componente raro, muchas veces directamente no funcionaban o excluían algunos valores y todo con el mismo fin, la compra.

La llegada de internet ha revolucionado la forma de compartir la información y nos ha dado a los aficionados a la electrónica la oportunidad de mostrar nuestros trabajos y de comprar componentes que de otra forma sería casi imposible conseguir.

Desgraciadamente nuestros problemas continúan y hoy día vienen de la mano de los componentes programables y de los componentes SMD. Si echamos un vistazo a las publicaciones actuales, nos daremos cuenta rápidamente de lo que realmente no podemos hacer, no por el motivo de que no tengamos conocimientos para realizarlos, si no mas bien por que están pensados sólo para que los tengamos que comprar.

Por ese motivo, en mi fuente solo he incluido componentes normales, algunos son un poco más difíciles de comprar como he dicho antes, pero nada que no se pueda buscar por internet o en establecimientos especializados.

En Este módulo PWM he utilizado el ya veterano UC3526N, este componente es de la familia de controladores en modo tensión SG3524,25. Esta familia de controladores al contrario de lo que pueda parecer, se sigue hoy en día utilizando en bastantes proyectos y no creo que por lo pronto dejen de fabricarlos. El UC3526ADW es el más elaborado de la familia y se sigue incluyendo en fuentes de alimentación de muy alta potencia. Un buen ejemplo son los equipos de soldadura tipo inverter.

ESQUEMA INTERNO DEL UC3526

En anteriores ocasiones he explicado el funcionamiento de un módulo también trabajando en modo tensión el http://www.soloelectronica.net/pwm_modulo.htm en aquel caso fue con el SG3524N la verdad es que existen pocas diferencias, pero sí que existen algunas importantes mejoras, como un arranque suave, reset, tiempo muerto entre pulsos ajustable por medio de una resistencia, desconexión compatible con niveles lógicos TTL/CMOS y más precisión en la forma de onda de salida eliminando dobles pulsos y revotes, salida directa para excitar MOS-FET. Todo esto si lo unimos a que el SG3526 es ya un veterano y la circuitería externa es muy sencilla, le da al circuito una gran flexibilidad a la hora de diseñar una fuente de alimentación conmutada de calidad.

ESQUEMA

El modulo empieza con un filtrado de la entrada de la alimentación Patillas 14 y 17 con los componentes R8, C3, C4, en la patilla 18 está presente la tensión de referencia de +5V del regulador interno del CI, esta tensión a la vez que alimenta los circuitos internos sirve también de referencia para el comparador de tención de error, patillas 1 y 2 ajustado a +2.5V por el divisor de tención formado por las resistencias R1, R2 en la patilla 1. En la patilla 2 que es la

entrada negativa del comparador de error, tenemos un divisor de tención ajustable formado por los componentes R4, R3 y los componentes externos (en el panel frontal) conectados a la patilla 1 del módulo P1, P2 que son los encargados de ajustar el voltaje de salida de la fuente.

En la patilla 4 tenemos el condensador C2 que es el que fija el tiempo de arranque suave de la fuente, este arranque se produce cada vez que arranca la fuente o hay una desconexión por un una sobrecarga o entrada de las protecciones por temperatura.

Las entradas patillas 5 y 8 con su circuito asociado T1, R7, R13, C8 son los encargados de la desconexión y reset de la fuente en el caso que se produzca una sobre temperatura de la fuente.

La resistencia R6 y el condensador C5 son los que fijan la frecuencia del módulo a unos 130 kHz, estos componentes se pueden modificar para hacer funcionar la F A en otras frecuencias pero yo no lo aconsejo ya que según las pruebas esa es la frecuencia optima de funcionamiento del circuito, la R10 es la que fija el tiempo muerto entre los señales de onda cuadrada presentes en las patillas 13, 16 que son mescladas por los diodos de señal D2 y D3.

PCB

PCB VERSIÓN 12.04-01

El PCB del módulo es unos de los componentes que menos se ha modificado de la F A siendo la versión primera del diseño 12.04-01, este PCB es el único que está diseñado para componentes SMD el motivo es que el componente principal UC3526ADW es más fácil de conseguir en formato montaje superficial que el clásico de superficie, de todas formas quien no lo encuentre SMD puede dibujar las pistas para componentes normales, los valores dados son los mismos.

componentes

   SMD   

CONDENSADORES

C1 = 10n

C3 = 100n

C5 = 1n

C6 = 100n

C8 = 100n

C9 = 100p

DIODOS

D1 = LED VERDE SMD

D2 = 1N4148

D3 = 1N4148

POTENCIOMETROS

P1 = 220k LIN EJE 5m.m

P2 = 2M AJUSTABLE

RESISTENCIAS

R1 = 10k

R2 = 10k

R3 = 10k

R4 = 10k

R5 = 1k

R6 = 10k

R7 = 10k

R8 = 22

R9 = 0 OPCIONAL

R10 = 12

R11 = 1k

R12 = 820

R13 = 1k

TRANSISTOR

T1 = BSS79C

CI

IC1=UC3526ADW

1N4148 BSS79C UC3526ADW

UNAS DE LAS PRIMERAS FOTOS DE LA F A DONDE SE PUEDE VER EL MODULO PWM

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MODULO FUENTE TENCIONES AUXILIARES12.05-03

Este circuito es el que proporciona la alimentación a casi todos los circuitos de la F A.

ESQUEMA

Aparte de la tensión positiva de +12V que alimenta a los módulos, 12.03-02 módulo de protección, 12.04-01 modulo control PWM, 12.06-02 modulo driver, el circuito proporciona las tensión negativa -12, y la tensión de referencia +5 necesarias para los circuitos del módulo de protección, también proporciona una tensión negativa ajustable -5V que es la referencia negativa para obtener los 0V de salida en la fuente.

No menos importante es el circuito temporizador, el cual da un tiempo muerto en el arranque, para que se puedan cargar los condensadores de filtro, y de esa forma poder manejar posibles cargas conectadas a la fuente antes del arranque, que pudieran dañar los elementos de potencia.

DESCRIPCIÓN DE CONEXIONES DEL MODULO V1- +17V TENSIÓN DE ENTRADA DEL MODULO V2- +12V SALIDA, TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN DE LOS

MÓDULOS, 12.03-02, 12.04-01, 12.06-02. V3- +5V  SALIDA, TENSIÓN DE REFERENCIA DEL MODULO

12.03-02 (módulo de protección). V4- -12V SALIDA, TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN DEL MODULO

12.03-02 (módulo de protección). V5- -5V   SALIDA, TENSIÓN REFERENCIA AJUSTABLE PARA EL

MODULO 12.04-01 (modulo control PWM).

PCB

PCB 12.05-03MODULO CONTROL12.03-02

 El circuito módulo de control, es el encargado de supervisar la temperatura y la intensidad, protegiendo a la fuente de alimentación de sobre intensidades y sobre temperaturas, que pudieran causar un daño a la etapa de potencia. El circuito también es el encargado del ajuste externo de intensidad, que se consigue ajustando el potenciómetro P1. El trimmer P2 en paralelo con el P1, es también el encargado de fijar la intensidad máxima a la que puede funcionar la fuente. Estos componentes junto con operacional OP1 son parte del circuito que supervisa la corriente que circula por la R1, manteniendo la intensidad que entrega la fuente, dentro de unos parámetros máximos aceptables.ESQUEMA

El circuito formado por el doble operacional OP2 y sus componentes asociados, son los encargados de mantener la temperatura de la fuente, dentro de unos márgenes aceptables de funcionamiento. El circuito OP2 forma un comparador doble de tensión, el cual supervisa la  tensión de la NTC R12 dependiente de la temperatura del disipador de calor 1001-01. El circuito OP2/1 es un circuito de seguridad  que supervisa la máxima temperatura de funcionamiento del circuito, en el caso de que la temperatura llegue a unos valores  peligrosos, el circuito para automáticamente la fuente de alimentación. Con el ajuste del trimmer P3 se consigue fijar el umbral de desconexión del circuito.El circuito con el OP2/2 es el encargado de hacer funcionar  los ventiladores del disipador de calor 1001-01, y de esa forma mantener los MOS-FET a una temperatura aceptable de funcionamiento. El funcionamiento es igual al del OP2/1, pero en este caso el P4 tiene que ser ajustado a una temperatura inferior a la de la desconexión.  De esta manera los ventiladores mantendrá, la temperatura del disipador por debajo del umbral de desconexión.PCB

MODULO 12.03-02

MODULO CONTROL

12.03-02

El circuito módulo de control, es el encargado de supervisar la temperatura y la intensidad, protegiendo a la fuente de alimentación de sobre intensidades y sobre temperaturas, que pudieran causar un daño a la etapa de potencia. El circuito también es el encargado del ajuste externo de intensidad, que se consigue ajustando el potenciómetro P1. El trimmer P2 en paralelo con el P1, es también el encargado de fijar la intensidad máxima a la que puede funcionar la fuente. Estos componentes junto con operacional OP1 son parte del circuito que supervisa la corriente que circula por la R1, manteniendo la intensidad que entrega la fuente, dentro de unos parámetros máximos aceptables.

ESQUEMA

El circuito formado por el doble operacional OP2 y sus componentes asociados, son los encargados de mantener la temperatura de la fuente, dentro de unos márgenes aceptables de funcionamiento. El circuito OP2 forma un comparador doble de tensión, el cual supervisa la tensión de la NTC R12 dependiente de la temperatura del disipador de calor 1001-01. El circuito OP2/1 es un circuito de seguridad que supervisa la máxima temperatura de funcionamiento del circuito, en el caso de que la temperatura llegue a unos valores peligrosos, el circuito para automáticamente la fuente de alimentación. Con el ajuste del trimmer P3 se consigue fijar el umbral de desconexión del circuito.

1N5819 BC640 LM317AHV LM337 MC34063A

Foto donde se puede ver las primeras pruebas de la F A.

MODULO CONTROL12.03-02

 El circuito módulo de control, es el encargado de supervisar la temperatura y la intensidad, protegiendo a la fuente de alimentación de sobre intensidades y sobre temperaturas, que pudieran causar un daño a la etapa de potencia. El circuito también es el encargado del ajuste externo de intensidad, que se consigue ajustando el potenciómetro P1. El trimmer P2 en paralelo con el P1, es también el encargado de fijar la intensidad máxima a la que puede funcionar la fuente. Estos componentes junto con operacional OP1 son parte del circuito que

supervisa la corriente que circula por la R1, manteniendo la intensidad que entrega la fuente, dentro de unos parámetros máximos aceptables.ESQUEMA

El circuito formado por el doble operacional OP2 y sus componentes asociados, son los encargados de mantener la temperatura de la fuente, dentro de unos márgenes aceptables de funcionamiento. El circuito OP2 forma un comparador doble de tensión, el cual supervisa la  tensión de la NTC R12 dependiente de la temperatura del disipador de calor 1001-01. El circuito OP2/1 es un circuito de seguridad  que supervisa la máxima temperatura de funcionamiento del circuito, en el caso de que la temperatura llegue a unos valores  peligrosos, el circuito para automáticamente la fuente de alimentación. Con el ajuste del trimmer P3 se consigue fijar el umbral de desconexión del circuito.El circuito con el OP2/2 es el encargado de hacer funcionar  los ventiladores del disipador de calor 1001-01, y de esa forma mantener los MOS-FET a una temperatura aceptable de funcionamiento. El funcionamiento es igual al del OP2/1, pero en este caso el P4 tiene que ser ajustado a una temperatura inferior a la de la desconexión.  De esta manera los ventiladores mantendrá, la temperatura del disipador por debajo del umbral de desconexión.PCB

MODULO 12.03-02

COMPONENTES

CONDENSADORESC1 = 10n 50VC2 = 100n 50VC3 = 100n 50VC4 = 4µ7 50VC5 = 100n 50VC6 = 1µ 50VC7 = 10n 50VC8 = 470µ 16VC9 = 220µ 16VC10 = 330µ 16VC11 = 330µ 16VC12 = 100n 50V

SEMICONDUCTORESD1 = 1N5819D2 = 1N4148LED1 = 5 m.mLED2 = 5 m.mLED3 = 5 m.mOC1 = 4N27

Q1 = BC 640OP1 = TL081OP2 = LM358/2OP2 = LM358/1 T1 = BUZ11RESISTENCIASP1 = 10kP2 = 10k trimmerP3 = 10k trimmerP4 = 10k trimmer 1/4WR1 = 27kR2 = 10kR3 = 10kR4 = 10kR5 = 390kR6 = 10kR7 = 1kR8 = 390kR9 = 10kR10 = 10kR11 = 1kR12 = 10kR13 = 1kR14 = 1kR15 = 1kR16 = 4k7R17 = 4k7R18 = 47R19 = 47 3WR20 = 10kV1= VENTILADOR 12V CC