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Fuente de poder para laboratorio básico
( Principiantes )
Datos técnicos:
Voltaje de entrada: 120VAC @ 50/60 Hz
Consumo máximo: 75 VA
Voltaje de Salida: 0 ~ 30 VDC variable continuo.
Corriente de Salida: 15 mA ~ 2,1 A variable continuo.
Lectura simultánea de Voltaje y Corriente de Salida.
Dimensiones: L = 21,5 cm; W = 11,5 cm; H = 10 cm
Peso: 1,8 Kg
Esta fuente de poder fue diseñada siguiendo las enseñanzas derivadas de las
vicisitudes por las que atravesamos, tanto técnicos como diseñadores, al momento
de emprender alguna tarea relacionada con nuestras experiencias y necesidades.
Todo comenzó con un KIT constituido por un pequeño PCB, unos cuantos diodos,
un IC (LM723), un potenciómetro y algunos trozos de cable.
El ensamblaje fue todo un éxito. "FUNCIONÓ"
Esto ocurrió por allá, por 1974, si mal no recuerdo.
Luego comenzaron las preguntas:
¿Donde meto todo esto?, ¿Cómo hago para que no caliente el Transistor Bypass? y
los problemas: ¿Cómo conectar la fuente al circuito que se quiere alimentar?,
¿Cómo fijo la tensión en 0,5 V (Esa no llegaba a cero)?, ¿Cómo leer la tensión y/o la
corriente?.
Todas esas interrogantes se resolvieron en un lapso de cinco años, unos 5
prototipos entre los más simples y los más sofisticados y la aplicación y diseño de
unos tres o cuatro circuitos de protección y control.
Ahora dejo aquí el resultado final de esas experiencias, con el fin de que otros,
aficionados y técnicos de la electrónica puedan, no sólo ensamblar esta fuente,
sino, además, sacarle buen provecho.
Descripción del sistema:
1. El mismo se compone de siete "Bloques":
1. Transformador de aislamiento y cambios de tensión con dos secundarios.
2. Dos rectificadores DC, uno para 38 VDC @ 2,5A y otro, para 26 VDC @
0,2A
3. Transistor Bypass de potencia disipado por el chassis del gabinete
metálico (Al)
4. Regulador de voltaje de precisión.
5. Circuito de limitación y protección de sobrecarga.
6. Circuito amperimétrico.
7. Voltímetro.
2. El transformador TR1 provee el aislamiento galvánico de la red (Primario de
120VAC) y, a través de dos secundarios, las tensiones de 27VAC @ 2,5A y
18VAC @ 0,2A.
3. El rectificador (D1, D2, D3, D4) junto con el capacitor C1, entregan la
componente DC de 38V necesaria para producir la tensión máxima de 30V @ 2A
que será regulada mediante Q2, controlado por IC2.
4. El rectificador B1 junto a C2, entregan la componente DC de 26VDC @ 0,2A
requeridos por IC2 e IC1 para controlar y proteger a Q2.
5. El integrado IC2 es un regulador de voltaje positivo de precisión, mediante el
cual se suministra la tensión de control a Q2, manteniéndola estable por efecto
del feedback proveniente desde +UB.
6. Q1 corta el suministro de tensión a Q2, en caso de sobrecarga y es gobernado
por IC1B, que lee la caída de tensión generada por la carga sobre el cable Rojo
de 14,5 cm entre el Emisor de Q2 y el borne de salida +UB.
7. La misma caída de tensión es leída por IC1C y, amplificada mueve el
galvanómetro A para mostrar la corriente que circula por la fuente.
8. El galvanómetro V muestra la tensión de salida entre los bornes de la fuente.
Esta es la Placa Base (PCB) con el emplazamiento de los componentes:
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Diagrama Esquemático:
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Placa de PCB:
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Diagrama de cableado
Los elementos mostrados son puramente ilustrativos. Solo la placa de circuito
impreso es fiel a la original empleada en la fuente FL-01.
Todos los elementos pueden ser sustituidos, siempre y cuando se mantengan sus
especificaciones.
FL01 Listado de Componentes
Part : Value
B1 : B250/C1500
C1 : 2200 µF/40V
C2 : 220 µF/40V
C3 : 473 / 50V
C4 : 103 / 50V
C5 : 472 / 50V
D1 : 1N5400
D2 : 1N5400
D3 : 1N5400
D4 : 1N5400
D5 : 1N4148
D6 : 1N4148
D7 : 1N4148
D8 : 12V-1W Z-Diode
D9 : 2.7V/.5W Z-Diode
F1 : 1A Euro type 3mm FUSE - In panel fuse holder
IC1 : LM324N OP AMP
IC2 : L146CB Positive VOLTAGE REGULATOR - [ LM723 can be used ]
KK1 : FK222 HEATSINK Botton of the alluminium case
LED1 : Red LED 5MM
M1 : AAM Analog Panel Ammeter - [ 130 µA to 1 mA / fs, can be used ]
M2 : AVM Analog Panel VOLT-METER - [ 130 µA to 1 mA / fs, can be used ]
P003 : 10K Trimmer POTENTIOMETER
P004 : 10K Trimmer POTENTIOMETER
Q1 : BD441 TO126AV NPN TRANSISTOR
Q2 : MJ3001 TO3 NPN Darlington Transistor
R1 : 12K 1/4 W Resistors
R2 : 18K
R3 : 1K
R4 : 1K
R5 : 3.3K
R6 : 3.3K
R7 : 2.7K
R8 : 27K
R9 : 1K
R10 : 3.3K
R11 : 1K
R12 : 10K
R13 : 270
R14 : 3.3K
R15 : 1.8K
S1 : Pull-On Switch, part of VR1 Potentiometer
TR1 : 70W Step-Down TRANSFORMER - Pri: 120VAC, Sec1 18VAC @ 0,2A = Sec2
27VAC @ 2,5A
VR1 : 10K Lin + S1 Panel POTENTIOMETER - With Pull-On Switch
VR2 : 250K Log Panel POTENTIOMETER
Completado el entorno básico: Presentación, fotografía, datos técnicos, diagramas
lista de partes (Les sugiero que no compren nada antes de haber leído todo el
contenido de este texto), les suministro unos cuantos detalles que considero serán
útiles y conducentes al éxito de esta misión, y los cuales no se evidencian ni en
diagramas ni en fotografías.
CABLE CRÍTICO
Le he dado ese nombre porque, de verdad, es el componente más CRÍTICO
contenido en este dispositivo. Parece un simple cable y eso es cierto, "Es Un
Simple Cable" pero, de él depende la magia del sistema de "Limitación de
Corriente y del Sistema de protección".
Al comienzo de este proyecto pensé en utilizar un resistencia, tal cómo la pintan en
todos los circuitos de fuentes de poder (Bueno... Casi Todos.). Pero las resistencias
limitadoras o, las utilizadas como schunts amperimétricos, al ser atravesadas por
corrientes elevadas, se calientan y, aún cuando no lleguen a quemarse, su
resistencia se eleva por efecto del calor y comienza así una escalada térmica, casi
infinita. Así que busqué una resistencia que no sufriera de calenturas y lo único
que pude encontrar que cumpliera con esas característica, fue eso, UN ALAMBRE, o
un cable, claro está. En el primer intento dibujé una pista calibrada en el PCB, de
0,008O, y eso se hizo para las primeras 100 fuentes. Luego pensé: para qué tanto
lío, un cable también puede servir. Así que, sacando cuentas y verificando datos vi
que la resistencia del cable AWG #22 es de 52.9392 O / Km. Por lo tanto, 1 m
tendrá una resistencia de 0,05294 O y el "CABLE CRÍTICO" de 14,5 cm, tendrá una
resistencia de 0,0077 O, aproximadamente. Un poquito menor de los 0,008 O
calculados al comienzo.
Así que ese trozo de CABLE ROJO calibe 22 que parte de la patilla Emisor del
Transistor Bypass, suministra al circuito su característica resistiva, más que la
conductiva (El color ROJO es para seguir los convenios de definición acordados
para marcar los conductores asignados al polo POSITIVO de las fuentes de energía
eléctrica).
Sistema de protección y limitación de corriente de salida
De estas funciones se encargan 2 de los 4 OP-Amps. contenidos por IC1: LM324. Se
utilizó este IC por la única razón de que, en stock, tenía un montón de ellos.
Cualquier Op-Amp. de alimentación sencilla (Single Supply OP-Amp.), sólo, doble o
cuádruple cómo en este caso, servirá para cumplir con este cometido. Sólo se debe
tomar en cuenta que, con un IC de OP-Amp. único, se deberán utilizar dos piezas,
mientras que, con ICs múltiples se utilizará sólo una pieza. Sugiero el uso del
LS204, dual OP-Amp. en empaque DIL8, cómo alternativa.
Los dos Amplificadores Operacionales cumplen funciones similares. IC1c, lee la
tensión generada por la corriente que atraviesa el Cable Crítico (Resistencia
Amperimétrica) y, en configuración de amplificador, la eleva para mover la aguja
del galvanómetro "A".
IC1b está configurado como Comparador de voltaje, con Vref. variable regulado por
VR2, para poder limitar la corriente máxima entregada por la fuente a voluntad y
en forma variable continua entre los 0,013 y los 2,0A.
En la sección "AJUSTES", será detallada la manera correspondiente para hacerlos.
Potenciómetros para regulación de Tensión y Corriente
VR1 debe ser un potenciómetro de variación lineal, de otra forma será muy
incómodo ajustar ciertos voltajes.
VR2 en cambio, debe ser del tipo LOGARÍTMICO pues, sería incómodo ajustar
ciertas corrientes.
Transistor By-Pass Q2
Se ha utilizado un transistor MJ3000/3001 que es un Darligton NPN bastante
común, bipolar. El conocido 2N3055 también funciona pero, debido al bajo "hfe"
(Beta) de este transistor, se eleva la corriente que debe entregar IC2, lo cual hace
que este se caliente, pero sin llegar a temperaturas alarmantes. Preferí utilizar un
darligton y, como ese estaba a la mano y en stock, ese cumplió con los requisitos:
capacidad, existencia y disponibilidad inmediata.
Otros tipos pueden funcionar: A la discrecionalidad de quien desee
experimentar con ello queda. No pregunten acerca del tema pues, no tengo
respuestas.
Disipación de Calor
Para disipar el calor producido por los 80W "máximos" que se pueden generar en
condiciones críticas (Ej: Corto Circuito Permanente directo en los bornes de salida),
experimenté con diferentes tipos de disipadores disponibles en el mercado. Los
que presentaron los mejores resultados eran de dimensiones grandes e igual de
grandes sus costos. El criterio de selección empleado fue el de ergonomía de
espacio, costo y funcionalidad: "Se debía instalar el dispositivo electrónico en un
gabinete que facilitara el soporte de sus componentes, el control de las funciones,
muestra de operatividad y lecturas (LED, Amperímetro y Voltímetro, Controles,
Conectores); protección de los mismos y del operador, ubicación en bancos de
trabajo, manipulación y solidez.".
En primera instancia y, por razones de costo y solidez, había decidido construir el
gabinete con lámina de hierro pero, tomando en cuenta las dimensiones
necesarias para el gabinete (caja) y las características de propagación térmica de
los metales, me di cuenta que la superficie de la base del mismo, superaba con
creces la de los disipadores de calor con los cuales se estaba experimentando y
que, si aquellos eran de aluminio y el gabinete fuese del mismo metal, los
resultados podrían ser muy favorables en cuanto al costo/beneficio esperado.
Así que, EL DISIPADOR de esta fuente de poder, está conformado por la base del
gabinete, hecho en lámina de aluminio de 1,5 mm de espesor y cuyo desarrollo
superficial es de 600 cm cuadrados aproximadamente. Esa superficie está pintada,
por ambas caras, con esmalte sintético debido a que este tipo de pintura, facilita la
distribución del calor disminuyendo considerablemente la resistencia térmica entre
disipador y ambiente.
Instrumentos
Inicialmente, para la primera fuente que ensamble con el KIT, instalé Amperímetro
y Voltímetro como el que se ve en la fotografía de la FL01 de la primera página. Es
un VU-Meter doble al cual convertí la escala para adaptarlo a mis necesidades. Un
prototipo intermedio fue construido con instrumentos separados, galvanómetros
del tipo "Banda de Torsión" de 5" (12,5 cm) de dial, con escalas selectables y otros
refinamientos. Este prototipo resultó ser muy costoso y, entre colaboradores,
patrocinadores y mi persona, decidimos buscar una solución más económica.
Se eligió utilizar el mismo instrumento del primer prototipo. Este es un instrumento
de bajo costo y resultó fácil de conseguir como Excedentes de producción. Sus
galvanómetros son sensibles - 200 µA aprox. - y sólo se debe convertir la escala.
Si no se puede contar con uno de estos instrumentos, se puede utilizar cualquier
instrumento < 1 mA f.s., tomando en cuenta las indicaciones siguientes:
Voltímetro: Voltímetro analógico para panel de 0~30VDC Se conecta en los nodos
13 (positivo) y 14 (negativo). No requiere ajustes y se puede prescindir de R2 y
P004.
Amperímetro: Amperímetro analógico para panel de 0~2A - Este tipo de
instrumentos básicamente son galvanómetros de 1 mA f.s., con una resistencia
Shunt en paralelo a sus terminales. Si el SHUNT es externo (atornillado a los
bornes de instrumento), simplemente se retira. Conectar el +(positivo) al nodo 7 y
el -(negativo) al nodo 8.
Requiere ajuste que será descrito en la sección correspondiente.
Si se consigue un amperímetro de panel de 0~2A pude utilizarse directamente
sustituyendo con él, el CABLE CRÍTICO. En este caso, se puede prescindir de R3,
R4, P003 e IC1c.
Generalidades
Los datos aportados aquí delante son los únicos que pueden presentar cierta
dificultad, sobre todo para los principiantes con niveles bajos de experiencia. Por lo
demás, la circuitería es bastante simple y, utilizando los mismos componentes,
placa de Circuito Impreso propuesta, junto al cuidado y observación de simples
normas de ensamblaje y ajustes, terminará en un resultado exitoso con un buen
equipo para soportar infinidad de proyectos y reparaciones.
Aquellos que tienen suficiente experiencia acumulada y, a su propio criterio,
sabrán decidir respecto de cambios y/o modificas diferentes a las propuestas aquí,
siempre a sus propias cuentas y riesgos.
Después de concluido el ensamblaje, sólo nos resta probar y hacer unos
pocos ajustes:
Pruebas:
1. Si el voltímetro utilizado fuese uno estándar de 0~30V, podemos comenzar las
pruebas sin otros particulares que observar.
Si se ha utilizado un galvanómetro como el descrito aquí, convertido a
voltímetro, lo primero que debemos hacer es conectar un multímetro analógico
o digital a los bornes de salida de la fuente, fijado en una escala que supere los
30V.
Conectar la fuente a la línea, poner el potenciómetro VR1 (control de voltaje) en
la posición mínima (CCW), todo a la izquierda; el potenciómetro VR2 (control de
corriente) a su posición máxima (CW), todo a la derecha.
Encender la fuente un instante y apagar. En el lapso encendido y apagado se
debe verificar que no deberían haber manifestaciones de ningún tipo: Ruido,
humo, desplazamiento de instrumentos, etc.. Si no parece haber ninguna
manifestación extraña, encendemos la fuente procediendo a incrementar VR1.
A la mitad del recorrido ya se debería notar un desplazamiento de la aguja del
voltímetro interno y del externo también. Desplazando VR1 al máximo de su
recorrido, deberíamos tener una lectura cercana a los 30VDC en el voltímetro
externo, por lo menos.
2. Una vez probado esto, pasamos a la siguiente prueba y esta será para verificar
la corriente máxima que circulará por el dispositivo.
Fijar la tensión de salida en unos 2V.
Desconectar el multímetro externo y prepararlo cómo amperímetro,
preferiblemente en la escala de 10A o, en todo caso, una escala superior a los 3
A.
Fijar la punta negativa (-) al borne negativo (negro) de la fuente.
Tocar brevemente el borne positivo (rojo) de la fuente con la punta positiva (+)
del multímetro, notando el desplazamiento del instrumento M1 (AAM),
amperímetro interno, tomando en cuenta su lectura.
Ajustes:
1. Para ajustar el voltímetro M2 (AVM), retomemos todo el proceso descrito en
"Pruebas" 1.
Fijamos los 30V en el multímetro y, mediante el trimmer P004 llevamos la aguja
de M2 hasta el fondo escala del mismo. OJO: Este ajuste sólo es válido para
instrumentos convertido, como el descrito en el diagrama original.
2. Ajuste del Amperímetro M1- OJO: Este ajuste sólo es válido para instrumentos
convertido, como el descrito en el diagrama original. Retomemos todo el
proceso descrito en "Pruebas" 2.
Ahora conectamos el multímetro externo, en función de amperímetro y lo
dejamos fijo con lectura de 2A. Si la lectura excede o no alcanza este nivel, se
desconecta una punta del multímetro, se toma un cautín y, si la lectura es
excedente (Va más allá de los 2A), se procede a alargar un poco el CABLE
CRÍTICO, en el punto de contacto con el terminal del borne rojo. Si, la lectura no
alcanza los 2A, la operación será inversa: se reducirá un poco el CABLE CRÍTICO.
Ahora ajustaremos la lectura del Amperímetro Interno.
Con lectura de 2A en el multímetro, se ajustará P003 hasta que la aguja alcance
la línea de fondo escala en M1.
Ahora se podrá comprobar el funcionamiento del limitador de corriente,
mediante VR2.
Con tensión de salida de 2V, conectar el multímetro en función amperios
descrita antes, a los bornes de salida Debería marcar 2A como se indicó antes.
Variar VR2 moviéndolo al contrario de la agujas del reloj (CCW). Se debería
percibir un descenso de la corriente de salida, tanto en el multímetro, como en
el Amperímtro interno. En la posición mínima del control, la corriente debería
indicar 0,013 A, siempre y cuando se haga el ajuste con un multímetro digital.
Operación:
1. Ajuste de la tensión de salida:
Mediante VR1 se llevará la aguja del Voltímetro hasta la tensión requerida.
2. Limitación de la corriente de salida:
Fijada la tensión requerida, se cortocircuitan los borne de salida y se varía VR2
hasta que el amperímetro indique la máxima corriente que se desea que
suministre la fuente. Se retira el cortocircuito y se aplica mediante cables al
dispositivo que se desea alimentar. Ante cualquier eventualidad, la corriente no
podrá superar la meta fijada.
En general, este dispositivo se opera a corriente máxima: VR2 a tope derecho
(CW).
Interior
Parte trasera