Fuente de tension regulable con microcontrolador

[charlyled]

Buenas, estoy trabajando en el diseño de una fuente regulable, que idealmente me gustaría que trabajara con una salida de 0 a 20 V y una corriente de 0 a 6 A, valores aproximados siempre.
La entrada será la red convencional de España, 220-230V y 50 Hz.
Dadas las potencias con las que voy a trabajar que habitualmente estarán entorno a los 100 W, creo que la configuración más adecuada es la Flyback.
El problema que me estoy encontrando es que se realizar el calculo para obtener una tensión fija a la salida (y luego claro podría regularla tratándose de baja tensión) pero la idea que me ronda es variar el valor de tensión a la salida modificando el ciclo de trabajo del mosfet de control, que a su vez será controlado con un pulso generado por el microcontrolador.
Entonces como resumen, mi duda es que si cuando introduzco el pulso por el microcontrolador me interesa variar la frecuencia de trabajo del MOSFET (o su periodo como se quiera ver) o si mantengo la frecuencia constante y varío el ciclo de trabajo, la duda es porque varias el periodo me resulta más fácil pero eso puede influir en el comportamiento del trafo...

Otra cosa es a la hora de realizar el cálculo de la inductancia desmagnetizante si la debo calcular para el valor de tensión de salida máximo (en este caso 20 V) y ciclo de trabajo 1, para obtener el valor máximo y por tanto ¿que periodo utilizo?

Hasta aquí sobre las dudas teóricas, ahora las dudas de construcción, he leído por ahí que es recomendable en vez de utilizar un trafo comercial, utilizar dos bobinas y acoplarlas magnéticamente y así introducir el núcleo que más nos convenga... NO TENGO NI IDEA DE COMO SE HARÍA ESO, no lo he hecho en mi vida.

Bueno espero que me puedan ayudar, de todas formas gracias por haberse leído la parrafada, que la verdad es que pensé que serían unas pocas líneas y al final... jeje
Un saludote

 

[Beamspot]

Primero creo que sería interesante hacer una 'fuente' que te pase los 220AC a un valor más manejable en DC, por ejemplo, 24VDC. Esto se puede conseguir simplemente comprando una fuente conmutada de PLC.

Después, hacer un step down simple, con un integrado específico de control de fuentes conmutadas (hay a porrillo, empieza por ejemplo por Maxim). Este debe encargarse de convertir los 24VDC a la tensión que programes.

La ventaja de un step down es que sólo necesitas una bobina de alisado/filtrado, y no un transformador. El punto más complicado, y con muuuuucha diferencia es el transformador, que generalmente te lo tiene que diseñar/fabricar tu mismo, o encargarlo a fabricantes especializados. Raro es que encuentres de comerciales que te valga. Busca en Kashke o en Mirra.

El conmutador se te va a calentar, así como otros componente, así que hace falta algo de conocimiento de cálculos en disipación térmica.

Las pistas de la PCB deben estar correctamente dimensionadas. Sobre todo si tenemos en cuenta los elevados picos de corriente que pueden llegar a circular.

Ten en cuenta que los microcontroladores/procesadores no te pueden reaccionar a la velocidad que suelen necesitar estas fuentes, así que lo usual es que los micros se encarguen de poner una tensión de referencia en la entrada del control, así como una corriente de límite, mientras toman medidas de todo lo que haga falta, pero nunca realizan el control pulso a pulso de la fuente. De harcerlo, la estabilidad de la fuente es entre maaaaala y muy maaaaala.

Y para acabar, tal y como te veo de 'verde' en el tema (con todos mis respetos, que yo ya he pasado por ahí), NUNCA se te ocurra empezar con una fuente que te rectifique directamente los 220AC y trabajar a partir de ahí si no tienes antes una buena base de fuentes conmutadas, equipamiento adecuado, y sobre todo, un buen conocimiento de la EN-61010 o similares (seguridad), o de la EN-61000 (EMIs). Recuerda, todo lo que está por encima de 48VAC, 50VDC, es potencialmente MORTAL.

 

[Scooter]

Yo también te recomiendo usar un circuito especializado y el micro si acaso que haga una supervisión general o para el "interface de usuario" no para hacer el control directamente.

 

[charlyled]

Hola Beamspot, gracias por tus sugerencias, la verdad es que eres un poco duro en tus comentarios sobre mis conocimientos de electrónica aunque quizás sea culpa mia por no haberme expresado bien, no lo comenté porque me resultó obvio que previamente utilizaré una etapa de rectificación donde además de bajar la tensión mediante un trafo comercial (facil de conseguir por unos 30€ - 40€) rectificaré la onda mediante un punte completo de diodo de la potencia necesaria (con el necesario sobredimensionamiento para asegurar su buen funcionamiento) y por supuesto el condensador que suavice el nivel de rizado a la salida del puente rectificador (había pensado en 4700 uF). Una vez resuelto este circuito que ya he montado en otras ocasiones, el problema le tengo en la fuente regulada DC-DC, ya que no me vale con que sea a tensiones fijas (aún programando varias configuraciones con el micro) sino que necesito que realice un control en bucle cerrado para que varíe la tensión en función de la corriente demandada por un peltier, que a su vez se estará muestreando mediante otro circuito externo de control de temperatura.

Sobre si el micro será capaz de emitir una señal suficientemente rápida, pues hombre no me lo había cuestionado ya que estamos hablando de procesadores con una potencia media (no son última generación pero la velocidad de sus puertos es elevada) no quiero decirte datos ya que todabía no los he comprobado y no quiero decir ninguna burrada, de todas formas gracias por la observación del micro, hasta ahora no lo había planteado como un problema pero es posible que lo sea.

Sobre la cuestión de los riesgos para la integridad física, de verdad, MUCHAS GRACIAS, aunque no estoy de acuerdo, siempre es de agradecer que se vele por la seguridad de los foreros por encima de todo, ya que en muchas ocasiones nos aventuramos en ciertos experimentos caseros que pueden implicar riesgos indeseados. Sobre lo de que no estoy muy deacuerdo es porque la tensión en sí no es mortal, sino la corriente circulante, que es la que está regulada por la norma vigente y que por supuesto no soy conocedor como para hablar con fundamento, pero si estoy enterado de que a partir de 25 mA ya le das un chispazo a una persona y que con 40 mA puedes hacer fibrilar a una persona, en este caso para mis protecciones que todabía no he diseñado voy a utilizar muy probablemente un relé de potencia para el corte así como los fusibles correspondientes para proteger el circuito, para mi seguridad propio es posible que haga un sistema común para todo el sistema como una detector de derivación de masa o similares.


Dicho esto no me queda otra que agradecer todas las opiniones y sugerencias, valoradas con entusiasmo y consideradas en todo momento.

Un saludo.

 

[Scooter]

Un trafo de 20V 6A 50Hz, no es pequeño ni barato
Cuidado con los condensadores grandes, si filtras mucho necesitarás un puente de mucha mas intensidad de la nominal.

 

[charlyled]

Como de grande piensas que sería recomendable utilizar el condensador, quizás 2200 uF sea más comedido verdad?, tendré que hecharme las cuentas para ver el rizado admisible, aunque si finalmente termino utilizando un flyback quizás con el de 2200 sea necesario y así no tener que dimensionar un puente tan enorme, otra cosa que quería preguntarte es si para la resistencia equivalente del condensador (SRC) he pensado en poner dos condensadores en paralelo y así disminuir su valor, crees que debería tomar alguna medida extra?

Sobre el trafo podría permitirme que la tensión en el secundario fuese de casi 50 Vpico, para que a la salida del rectificador obtener aprox un valor medio de 48 V o quizás algo menos, por tanto al final el trafo no debería ser tan caro, de todas formas el encarecimiento viene dado por la potencia que debe entregar pero en este caso ese coste no puedo disminuirle ya que necesito entorno a 100 W a la salida, lo que en potencia aparente al final serán como unos 300 VA pero vamos esos cálculo todavía no los he realizado.

Un saludo

 

[Scooter]

El problema es que si filtras mucho, los diodos solo conducen una fracción del tiempo a una barbaridad de corriente para cargar los condensadores y romperás el puente si no lo sobredimensionas mucho
Un transformador de 100W 50Hz es un bonito y caro ladrillo de 2kg de peso. No estoy muy puesto en configuraciones de fuentes conmutadas, pero yo no usaría un transformador de 50Hz. Hasta donde se nadie lo hace.

 

[charlyled]

Bueno igual se cuelgan dos hilos, porque le he dado a enviar al último y se me ha cerrado el foro de todas formas hago un resumen de lo dicho.
Te comentaba Scooter que estoy un poco desconcertado con la afirmación de que si pongo un condensador grande provocaría demasiada corriente y lo rompería, si no me equivoco la dimension del rectificador vendrá determinada por la corriente que puede dar el transformador, de hecho sería perfecto que pudieramos aumentar la corriente circulante con el condensador, ya que el encarecimiento del transformador no viene dado por las tensiones sino por el conjunto de tensión y corriente, es decir la potencia aparente del trafo (VA).

Otra cosa es lo de que no has visto que la gente trabaje con trafos de 50HZ, quizás pertenezcas a la comunidad americana del foro, pero aquí en España casi todo es a 50 Hz(frecuencia de red) ya que la electrónica de consumo que tenemos en casa prácticamente TODO viene con su correspondiente trafo de 220VA - X y 50 Hz, nose igual me estoy equivocando por favor corregirme si estoy diciendo una burrada.

La verdad es que me teneis muy desconcertado con todos estos problemas sobre la etapa de transformación y rectificación, concretamente esto no es algo nuevo en la electrónica convencional de hecho he visto otro post en el que se propone hacer una fuente sin un trafo, se que hay configuraciones que lo permiten pero más complejas y por supuesto menos precisas, pero vamos como ya dije antes, no tengo problema en reconocer una falta de conocimientos o mis frecuentes errores pero por favor argumentenme un poco más sus justificaciones para poder así comprenderles mejor (dado que doy por hecho sus conocimientos sobre la materia).

Muchas gracias, un saludo.

 

[Beamspot]

Sobre tema normativo, lo que legisla es TENSION, no corriente. Si estás bien aislado, aunque te conectes al vivo de 380, no circulará corriente y no te pasará nada, pero los leguleyos se curan en salud, así que el 'si estás bien aislado' se lo ahorran limitando directamente las tensiones. Además, no sólo de aislamiento eléctrico se está hablando, si no de problemas de cortocircuitos que se generan por la acumulación de humedad y suciedad dentro (sobre todo en placas puestas en horizontal) del equipo y que pueden llegar a generar incendios. Nunca está de más echar una ojeada a la EN-61010. Muy ilustrativa, pero realmente difícil de entender.

Respecto del trafo, sólo decirte que no es barato, y que igual te sale más barato comprar una fuente de carril DIN para alimentar PLC's, que son conmutadas, limitadas, llevan la seguirdad encima, y te ahorran bastantes quebraderos de cabeza, fusibles, condensadores de filtrado, etc.

Si aún así sigues con el transformador (que tampoco es una idea despreciable, ojo, aunque yo los uso para corrientes/potencias menores), yo suelo dimensionar los condensadores con mínimo 1000uF por amperio de consumo. Para el caso, yo iría directamente a uno de 10000uF 50V, o mejor dos de 4700uF 50V electrolíticos de alta temperatura (lo del paralelo es exactamente por lo que tu dices de reducir la ESR).

Dado que la segunda etapa va a ser conmutada, conviene poner a la entrada de la misma condensadores de bajo ESR, para poder absorbe los picos rápidos de corriente que demanda, y que pueden ser uno o dos de 1000uF LowESR en paralelo con los 'gordos' de filtrado. Para tal caso, sigo pensando que una Step Down o Buck es lo mejor, ya que te ahorras el trafo.

Las peltier se suelen controlar en corriente, no en tensión, es decir, que lo que sensas es la corriente que circula a través de la misma, generalmente poniendo en serie una resistencia fija conocida y midiendo la tensión que cae en la misma, cual divisor de tensión.

Un apunte respecto de los 'transformadores' pequeños que solemos tener en este país nuestro, sobre todos aquellos para cargar los móviles, portátiles, PDA's, IPods y demás parafernalia. Estos llevan un pequeño transformador de alta frecuencia dentro. Rectifican directamente la tensión de red, y sobre esta tensión rectificada hacen un flyback. Tamaño y precio caen en picado. Te sugiero que aparte de abrir alguno, eches una ojeada a Power Integrations (fabricante de integrados), por ejemplo, o a Kaschke, o a Mirra (transformadores varios), que suelen llevar links a los fabricantes de integrados que controlan este tipo de transformadors. Muy, muy interesante e ilustrativo.

Otro apunte pequeño sobre los micros para controlar todo el cotarro. Si quieres trabajar fino, la frecuencia de conmutación debe ser alta, superior a los 100KHz, tirando al MHz. Los conversores ADC internos de los micros más nuevos (léase ARM's Cortex M3, Xmegas) apenas llegan a una velocidad de conversión de 1MHz. Y eso deberías aplicarlo sobre dos canales (tensión y corriente), para luego realizar unos cálculos, y ajustar convenientemente el PWM. Nada rápido, sobre todo si comparamos con los integrados específicos, aunque válido para fuentes relativamente constantes de tensión y corriente (tu caso, ojo). Espero que andes fuerte de programación y HW si tiras por ahí, aunque la experiencia puede ser muy gratificante y buena para el currículum.

Para Scooter: en aquellos tiempos remotos en que los vándalos ibamos sin fuentes conmutadas, los puentes rectificadores estaban perfectamente dimensionados para conducir durante el corto tiempo de carga del condensador, que resulta no ser tan corto. El rizado tampoco era nada del otro mundo (de bueno, quiero decir), pero se podía vivir, y con fuentes conmutadas, esto aún se lleva mejor, aunque nadie se libra de tener que rectificar a una tensión mayor, como 28-30V para asegurar tener 24V DC mínimo a la entrada de la segunda etapa.

Lo bueno de los tochos de tantos vatios, es que la tensión de salida se mantiene bastante estable con la variación de corriente. Justo al revés pasa con los pequeños (de 1W, por ejemplo, para PCB), donde la enorme resistencia del bobinado del primario actua como una resistencia en serie con la fuente de tensión, llegando a variar una barbaridad la salida en función de la corriente (y la tensión de entrada).

Para Charlyled: para mí también era obvio lo de la etapa de entrada, pero visto lo que se pone en el foro, nunca está de más. Además, para similar proyecto, lo más caro puede ser, con diferencia, precisamente el transformador.

Por cierto, hace poco hice una fuente Step Down de 3A de 24V de entrada a 10-20v de salida (ajustable por un pote multivuelta) que ocupaba una birria (la PCB era del tamaño de un móvil pequeño), y costaba menos de 20€.

 

[charlyled]

Muy buena información, si te soy sincero ya me tienes casi convencido para utilizar una step down, pero llamemoslo cabezonería o simplemente un reto quiero fabricarla con la config. flyback.
Sobre lo que me has terminado de convencer es sobre las limitaciones del micro, que como te dije no sabía muy bien los datos pero por lo que me dices es claro que realizar un control directo con el micro...dificil cual menos, así como opción rápido y la verdad que más cotidiana utilizar un integrado 555 y generar un tren de pulsos, que aunque hace mucho que no manejo uno creo recordar q podría alcanzar hasta más o menos 1khz y sobre cuentas rápidas necesito aprox 150 khz más o menos, y implementar el circuito de control entre el 555 y el micro, de esta forma el micro sólo dará la consigna de control, que realmente las variaciones al ser un control térmico tampoco van a ser muy rápidas que se diga.
El trafo la verdad es que me tengo que acercar a mi tienda habitual porque el precio la verdad es que para la potencia que requiero no se de que orden estará, yo me imagino que no más de 50 €, que aunque es cara en función de la magnitud del proyecto pero si esto va bien podría hacerlo extensible a otros.

Sobre los fabricantes en cuanto tenga un ratillo recurriré a ellos que siempre son una fuente de información a tener en cuenta.

Efectivamente el Peltier se controla en corriente, al hablarte en tensión fue un error mio, realmente en el rango que voy a trabajar su comportamiento es lineal y si soy capaz de fijar la tensión con precisión y la fuente es capaz de dar la corriente requerida el peltier se comporta como una resistencia.

Ahora mismo según escribo esto se me plantea otra cuestión, realmente lo que me interesa es aprovechar la bidireccionalidad del peltier (termicamente hablando), y con la fuente que tengo en la cabeza no podría hacerlo salvo que haga una especie de espejo a la salida y controle con un interruptor normal y corriente un cto u otro (siempre apagada la fuente al realizar dicha maniobra), bueno eso lo pensaré más tranquilamente que ahora mismo me ha venido a la cabeza.

Bueno, nuevamente muchas gracias y si teneis cualquier otra aportación, idea o sugerencia las acogeré con gratitud.

Un saludo

 

[Beamspot]

Insisto en el 'problema' (en según que casos, se puede llamar 'oportunidad') del transformador del FlyBack. Generalmente para estos niveles de potencia suele salir más pequeño un trafo con una topología Forward, que generalmente es la elegida para >15-30W.

Una sugerencia. Mírate el LM2676 y sus notas de aplicación. O la elektor de hace tres meses, que llevaba una fuente de alimentación conmutada ajustable.

Ah, y pon el precio del trafo, que puede ser, ehm, interesante.

Una buena guia de precios (para poner un nivel muy alto) es Digikey.

 

[Scooter]

Vivo en España, de todos modos, cambiar de 50 a 60Hz tampoco cambia nada. A lo que me refiero es a usar el trafo a unos kHz así tendrá el tamaño "de un botón" en lugar de "una caja de zapatos".
Del nombre de la configuración ya te digo que no estoy puesto, hace mas de 20 años que estudié las FAC y siempre las he comprado hechas.
Si el control lo quieres hacer con un 555 tampoco me parece muy recomendable, busca algo específico, hay muchos integrados para ello.

Lo de los condensadores y los puentes te lo digo porque a mi me pasó, el puente se quemaba al cabo de una semana de uso sin causa aparente. Era por filtrar mucho.

 

[Beamspot]

Yo he visto muchos puentes rebentados (explotaban literalmente), pero eran los rectificadores trifásicos directos de alterna, sin transformador. Si había un corte de unos pocos ciclos de alterna, la descarga del condensador, junto con el hecho de que la fuente seguía suministrando chicha (estoy hablando de la miseria de 4500W, 30A DC a no se cuantos voltios), cuando volvía la tensión los diodos (refrigerados por agua) simplemente estallaban. Para arrancar el sistema había unas resistencias en serie que se cortocircuitaban con un contactor una vez la tensión del condensador de filtrado (del tamaño de un bote de pintura de kilo) sobrepasaba los 300 y pico voltios. Este contactor tardaba igual medio segundo o un segundo en desconectarse...

Por suerte, los transformadores (la fuente que he comentado no llevaba) son en realidad bobinas, y por tanto los cambios bruscos de corriente no les acaban de gustar, comportándose en realidad como limitadores (hasta cierto punto) de corriente.