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