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21-04-13 CIRCUITOS: cuarta PARTE DE LA Switch Mode Power Supply

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POWER
Switch Mode Power Supply LaboratoRY
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POWER SUPPLY LABORATORY
 

FUENTE DE ALIMENTACIÓN  TERMINADA

 
 

¡ATENCIÓN PELIGRO!

PELIGRO

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

interconexiones

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

 
 
 

CONEXIONES Y DISTRIBUCIÓN INTERNA

BLOQUES FAINTERIOR FUENTE ALIMENTACION
CODIGOSLISTA DE MÓDULOS Y DEL CONTENIDO
DESCRIPCIÓN DEL CÓDIGO 
 

CÓDIGODESCRIPCIÓNPÁGINA
12.01-02PLACA BASE PRINCIPAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN1
12.02-04MODULO AMPERÍMETRO6
12.03-02MODULO PROTECCIÓN4
12.04-01MODULO DE CONTROL PWM2
12.05-03MODULO FUENTE TENCIONES AUXILIARES3
12.06-02MODULO DRIVER5



PLACA BASE PRINCIPAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
12.01-02
 
placa base fuente de alimentacion
  
  

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).  

  
mosfetliquido

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


ESQUEMA
PLACA BASE

El esquema de la placa base empieza por los clásicos componentes de protección F1, D1 y para medida de la corriente la R1, le sigue un par de condensadores electrolíticos C1, C2 que en este caso sirven mas como de acumuladores de energía que como filtros , estos son los encargados de intentar compensa las variaciones bruscas con cargas difíciles y variables.

Le sigue un regulador lineal clásico, construido a partir de un MOS-FET de potencia canal N el T1 y un diodo zener el D3 el cual fija la tensión de salida del regulador, este regulador reduce la tención de la entrada de +48V a unos niveles mas  reducido de aproximadamente +17,5V, para alimentar todos los módulos de la fuente y circuitos auxiliares, después del filtrado de salida por los condensadores C4, C5, tenemos un regulador tipo 7812, el cual proporciona los +12V necesarios para alimentar el ventilador superior de la caja (1004-01), el medidor digital de panel (1002-01), el modulo amperímetro (12.02-04), y el circuito de los ventiladores para el disipador de calor 1001-01.

Fuera del PCB pero integrado en el esquema, se encuentra la zona delimitada por unos trazos discontinuos de  colores verde y rojo, esta zona corresponde al disipador de calor con sus componentes asociados, los dos MOS-FET de potencia para la rama positiva F1, F2 y un MOS-FET la negativa F3, sus correspondientes resistencias de puerta R4, R5 y R6,  el condensador C8 y la resistencia NTC R12 que es la encargada de censar la temperatura, junto el modulo de protección para arrancar los ventiladores o parar la fuente en caso de temperaturas que excedan los 50º C.  

mos-fet

Foto de los MOS-FET de potencia montado en el disipador de calor 1001-01

En la foto anterior se puede ver las conexiones de los MOS-FET con hilo aislado de 6 m.m de sección y sus terminales soldados, también se puede ver las conexiones de las puertas con hilo rígido  trenzado de 0.2 m.m, y las resistencias de puerta convenientemente aislada con funda estándar termo retráctil.

En este punto ya debemos de tener una idea mas o menos clara de el funcionamiento de la placa base (versión 12.01-02),en su conjunto se trata de un inversor CC/CC del tipo reductor o BUCK (step-down) mejorado y de alto rendimiento.

buck

Este convertidor esta diseñado a partir de una configuración en medio puente clásica (Half bridge), por la rama positiva los MOS-FET F1, F2 y la negativa el MOS-FET F3 que en este caso funciona como un rectificador sincronizado, le sigue dos diodos dobles D4, D5 del tipo Schottky que refuerzan el circuito rectificador y ayudan al F3, por la rama positiva esta el D6 que protege contra posibles picos de tención muy altos que puedan dañar al F1 y al F2.

Por ultimo llegamos al circuito de filtrado de la fuente que lo componen los componentes L1, C10, C12, C13 y C14, el diodo D8 que protege a la fuente de posible picos de tención muy altos de origen inductivo y la resistencia de carga R8 en paralelo con la salida de la alimentación.

 
PCB
 
PCB BASE FA
PCB VERSIÓN 12.01-02

 El PCB en este circuito es de doble cara. A mi particular mente no me gustan por que es más complicada su realización, pero en este caso no he tenido mas remedio, ya que  mis objetivos eran intentar  simplificar el trazado de las pistas, utilizar menos puentes de hilo y reducir lo mas posible el tamaño del circuito impreso. Creo también que con paciencia y un poco de práctica no tendrá nadie problemas en realizarlo.

 PCB        PCB

PCB VERSIÓN 12.01-02

pcb1pcb2

En las fotos anteriores se puede ver los trabajos de refuerzo de las pistas de alimentación del PCB, con hilo rígido de 1.5 m.m de sección, y en detalle  las soldaduras de los tornillos de los terminales de conexión de los MOS-FET y salida de la fuente.

componentes


 
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 ZENER
D4 BYS28-90
D5 LED NARANJA 5M.M
D6 BYV28-600
D7 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-7A
L1 10µH *ver texto
2 radiadores de calor TO220
4 separadores metálicos 45m.m
5 separadores metálicos 6 m.m
2 bornas de 2 contactos tornillo a PCB
1 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
DIODO23

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

CEPARADOR

EPCOS - B57703M103G - TERMISTOR, NTC

 
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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Last Updated on december 15, 2012
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