Circuito de fuente de alimentación ajustable de 0-40 V: tutorial de construcción

Esta fuente de uso general multipropósito genera hasta 2.5 amperios de cero a 20 voltios o hasta 1.25 amperios de 0 a 40 voltios. La limitación de corriente es variable dentro de todo el rango para cualquiera de las opciones de salida.

Por Trupti Patil

Especificaciones principales de la fuente de alimentación:

UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN IDEAL debe proporcionar un voltaje que sea variable dentro de un amplio rango y que se mantenga en el voltaje establecido independientemente del voltaje de línea o las disparidades de carga.

El suministro también debe estar a salvo de un cortocircuito en toda su salida y ser capaz de restringir la corriente de carga para garantizar que los dispositivos no se dañen por circunstancias de falla.

Este proyecto en particular explica una fuente de alimentación diseñada para entregar 2.5 amperios a hasta 18 voltios (hasta 20 voltios a corrientes más bajas). Al mismo tiempo, algunas modificaciones básicas harán que el suministro ofrezca hasta 40 voltios a 1,25 amperios.

El voltaje de suministro es ajustable entre cero y 'el más alto disponible, y la limitación de corriente también se puede ajustar en todo el rango estipulado'. El modo de funcionamiento de la fuente de alimentación se indica mediante dos LED.

El que está cerca de la perilla de control de voltaje muestra si la unidad está en la configuración de regulación de voltaje normal y el que está cerca de la perilla de límite de corriente muestra si la unidad está en modo de límite de corriente. Además, un medidor grande muestra la salida de corriente o voltaje seleccionada por un interruptor.

CARACTERISTICAS DE DISEÑO

Mientras estábamos en nuestras etapas preliminares de diseño, investigamos diferentes tipos de reguladores y los aspectos positivos e inconvenientes de cada uno para poder elegir el que ofrezca la funcionalidad más rentable. Las estrategias específicas y sus características se pueden resumir de la siguiente manera.

El regulador de derivación:

Este diseño funcionaría principalmente para fuentes de alimentación bajas de entre 10 y 15 vatios. Ofrece una excelente regulación y es internamente resistente a cortocircuitos, sin embargo, disipa todo el volumen de energía que está equipado para manejar en condiciones sin carga.

El regulador en serie.

Este regulador se adapta a fuentes de potencia media de aproximadamente 50 vatios.

Puede y está diseñado para fuentes de alimentación más altas, aunque la disipación de calor podría ser un problema, particularmente a corrientes muy altas con voltajes de salida bajos.

Excelente regulación, generalmente hay un ruido de salida menor y el costo es comparativamente mínimo.

Regulador SRC:

Ideal para propósitos de potencia media a alta, este regulador proporciona baja disipación de potencia, aunque la ondulación de salida y el tiempo de respuesta no son tan buenos como los de un regulador en serie.

Pre-regulador SCR y regulador en serie.

Las mejores características de los reguladores SCR y en serie se combinan con este tipo de circuito de suministro de energía empleado para aplicaciones de potencia media a alta. Se emplea un prerregulador SCR para asegurar un suministro aproximadamente regulado alrededor de cinco voltios mayor que el recomendado, acompañado de un regulador en serie adecuado.

Esto reduce la pérdida de potencia en el regulador en serie. Sin embargo, su construcción es mucho más costosa.

Regulador de conmutación.

También aplicada para aplicaciones de potencia media a alta, esta técnica proporciona una regulación asequible y una baja disipación de potencia en el regulador; sin embargo, es costosa de construir y posee una ondulación de alta frecuencia en la salida.

Fuente de alimentación de modo conmutado.

La técnica más exitosa de todas, este regulador rectifica la red para operar un inversor a 20 kHz o incluso más. Para reducir o aumentar el voltaje, comúnmente se emplea un transformador de ferrita de bajo costo, cuya salida se rectifica y filtra para obtener la salida de CC preferida.

La regulación de la línea es muy buena, pero seguramente tiene la desventaja de que no se puede aplicar convenientemente como una fuente variable, ya que es adaptable en un rango relativamente más pequeño.

NUESTRO PROPIO DISEÑO

Nuestro principio de diseño inicial había sido una fuente de alimentación de alrededor de 20 voltios a una salida de 5 a 10 amperios.
Dicho esto, a la luz de las variedades de reguladores fácilmente disponibles, así como de los costos, se optó por limitar la corriente a unos 2,5 amperios.
Este enfoque nos ayudó a emplear un regulador en serie, el modelo más rentable. Era necesaria una buena regulación, junto con una función de limitación de corriente ajustable, y además se eligió que la fuente de alimentación pudiera funcionar hasta prácticamente cero voltios.

Para obtener la calificación final, es esencial un riel de suministro negativo o un comparador que pueda funcionar usando sus entradas a cero voltios. En lugar de utilizar un riel de suministro negativo, tomamos la decisión de trabajar con un amplificador operacional CA3l30 IC como comparador.

El CA3l 30 necesita un solo suministro (máximo de 15 voltios) y, al principio, usamos una resistencia y un zener de 12 voltios para obtener un suministro de 12 voltios. El voltaje de referencia se había creado a partir de este suministro de zener mediante una resistencia más y un zener de 5 voltios.

Se creía que esto habría presentado una regulación adecuada para el voltaje de referencia, sin embargo, se identificó que prácticamente la salida del rectificador se alteró de 21 a 29 voltios más algo de la fluctuación y la conmutación de voltaje que tuvo lugar en el zener de 12 voltios, como resultado, terminó reflejado en la referencia zener de 5 voltios.

Por esta razón, el zener de 12 voltios ha sido sustituido por un regulador de lC que solucionó el problema.

Con todos los reguladores en serie, el transistor de salida en serie de las características del diseño, debe disipar mucha potencia, particularmente en voltaje de salida bajo y corriente alta. Por este factor, un disipador de calor respetable es una parte importante de la estructura.

Los disipadores de calor industriales son increíblemente caros y, con frecuencia, difíciles de instalar. Como resultado, creamos nuestro propio disipador de calor que no solo era más asequible sino que también funcionaba mucho mejor que la variación comercial en la que habíamos estado pensando: era más fácil de instalar.

Sin embargo, a plena carga, el disipador de calor sigue funcionando en caliente, al igual que el transformador. y en circunstancias de alta corriente y bajo voltaje, el transistor podría incluso volverse demasiado chisporroteante para tocarlo.
Esto es bastante normal ya que el transistor dentro de estas situaciones sigue funcionando dentro de su rango de temperatura seleccionado.

Junto con cualquier suministro extremadamente regulado, la estabilidad podría ser una dificultad. Por este motivo se incluye el modo de funcionamiento de regulación de tensión, los condensadores C5 y C7 para minimizar la ganancia del lazo en altas frecuencias y evitar así que la alimentación oscile.

El valor de C5 se ha elegido para escatimar idealmente entre la estabilidad y el período de reacción. Cuando el valor de C5 es demasiado bajo, aumenta la velocidad de reacción.

Sin embargo, existe una mayor posibilidad de falta de estabilidad. Si se aumenta excesivamente el tiempo de reacción. En el modo de límite de corriente, C4 completa la funcionalidad idéntica y se implementan exactamente las mismas opiniones que para el escenario de voltaje.

Como la fuente de alimentación tiene la capacidad de generar una salida de corriente relativamente alta, sin duda puede haber alguna caída de voltaje en el cableado a los terminales de salida, lo que se compensa detectando el voltaje en los terminales de salida a través de un conjunto independiente de cables.

Aunque el suministro se hizo principalmente para 20 voltios a 2,5 amperios, se terminó recomendando que el mismo suministro exacto pueda ser utilizado para suministrar 40 voltios a 1,25 amperios y que esto puede ser más apropiado para muchos usuarios finales.

Esto podría lograrse modificando la configuración del rectificador y alterando algunos componentes. Se dio una idea de crear el suministro intercambiable, pero las complejidades adicionales y el precio fueron de una manera que se descartó como ventajoso.

Por lo tanto, básicamente debe elegir la configuración que se adapte a su demanda y construir el suministro según sea necesario.

El voltaje regulado máximo accesible está restringido posiblemente por el voltaje de entrada al regulador demasiado reducido (con más de 18 voltios y 2.5 amperios) o quizás por la relación de R14 / R15 y por el valor del voltaje de referencia. (Salida = R14 + R15 / R15) V ref

Debido a la tolerancia de ZD1, los 20 voltios completos (o 40 voltios) probablemente no sean accesibles. Si se identifica como una situación, R14 debe incrementarse al valor favorecido posterior.

Se han proporcionado potenciómetros de una sola vuelta para los controles de voltaje y corriente debido al hecho de que son asequibles. No obstante, si se necesita una configuración precisa del voltaje o el control de la corriente, se deben aplicar potenciómetros de diez vueltas como sustituto.

CÓMO FUNCIONA

La red de 240 voltios se reduce a 40 V de CA a través del transformador y, según el suministro que se haya desarrollado, se rectifica a 25 o 5 V de CC.

Este voltaje es realmente moderado ya que el voltaje real será diferente entre 29 voltios (58 voltios) sin carga y 21 voltios (42 voltios) a plena carga.

Los condensadores de filtro idénticos se emplean en ambas situaciones. Están conectados en paralelo para su variante de 25 voltios (5000uF) y en serie para el modelo de 50 voltios (1250uF). En el modelo de 50 voltios, la toma central del transformador se acoplará a la toma central de los condensadores, lo que garantiza un voltaje preciso. compartir entre los condensadores. Esta configuración ofrece además un suministro de 25 voltios al regulador lC.

El regulador de voltaje es esencialmente un tipo en serie en el que la impedancia del transistor en serie se rige por un método tal que este voltaje en toda la carga se mantiene constante en el valor predeterminado.

El transistor Q4 disipa una gran cantidad de energía, particularmente a voltajes de salida bajos y alta corriente y, por lo tanto, se instala en el disipador de calor dentro de la parte posterior del producto.

El transistor Q3 lleva la ganancia de corriente a Q4, la colaboración funciona como un transistor PNP de alta potencia y alta ganancia. Los 25 voltios se reducen a 12 voltios a través del regulador de circuito integrado ICI. Este voltaje se emplea comúnmente como voltaje de suministro para los CA3130 lC y, además, el diodo Zener ZDI lo reduce a 5.1 voltios para usarlo como voltaje de referencia.

La regulación de voltaje es realizada por lC3 que examina el voltaje determinado por RV3 (O a 5.1 'voltios) con el voltaje de salida dividido por R14 y R15. El divisor proporciona una división de 4,2 (O a 21 voltios) u ocho (0 a 40 voltios).

Por otro lado, en el extremo alto, el voltaje obtenible está restringido hasta el punto en que el regulador logra perder el control a alta corriente, ya que el voltaje a través del condensador del filtro alcanza el voltaje de salida más una ondulación de 100 Hz. La salida de IC3 regula el transistor Q2 que posteriormente controla el transistor de salida de manera que el voltaje de salida continúa siendo constante independientemente de las disparidades de línea y carga. La referencia de 5.1 voltios se ofrece al emisor de Q2 a Q1.

Este transistor es en realidad una etapa de amortiguación para contrarrestar la carga de la línea de 5.1 voltios. El control de corriente lo realiza IC2, que analiza el voltaje determinado por -RV1 (O a 0,55 voltios) utilizando el voltaje creado alrededor de R7 por la corriente de carga.

Si, por ejemplo, se definen 0,25 voltios en RV1 y la corriente que se toma del suministro es pequeña, la salida de IC2 estará cerca de los 12 voltios. Esto hace que el LED 2 se encienda ya que el emisor de Q1 está a 5,7 voltios.

En consecuencia, este LED significa que este suministro está funcionando dentro del modo regulador de voltaje. Sin embargo, si la corriente impulsada se eleva de tal manera que el voltaje alrededor de R7 es poco más de 0.25 voltios (en nuestra ilustración), la salida de IC2 puede caer. Una vez que la salida de IC2 cae por debajo de alrededor de 4 voltios, Q2 comienza a apagarse a través del LED 3 y D5. El resultado de esto sería minimizar el voltaje de salida para que el voltaje en todo R7 no pueda aumentar más.

Mientras esto ocurre, el comparador de voltaje IC3 intenta contrarrestar el problema y su salida se dispara a 12 voltios. IC2 luego consume más corriente para compensar y esta corriente provoca que el LED 3 se ilumine, lo que implica que el suministro está funcionando en el modo de límite de corriente.

Para garantizar una regulación precisa, los terminales de detección de voltaje se entregan a los puntos de salida independientemente de los que transportan la corriente de carga. El medidor incluye un movimiento de un miliamperio y lee el voltaje de salida (inmediatamente a lo largo de los terminales de salida) o la corriente (midiendo el voltaje alrededor de R7) como se elige en el interruptor del panel frontal SV2

Diseño de PCB para el circuito de alimentación de 40 V

CONSTRUCCIÓN

Se debe utilizar el diseño de PCB sugerido para este circuito de suministro de energía variable de 0-40 V, ya que la construcción se simplifica enormemente.

Los componentes deben colocarse juntos en la placa asegurando que las polaridades de diodos, transistores, lC y electrolíticos sean las adecuadas. El BDl40 (Q3) debe instalarse de manera que el lado que usa la superficie metálica se enfrente en la dirección de lCl. Se debe atornillar un pequeño disipador de calor al transistor como se muestra en la imagen.

Si se utiliza la estructura metálica como se detalla, se debe emplear un arreglo de montaje.

a) Una el panel frontal al frente de la estructura y atorníllelos entre sí ajustando el medidor.

b) Fije los terminales de salida, potenciómetros y medidor-interruptor en el panel frontal.

c) Los cátodos de los LED (que aplicamos) habían sido designados por una muesca dentro del cuerpo que no se podía notar mientras los LED estaban instalados en el panel frontal.

Si esto le suena a la situación con la suya, reduzca los terminales del cátodo un poco más pequeños para reconocerlos y luego instale los LED en su lugar.

d) Suelde longitudes de cable (alrededor de 180 mm de largo) a los terminales de 240 voltios del transformador, aísle los terminales con cinta adhesiva y luego coloque el transformador en su lugar dentro de la estructura.

f) Monte el cable de red y el clip para cable. Conecte el interruptor de encendido, aísle los terminales y luego conecte el interruptor en el panel frontal.

g) Fije el disipador de calor y atorníllelo a la parte posterior de la estructura usando un par de pernos; luego instale el transistor de potencia utilizando arandelas aislantes y grasa de silicona.

h) Instale la PCB ensamblada en la estructura utilizando espaciadores de 10 mm.

i) Conecte el secundario del transformador, los diodos rectificadores y los condensadores del filtro. Los cables del diodo son lo suficientemente rígidos como para no necesitar ningún soporte adicional.

j) Es posible que el cableado que involucre la placa y los interruptores llegue ahora mediante puntos de conexión con letras coincidentes en el diagrama del panel frontal y los diagramas de superposición de componentes. El único establecimiento necesario sería calibrar el medidor. Conecte un voltímetro genuino al control de salida de la fuente de alimentación para que el medidor externo descifre 1 5 voltios (o 30 voltios en la configuración alternativa).

Lista de piezas para el circuito de suministro de energía propuesto de 40 V y 2 amperios