Fuente de poder escalable para laboratorio.

[DATAGENIUS]

Hola a todos.

Hace tiempo estoy con la idea de fabricarme para mi laboratorio una fuente de poder que rinda de 0 a 60v y... no sé si 10 ó 20A de salida . Ahora ya creo que es el momento de hacerlo.

Bueno, como muchos, sé de electrónica pero no lo domino todo , sin embargo, me gustaría invitar al que desee sumarse al desarrollo haciendo aportes, comentarios, observaciones o modificaciones al proyecto que iré documentando con imágenes para comenzar.

Les cuento la idea . Miren esta imagen:


Éste esquema muestra mi idea en bloques: consiste en una fuente tipo "regulador en serie" que para evitar el recalentamiento del regulador de salida, tiene la opción de escoger entre varias derivaciones del secundario de un transformador que, a simple vista, no deja de ser tremenda masa. La primera derivación será de 15vac y las demás serán de a 5vac mayores hasta llegar a los 60vac en la derivación final.

La selección automática de la derivación correspondiente no se realizará por medio de una clavija selectora (de estas llaves selectoras mecánicas de varias posiciones), se hará con medios electrónicos y digitales... les explico. Cada una de las derivaciones posee conectado un triac como interruptor controlado a su vez por un MOC3041, que detecta el cruce por cero, el que a su vez es controlado por una etapa inteligente de control que indica cuando entrar en operación (en el diagrama en bloques está denominado como C de control). Ilustrémoslo:



FB es la denominación para Fuente Bruta, la parte que comienza con el puente rectificador hasta la entrada del regulador de salida (FR). Recibe el voltaje que la etapa de control C a decidido usar mediante el "selector" (ver el último dibujo).

La etapa de control C se basa en la información que recibe mediante un teclado hexadecimal para escoger la derivación mas apropiada para que se regule el voltaje deseado. Estará compuesta por un PIC16f877A y podrá operar sobre un DAC para controlar la etapa de regulación (FR); por una de sus entradas ADC, alimentada por un circuito de muestra (M), vigilará que la tensión de salida sea la deseada... la que se ingresó mediante un teclado.

El teclado permitirá ingresar el voltaje de 2 modos:
1º digitando la cifra directamente y pulsando el * (asterisco) para validar la orden, ó
2º mediante 2 pulsadores: uno UP y otro DOWN, los que aumentarán o disminuirán el voltaje de modo directo. Estas son teclas excedentes del teclado hexadecimal, el que en modo directo solo usará las teclas del 1 al 0 y el * y el #. las teclas excedentes serán la A, B, C y D.

FR es la etapa de la Fuente Regulada y son todos los componentes que operan en la entrega de un voltaje regulado, como son: El regulador de salida, sus drivers, etc.

Por supuesto que ya tengo visto algunos componentes para su fabricación y también sé programar el PIC (aunque aún sigo usando mis libros y apuntes ) y me faltan por subir otros dibujos de como creo que irá quedando el circuito, etapa por etapa.

Esto por ahora... tomará mucho tiempo su construcción y tengo que mandar a fabricar la mole de transformador con todas las derivaciones. Espero documentar mas mi circuito con esquemas e iré improvisando los elementos que hagan falta y sugieran. También, hay que ir probando las etapas en el laboratorio artesanal que tengo...




A todo el que quiera ir construyendo el suyo conmigo o que quiera y pueda ir aportando en el transcurso de este largo desarrollo, bienvenido sea y nos vamos leyendo poco a poco.

Saludos a todos

 

[ecotronico]

Hola !!!

Como opinión creo que son muchas derivaciones las que sacas de un sólo TRAFO.
A mi criterio creo que es menos engorroso usar un buen trafo de por lo menos 2kVA y en el secundario (salida de 60Vac) colocar un puente de triristores, un diodo volante y un diodo de bloqueo --> sólo controlas la fase. Seguido de esto va un filtro que puede ser tipo LC.

Si usas el TRAFO con derivaciones, de todas formas tendrás que emplear un puente rectificador, pero además debes incluir el circuito de control.

Además, considero un poco peligrosa la desconexión de una derivación para pasar a otra. Imagínate a plena carga y deseas disminuir la tensión.... puede que hasta se queme la bobina del Transformador !

 

[DATAGENIUS]

Gracias por tu opinión metalmetropolis...

Son muchas derivaciones solo para evitar que el regulador serie se exponga a una tremenda disipación térmica en el peor de los casos, entonces el sistema de control, es decir el PIC, seleccionará la derivación superior más próxima y que pueda sustentar el consumo. Ejemplo: se necesita trabajar con 23v, la 1ª derivación es de 15v (no sirve), la 2ª es de 20v (tampoco sirve), la 3ª es de 25v (esa sirve) y la disipación solo será de 2v x el amperaje requerido... de otro modo disiparía la diferencia hasta los 60v, es decir 37v x el consumo...

Tu sugerencia del puente de tiristores es a modo de dimmer y no comprendí el uso de los otro 2 diodos... (soy un poco lento... )

Respecto de la desconexión de una derivación a otra, el controlador se apoya en el MOC que detecta el cruce por cero y por un terminal que vigila el cruce por cero del voltaje alterno. Por tanto solo en los cruce por cero ejecuta el cambio. Por otro lado, cada derivación estará pensada para responder a la exigencia de corriente.

Mira, si quieres, sube algún croquis con tu idea y la analizamos mejor... y muchas gracias por participar

 

[J2C]

Colegas

Hace muchos años atrás (unos 34), trabajando en una empresa de RadioComunicaciones tenia en mi banco de trabajo una fuente regulada y estabilizada para probar los equipos de 0 a 30 Volts y 0 a 50 Ampers con regulaciones continúas tanto de tensión como de limitación de corriente. Sobre el área de mi trabajo tenia un pequeño control y la fuente en si estaba ubicada en la parte inferior-posterior del banco de trabajo debido a su enorme peso, hablamos de un transformador de mas de 1.5 KVA. El control estaba conectado a la potencia por una manguera con varios cables.

Dicha fuente no disipaba con consumo de altas corrientes mucha potencia, dado que trabajaba con un sistema de Pre-Regulador a Tiristores (similar al comentario de MetalMetropolis). Dicho sistema estaba en el circuito rectificador principal y se activaba de acuerdo al sensado de la tensión que caía sobre el regulador serie.

El rectificador principal estaba compuesto por dos diodos y dos tiristores, estos dos eran excitados mediante transformadores de pulsos para mantener la caída de tensión sobre el regulador serie dentro de determinados valores para no superar su SOA (Area de Operación Segura [dentro de los limites de potencia disipada]).

Observando el segundo dibujo que coloco DataGenius en el post #1 me imagine que hasta se podrían reemplazar los transformadores de pulsos por optoacopladores como el sugerido en dicho dibujo con detección del cruce por cero.

Dejando de lado todo el palabrerío seguiré atentamente el desarrollo de este thread y apenas pueda realizar un esquema de esa vieja experiencia ó algún aporte me haré presente. Salio un articulo en una "Revista Telegráfica Electrónica" de Editorial Arbó que circulaba en Argentina en la primera parte de los años 70's y que aun no he podido encontrar nada de dicho articulo por internet.

Saludos, JuanKa.-

 

[DATAGENIUS]

Gracias J2C... ahora si que me muero de la curiosidad respecto de ese asunto

Me parece un muy buen aporte y tal vez me evite mandar a confeccionar un tranfo con tantas derivaciones... de hecho, lo iva a mandar a hacer esta semana, pero mejor espero si alguno lo puede graficar para entenderlo mejor y poder analizarlo. Es un buen momento para incorporar tecnología extraterrestre

Gracias a todos

 

[J2C]

DataGenius

El siguiente dibujo es lo que intente expresar en palabras:





El funcionamiento de la misma se puede resumir en:

El transformador deberá entregar la tensión máxima que deseamos tener sobre la salida mas la tensión que deseamos que caiga sobre el Regulador Serie Convencional, por ejemplo 8V, siendo la potencia máxima disipada sobre este Regulador igual a 8V x 20A = 160W. Si pensamos que por cada transistor serie circulan 5A y con una tensión de 8V tendríamos que cada transistor del Regulador Serie disipará solo 40W y usando como ejemplo el 2N3055 el mismo estaría trabajando muy cómodo dentro de su SOA aunque realicemos un corto circuito a la salida. También podríamos usar disipadores de aluminio de menores dimensiones con lo cual bajará el peso y el costo del equipo.

Era una fuente de laboratorio que usaba para alimentar con 13.6/13.8 Vcc equipos de radiocomunicaciones en HF (BLU), VHF y UHF (FM) donde algunos de ellos tenían 110 W de potencia en RF y consumían cerca de 30A sobre los 13.8Vcc. Tenia limitador de corriente con el cual hasta probaba/calibraba fusibles de 20A, limitando al máximo la corriente la fuente no entregaba la tensión que había ajustado previamente, luego iba quitando lentamente la limitación de corriente y veía donde el fusible cumplía su función al abrirse.

Si bien en dicha fuente se disparaban los tiristores con transformadores de pulsos creo que actualmente podrían ser disparados con Optoacopladores como el que has sugerido tú (MOC3041) que tiene detección del cruce por cero. He visto muy de cerca hace un par de años Variadores de Velocidad de Motores Monofásicos/Trifásicos 220/440V de 350A funcionando de esta manera, solo que por motivos de aislación respecto del control usaban transformadores de aislamiento 1:1.


He omitido a propósito todo lo correspondiente a:

* Limitadores de Corriente Máxima.
* Circuito de Ajuste de la Tensión deseada.
* Indicadores de Tensión y Corriente.
* Protecciones Térmicas de Tiristores y Regulador Serie.
* Circuito de Comando MicroControlado.
* Etcéteras Varios.


Saludos, JuanKa.-



P.D.:

Por otra parte en este mismo foro el MASTER MNicolau ha realizado varios desarrollos de fuentes SMPS hasta una Baby de 0.8/1.0 KW ampliamente probadas por el y muchos foristas más que podrás encontrar en el siguiente link: https://www.forosdeelectronica.com/f21/smps-half-bridge-compacta-pcb-24457/ .

Si bien esas SMPS no cumplen con la especificación que te has propuesto tu en cuanto a tensión máxima y a corriente máxima ni Limitación de Corriente Ajustable; ambas tienen una regulación tal vez no tan buena como la que se puede obtener de un Regulador Serie pero creo que se debería evaluar el uso de la misma para evitarse el costo, tamaño y peso de un transformador convencional de potencia similar.

Si el dibujo que he insertado no se observa bien, por favor avisenme que lo agrego como archivo PDF adjunto.

 

[DATAGENIUS]

OK, me doy cuenta que tengo cosas que aprender...

Sería mucha la molestia si me ayudan a entender cómo trabaja sobre la onda senoidal este sistema por tiristores No pido mucha teoría, solo un simple dibujo que indique como el sistema de control opera, con ayuda de los tiristores, sobre la onda senoidal...

Solo se me ocurre compararlo con lo que hace un circuito dimmer, pero no me quiero adelantar.

J2C podrías ilustrarlo con un croquis ???

Pienso en los lectores de este hilo que también podrían beneficiarse con la toda la información posible...

Gracias nuevamente

Ahhh... otra cosa. Soy mas práctico que teórico Esto quiere decir que conforme aprendo, aplico... pero de pasada uso el protoboard y mi osciloscopio para practicar haciendo.
Solo quiero decirte que lo que me enseñes lo quiero ir probando en mi taller para ir aprendiendo mas.. por que la electrónica como que me entra + por la vista

 

[Black Tiger1954]

Si fuera mi diseño, intentaría esto: rectificar y filtrar, luego un setep-dow converter (buck) con una tensión de referencia de 3 o 4 volts mayor que el regulador lineal, y por último, el regulador propiamente dicho.

 

[ecotronico]

En un principio creí que ya tenías en tus manos ese transformador con las derivaciones y querías sacarle provecho. Ahora entiendo

Sería mucha la molestia si me ayudan a entender cómo trabaja sobre la onda senoidal este sistema por tiristores No pido mucha teoría, solo un simple dibujo que indique como el sistema de control opera,

Te describo un poco el funcionamiento.
El tiristor es conocido como rectificador controlado de silicio (SCR). En palabras simple es un diodo que se encuentra apagado y necesita ser disparado para conducir. Lo particular es que no se puede apagar con otro disparo, pues él dejará de conducir solo cuando la tensión de cátodo sea mayor o igual que la de ánodo, y esa condición la da el propio circuito. Un tiristor se dispara generalmente con un tren de pulsos aplicados entre cátodo y compuerta.

Cuando un triristor se utiliza con corriente alterna, lo que se controla es el ángulo en que se desea que comience la conexión de la fuente con la carga. Por lo tanto hay un rango de 180º (pi radianes) para controlar. Como voy a usar en el ejemplo una fuente de 220Vac (rms) y 50Hz, tenemos un rango de 10ms dentro de los cuales el disparo será válido.

Saludos.

 

[J2C]

DataGenius

A todos los comentarios previos y a la EXCELENTE explicación de MetalMetropolis perfectamente documentada con esas imágenes solo faltaría agregar lo siguiente:

La pre-regulación que nos entrega el rectificador compuesto por dos diodos y dos tiristores se observará sobre el capacitor de filtrado a la salida con un consumo ó carga, porque si dejamos al capacitor en vacío la tensión se mantendrá en el máximo valor pico entregado por el transformador.

Si bien la tensión continua que obtendremos poseerá bastante “ripple” no deberíamos preocuparnos por que el regulador serie a continuación seria quien en definitiva se haga cargo de regularlo/eliminarlo.


Un ejemplo de tiristor que se puede usar de 35A 800V seria el 40TPS08A originalmente de International Rectifier y actualmente licenciada la fabricación del mismo a Vishay. He visto Variadores de Velocidad de motores de CC que lo usan con cargas de hasta 15A. También el puente rectificador podría estar realizado con 4 de estos tiristores teniendo la precaución de a los dos que tienen el ánodo hacia el negativo del capacitor excitarles el gate desde el ánodo con una resistencia de 100Ω 1/2W a cada uno de ellos.

Aprovecho a adjuntar a este post la Hoja de Datos que obtuve en la Web al solo efecto informativo.


Saludos, JuanKa.-

P.D.:

Me disculpo por no poner simulaciones como coloco MetalMetropolis pero no poseo el Software PSPICE ni ningún otro y también me disculpo de la calidad del dibujo anteriormente colocado pero lo realicé en Word.

En este honorable foro en el siguiente link Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación para Audio y si bien esta orientado hacia el tema de audio, tenemos MUY BUENA información de como calcular la capacidad total de filtrado a la salida del rectificador con diodos y tiristores (es solo una orientación).[/COLOR]

 

[DATAGENIUS]

J2C y metalmetropolis... se han portado como verdaderos profesionales... no solo por la capacidad de conocimientos desplegada, sino también por las ganas y la buena manera de entregar la información respetando la falta de conocimientos de otros.

No tengo nada que disculparte J2C, con mucho menos que eso me hubiera conformado. No estoy en posición de criticar nada, tengo muchas ganas de aprender y aportar en lo que pueda y agradezco que no hayan criticado u ofendido mi falta de conocimiento. Para ambos un

Estuve a punto de preguntar por lo del tipo de filtrado para tal modo de control, pero lo menos es que estudie el material ya publicado en el link señalado de las fuentes. Como aún no lo leo, les quería consultar si conocen el tema del "multiplicador de capacidad" (http://es.wikipedia.org/wiki/Multiplicador_de_capacidad) Yo conozco del asunto y he efectuado algunos pequeños experimentos en mi laboratorio, pero no como para filtrar una fuente como esta... Lo incluyo porque tal vez... y solo tal vez... sea de alguna utilidad... (prefiero pasar de ignorante un minuto que toda mi vida por no preguntar)

Gracias por todo. Les pido tiempo para leer la información del link y para practicar en mi taller.

 

[DATAGENIUS]

Ya... de vuelta con nuestro tema, luego de un breve retiro espiritual, aproveché de repasar el curso de fuentes de poder impartido hábilmente por "fogonazo" (Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación para Audio) adaptándolo a las necesidades de mi fuente, concluyo lo siguiente:

1º.- necesito una fuente que me proporcione una potencia a consumir de 20A * 60V = 1200W.
2º.- a ésta potencia útil, le incorporamos el factor de la potencia que se disipará, siendo entonces = 1200W * 0,4 = 480W adicionales, dándonos un total a producir por el transformador de 1680W, que según los expertos, se trata de un "cálculo realista".
3º.- el voltaje alterno de salida del transformador seria, según la fórmula, de Va = (Vc / 1,4142) + 1,4V, es decir, Va = (60/1,4142) + 1,4 = 43,8Vac
4º.- la corriente de salida del transformador entonces sería I = W / V, es decir, I = 1680W/43,8v = 38,36A
5º.- para la I de los diodos y SCRs, debería ser como el triple... (quien me ayuda??? saquen la cuenta)
6º.- para los condensadores se usa la fórmula C = I / ( 2 * F * Vr ) = 38,36 / (100 hz * (60 * 0,05)), es decir, la "horrible" cantidad de 128.000 micro faradios... con 3 de 47.000uF/100V a 180 dólares cada uno me desfinanciaré La cosa es que si uso solo 2 de 47000uF, haciendo el cálculo inverso, me da un rizado de 0,068% lo que se califica como bueno dejémoslo ahí.

Bueno compañeros, cumplí al estudiar mi parte y hacer mi tarea... ya se notan los altos costos pero ese no es el punto. Aprendí los aspectos teóricos del modelo de construcción de la fuente y eso es muy bueno.

Espero se entienda que al costo de construcción, esto tardará un poco. Pero antes de invertir mal, necesito pasar la teoría al laboratorio, por que es muy alto el costo como para equivocarme en algo.

Me gustaría practicar en mi taller las experiencias de metalmetropolis con el uso de SCR como regulador, necesito dominar ese control de onda. Tengo instalado el TINA 8 en mi PC y comenzaré por practicar por ahí y luego con los de verdad. Al respecto, necesito ayuda para escoger el amperaje con que deberá trabajar, bajo estos cálculos, el SCR que se usará.

Bueno, me corrigen si usé mal alguna fórmula

Estamos en contacto y muchas gracias a todos los que colaboran

 

[Eduardo]

...6º.- para los condensadores se usa la fórmula C = I / ( 2 * F * Vr ) = 38,36 / (100 hz * (60 * 0,05)), es decir, la "horrible" cantidad de 128.000 micro faradios... con 3 de 47.000uF/100V a 180 dólares cada uno me desfinanciaré La cosa es que si uso solo 2 de 47000uF, haciendo el cálculo inverso, me da un rizado de 0,068% lo que se califica como bueno dejémoslo ahí.

Lo que te da es 0.068, o sea un 6.8%

 

[Sebastian1989]

Yo hace mas de un año que estoy haciendo una fuente similar pero utilizo una fuente conmutada en vez de un transformador y luego hago lo que dice Black Tiger1954 para bajar el ruido de la salida, pero el control lo hago completamente digital con adc de 24bits para una buena resolución.

 

[DATAGENIUS]

Gracias Eduardo, eso mismo era lo que quería decir....

Sebastian1989, muy interesante tu proyecto. Para lo del control, también tengo considerado un DAC como se aprecia en mi diagrama inicial, pero no sé si recurra a tanta resolución. Calculé que si trabajo con una resolución de 0,1v necesitaré, en 60v, 600 niveles aproximadamente y los puedo conseguir con 10 bits.

Respecto de crear una fuente conmutada al costo que prefiguro la mía me lo estoy pensando si me conviene más Es que no sé construir una y no sé si puedes complementar los estudios que en este hilo llevamos... es decir, fórmulas, prácticas y experiencias. Si pudieras cooperar, sería interesante cotejarlo... qué opinas? Te atreves?

Seguimos al tanto

 

[Sebastian1989]

Lo primero que tuve que hacer fue decidir la topología a usar en la fuente, debido a que la potencia es alta te recomiendo fullbridge o halfbridge, como no soy muy bueno haciendo transformadores la etapa del driver la hice con dos ir2113 y obviamente la etapa de potencia con mosfet.

Te recomiendo que veas en la sección “Fuentes de alimentación” los temas ”fuente Conmutada(switching)” y “SMPS halbridge compacta + PCB”.

En los libros que hay online hay harta info te recomiendo “Power Supply Cookbook” y “Practical Switching Power Supply Design” ambos de Marty Brown además de “Switching Power Supply Design” de Abraham L. Pressman y “Switchmode Power Supply Handbook” de Keith Billings

 

[gonzalocg]

este post lleba mucho tiempo inactivo, lo encontre hace poco

He estado trabajando en un proyecto parecido, aunque no tan ambisioso en cuanto al voltaje maximo de salida... en fin, mi sujerencia es que uses fuentes de PC en serie y asi obtener un alto voltaje de salida con una gran capacidad de corriente y a un precio barato, las fuentes de pc son como ratas , hay en todas partes... ademas son pequeñas y eficientes (mas o menos), ademas de que su peso es minimo y puedes sacarlas de sus carcasas y reducir aun mas el espacio que ocupan, aunque no es muy recomendable, porque si te falla una fuente, es mas fasil cambiarla si la reemplazas como si cambiaras la de un PC, es decir que uses el conector original de la fuente y asi te ahorras problemas en el futuro...

puedes conectar el negativo de una fuente con los +12V de otra fuente, y entre los +12V de la primera fuente y el negativo de la segunda fuente se tendran 24V. en esencia las fuentes se comportan como baterias... aunque temo que el ruido producido por una fuente afecte a las demas, pero siempre se puede incluir algun filtro por ahi ...