Basándose en material técnico de Texas Instruments y Motorola, elaboramos este artículo, en que describimos el montaje de una fuente conmutada de 5 V x 1A, que fácilmente puede ampliar para corrientes de hasta 1oA, indicada para el uso en equipos digitales y otros que necesiten la tensión indicada. La base del circuito es el integrado TL594 y una fuente de entrada de 10 a 40 V, cuyo diagrama para corrientes de 1 y 10 A se dan en el artículo.
Todos los equipos electrónicos necesitan de fuentes de alimentación, que son responsables por la conversión de la energía de la forma alterna, disponible en la red, a la energía en forma de corriente continua, según las necesidades de cada proyecto.
Básicamente se emplean dos técnicas de regulación de la tensión en las fuentes comunes: reguladores simples y reguladores conmutados, o "switching" como también se los llama.
Los reguladores lineales simples necesitan de etapas de rectificación y filtrado, que involucran el uso de transformadores pesados y diodos, cuyas dimensiones son determinadas por la potencia que se necesita. Estos reguladores no presentan buen rendimiento, lo que se vuelve un obstáculo a vencer en el proyecto de fuentes de altas potencias.
Por otro lado, las fuentes que usan los reguladores conmutados no necesitan de transformadores tan pesados y hasta pueden operar con CA, ya que, después de la rectificación, un transistor de alta frecuencia y un inductor pueden hacer el filtrado con gran eficiencia.
La elevada eficiencia de una fuente conmutada hizo común su uso en equipos espaciales desde hace muchos años. Mientras tanto, solamente ahora, con la aparición de componentes de bajo costo y de tecnología avanzada, se pueden desarrollar buenos proyectos al alcance del gran público.
Para que tenga una idea de la evolución de esta técnica, basta decir que, mientras en 1975, una fuente conmutada sólo se volvía compensadora en relación a una fuente común para potencias por encima de 500 W, hoy este valor cayó a apenas 5 W, según informaciones de Texas Instruments. (1990)
Son muchos los fabricantes que disponen de integrados específicos para la elaboración de fuentes conmutadas. De entre ellos destacamos Texas Instruments y Motorola, que hacen el TL594, componente básico de nuestro proyecto.
Este integrado, cuyo diagrama equivalente interno aparece en la figura 1, consiste en una fuente completa para corrientes hasta 200 mA.
Con la utilización de transistores externos, podemos ampliar esta capacidad de corriente considerablemente. Así, con un TIP32A, que es la base de nuestro proyecto, llegamos a 1A, y con un TIP73 y un TIP30, llegamos a los 10A.
Características (5V/ 1A)
-Tensión de entrada: +10 a +40V
-Eficiencia:72%
- Regulación de carga (Vin : 12,6V e io= 0,2 a 200 mA) : 5,0 mV/0,02%
- Regulación de línea (Vin : 8,0 a 40V) 3,0 mA/ 0,01%
- Corriente de cortocircuito (Vin : 12,6V R1 = 0,1.Ω >250mA
Ripple de salida (Vin : 12,6V, Io = 200 mA) : 40 mVpp
Fuente de entrada
Para la aplicación de la tensión de entrada entre 10 y 40 V para corriente de 1A, tenemos un circuito de rectificador y filtro, como muestra la figura 2.
El transformador tiene bobinado primario de acuerdo con la red local y secundario único, de 12V con corriente de 1 A. Un puente rectificador, formado por 4 diodos 1N4001, puede usarse, y se puede usar para el filtrado un capacitor de 2200 µF x 25V.
Para la versión de 10 V, que podrá ser elaborada para un ”servicio pesado", tenemos el circuito de la figura 3.
Esta fuente, sugerida por Texas Instruments, provee 32 V bajo corriente de 3 A, que resultará en los 5 V bajo corriente de 10 A.
El transformador tiene bobinado primario de acuerdo con la red local y secundado único, de 24 V x 3 A. Se emplea un puente rectificador de 50 V x 3 A, y para el filtrado, dos capacitores de 2.000 o 2.200 µF X 50 V.
El circuito
Damos a continuación algunos datos para la determinación de los valores de los componentes usados, en función de los cuales se puede hacer alteraciones de acuerdo con las necesidades de cada proyectista.
a) Circuito de control
Oscilador
La frecuencia del oscilador contenido en el TL594 está dada por la conexión externa de un capacitor y un resistor de temporización entre los pinos 5 y 6.
Los valores de estos componentes son calculados de modo de obtener una frecuencia de 20 kHz. Las ecuaciones que permiten calcular estos componentes son:
f : l/R x Ct
donde: R, es el valor del resistor de temporización (Ω)
Ct es el valor del capacitor de temporización (Farads)
Fijando Ct en 0,001 µF, ó 1 nF, podemos calcular R para una frecuencia de 20 kHz:
Rt = 1 / (f x Ct) = 1 / (20 x 103 x 0,001 x 10-6)
Rt = 50 x 103 Ω
Rt = 50 Ω
En la práctica, usamos el valor comercial más próximo, 47 k.
Amplificador de error
El amplificador de error toma una muestra de la tensión de salida y la compara con una tensión de referencias interna y, en su función, ajusta el ancho del pulso, a través de un modulador, para mantener la salida a un nivel deseado, como muestra la figura 4.
La referencia interna de 5 V se obtiene del pino 14 del TL594 y, a través de un divisor resistivo, es llevada a un valor un poco menor, aplicado al pino 2.
Si la salida precisara un ajuste fino de tensión, a fin de obtener exactamente la deseada, en función de las características de los componentes, como por ejemplo la tolerancia, sugerimos la utilización de un potenciômetro de 47k en lugar de R7 en el circuito de la fuente de 1 A. Para la fuente de 1oA se debe cambiar el resistor R8 por un potenciômetro de 10k.
El resistor R5 tiene por finalidad determinar la ganancia del amplificador de error, mientras que C3, en serie con R4, disminuye la respuesta a las transitorias o variaciones rápidas de la tensión de salida.
En la fuente de 10 A, el resistor R7 tiene la misma función, reduciendo la ganancia del amplificador a 100 veces.
Amplificador limitador de corriente
El sector de limitación de corriente de la fuente aparece en la figura 5.
Los resistores R7 y R8 fijan una tensión de referencia de aproximadamente 100 mV en la entrada inversora del amplificador limitador de contente. El resistor R9, en serie con la carga, aplica 0,1V al terminal no inversor del amplificador limitador cuando la corriente de carga alcanza 1 A.
El ancho del pulso de salida será, entonces, reducido de acuerdo con esta tensión. El valor de R9 es calculado como sigue:
R9 = 0,1/1= 0,1 ohm
Para el regulador de 10 A, la tensión de referencia es fijada en N por el mismo divisor, de modo que, con 10 A, tenemos una tensión de 1V en el resistor de 0,19, llegando a los mismos efectos. finales de protección.
Partida suave y tiempo muerto
Para reducir el esfuerzo sobre los transistores conmutadores en el momento en que ocurre el arranque de la fuente, la corriente inicial de carga de los capacitores de filtro de salida debe ser reducida convenientemente. La disponibilidad de un control llamado de "tiempo muerto" (dead time) en el TL594 vuelve posible la implementación de este recurso de partida suave, como muestra la figura 6.
El sistema de arranque suave (soft start) hace que el ancho del pulso en la salida crezca suavemente, como muestra la figura 7, por la aplicación de una realimentación negativa en la entrada del control de tiempo muerto, que corresponde al pino 7.
Inicialmente, el capacitor C2 fuerza la entrada de control de tiempo muerto a seguir la referencia de tensión de 5 V, que deshabilita la salida, obteniéndose 100% de tiempo muerte. A medida que el capacitor se carga, a través de R6, el ancho del pulso de salida aumenta suavemente hasta que el loop de control toma el comando del circuito.
Con una relación de valores para los resistores R6 y R7 (fuente de 1oA) de 1 para 10, la tensión en el pino 4, después de la partida, será de 0,1 x 5, o 0,5V. Este circuito no será usado en la fuente de solamente 1 A, ya que esto no fuerza el transistor conmutador.
El tiempo de arranque suave está normalmente en la banda de 25 a 100 ciclos de clock. Si seleccionamos 20 ciclos de clock a una frecuencia de 20 kHz, el tiempo de partida suave será calculado por la siguiente expresión:
T=1/f=1/20kHz
T = 50 us por ciclo de clock
El valor calculado del capacitor, será dado por:
C2 = (50 x 10-6 x 50) /103 = 2,4 µF
Este recurso es importante, pues ayuda a evitar 1a aparición de variaciones rápidas en la salida de la fuente cuando se establece la alimentación.
b) Cálculos del inductor
Tomamos como ejemplo el cálculo del inductor para la versión de 10 A, ya que para la fuente menor el procedimiento es análogo.
El inductor (L) (figura 8) debe ser calculado de la siguiente manera:
d= ciclo activo = Vo/Vi = 5/32 = 0,156
f= 20 kHz (fijado por el proyecto)
Ton = tiempo conectado (S1 cerrada) = 1/f x d = 7,8 us
Toff = tiempo desconectado (S1 abierta) = 1/f – Ton = 42,2 us
L = [ (32 V – 5 V) x 7,8 us ] / 1,5 A
L = 140,4 µH
c) Cálculos de la capacidad de salida
Una vez calculada la inductancia del filtro, el valor del capacitor de filtro de la salida será determinado en función del nivel de ripple deseado. Un capacitor electrolítico asociado al inductor y un resistor más forman el circuito final.
Así, si dos componentes principales considerados son la capacidad y la resistencia efectiva en serie (ESR), tenemos que la ESR máxima será calculada de acuerdo con la relación entre la tensión pico a pico de ripple y la comente de ripple pico a pico. Para el circuito de 10 A, tenemos:
-
ESR(máx) = [∆Vo(ripple)] / ∆IL
-
ESR(máx) = 0,1 V / 1,5 A
-
ESR(máx) = 0,067 ohms
La capacidad mínima necesaria de C3 para la fuente de 10 A, que mantiene la tensión de ripple en la salida en por 10 menos 100 mV, que es obtenida del proyecto, es calculada por la siguiente ecuación:
-
C3 = ∆I<sub>L</sub> / 8∆Vo
-
C3 = 1,5 A / (8 x 20 x 103 x 0,1 V)
-
C3 = 94 uF
Un capacitor de 220 µF x 60 V será usado en este circuito, porque posee las condiciones de operación exigidas, que son un ESR de 0,074 ohm) y una corriente máxima de ripple de 2,8 A .
Montaje
El circuito completo de la fuente, en su versión de 1 A, aparece en la figura 9.
La disposición de los componentes en una placa de circuito impreso aparece en la figura 10, observándose que las pistas conducen las contentes principales deben ser compatibles con su intensidad.
Los resistores pueden ser todos de 1/8W, excepto R9 que debe ser de 1 W.
Los electrolíticos tienen tensiones de operación indicadas en el propio diagrama.
El inductor de 1,0 mH debe ser dimensionado con alambre capaz de soportar la corriente indicada. El transistor de potencia TIP32A debe ser montado con un buen disipador de calor. Para la fuente de 10 A, dada la intensidad de la corriente, debe ser muy bien dimensionado el disipador de calor del transistor Q2.
En la figura 11 tenemos el diagrama de la versión de 10 A, sugerida por Texas Instruments.
Como los componentes usados en estos proyectos son profesionales, en caso de dificultad de obtención, principalmente con relación al integrado, transistores y diodos de conmutación, sugerimos que el fabricante sea consultado.