Fuente de alimentacin de laboratorio conmutada.

Fuente estabilizada variable de 0 a 25 voltios, corriente mxima 10 Amperios. Ideal para el laboratorio de cualquier aficionado o profesional de la electrnica. Gracias al empleo de un circuito integrado especializado obtenemos unas prestaciones extraordinarias, a la par que un montaje sencillo y econnimo. Nuesto primer artculo en Odisea2010 dedicado a la instrumentacin, lo iniciamos como no, con un til totalmente imprescindible para el profesional o aficionado a la electrnica. Hemos optado por un diseo que pueda cubrir la necesidades ms exigentes, tanto en voltaje como en corriente. Con nuestro montaje no necesitars otras fuentes, seguro que se acomoda a cualquier experimento que precise alimentacin de CC.

1.- Introduccin. Disponer de un buen equipamiento en nuestro laboratorio, debe estar entre los primeros objetivos del aficionado o profesional de la electrnica. El instrumental se cuenta dentro de esas herramientas imprescindibles, si queremos trabajar a gusto y comprobar adecuadamente nuestros montajes, adems dentro de unos lmites adecuados de seguridad, tanto para las instalaciones como para los prototipos que montemos. Sin intrumental o con instrumental deficiente (en prestaciones) o insuficiente (en cantidad y calidad), es imposible ajustar y comprobar toda una gama de aparatos, y muy probablemente no podremos tampoco efectuar las verificaciones necesarias sobre los circuitos en fase de desarrollo o sobre prototipos. Entre los instrumentos imprescindibles en un laboratorio, se encuentra la fuente de alimentacin estabilizada y regulable. Una alimentacin que debe ser capaz de entregar los voltajes ms habituales y una corriente de al menos 3 5 Amperios. Estas son las condiciones mnimas para poder hacer funcionar la mayora de dispositivos que pasan por la mesa de trabajo de un tcnico en electrnica. En este artculo, queremos proponer la realizacin de una alimentacin de uso general, capaz de entregar una tensin continua estabilizada y regulable entre 0 y 25 voltios, con una corriente mxima de 10 Amperios. Se trata pues de un producto profesional, obtenido gracias a la utilizacin del integrado L4970A, un regulador conmutado fabricado por ST Microelectronics (http://www.st.com) (ver figura 1).

Figura 1: Regulador L4970A.

Identificacin del patillaje

N 1 2

3

4 5

6 7 8 9 10

Funcin Rosc. Resistencia externa a masa, determina Oscilador la constante de carga de Cosc. Cosc. Condensador externo a masa, Oscilador determina la frecuencia de conmutacin. Entrada el circuito de fallo de alimentacin. Puede ser conectado a travs de un divisor a Entrada RESET la entrada de fallo de alimentacin. Debe conectarse al pin 14 una resistencia externa de 30k cuando no se quiera usar. Esta salida est a nivel alto cuando la Salida RESET alimentacin es segura. Conectando un condensador a masa se Retardo RESET determina el tiempo de retardo de la seal de reset. Conectando un condensador entre esta patilla Bootstrap y la salida permite manejar el transistor DMOs interno. Salida Salida regulada Masa Masa Voltaje de entrada Voltaje de entrada no regulado. Compensacin Una red Rc conectada a masa determina el

Nombre

frecuencia 11 Entrada realimentacin

12 Arranque SOFT Entrada sincronismo

13

14 Vref 15 Vstart

bucle de regulacin. Terminal de realimentacin del bucle de regulacin. La salida se conecta a este terminal para operar a 5.1v. Se conecta con un divisor para altos voltajes. Constante de tiempo de arranque. Se conecta un condensador a masa para definir esta constante. Varios integrados pueden sincronizarse conectando este pin o va un pulso externo de sincronismo. 5.1v. Voltaje de refenrencia del dispositivo. Circuito interno de arranque para manejar la etapa de potencia

Tabla identificacin de cada una de las patillas de L4970A.

Se trata de un circuito integrado, que por s solo, estabiliza y regula el voltaje de salida. En nuestra aplicacin, por motivos que trataremos ms delante, es necesario adicionalmente el uso de un regulador suplementario, el conocido 7905. La adopcin de un regulador conmutado permite optimizar el rendimiento y reducir las dimensiones del disipador de calor, y por lo tanto, igualmente, las dimensiones de la fuente de alimentacin. De hecho, un mejor rendimiento significa menos potencia disipada como calor a igual potencia entregada para ser usada. Esta alimentacin funciona en modo "step down" (bajada) y recibe un potencial de referencia proporcionado por el segundo regulador, en este caso, un modelo lineal negativo de 5 voltios, de la conocida serie 790x, es decir el 7905. Todo funciona en torno al L4970A. Este regulador conmutado ejecuta su trabajo segn la tcnica de carga de una inductancia en PWM. Adems, es capaz de entregar una corriente de 10 Amperios. Sus principales caractersticas las podemos ver en el datasheet de ST que podeis descargar PINCHANDO AQUI y tambien una nota de aplicaciones PINCHANDO AQUI. Resumiendo, las prestaciones ms destacables son:

Smbolo Parmetro Vi Voltaje entrada Vo Vd Voltaje salida Dropout (pin9 y 7)

Condiciones Vo=40v, Io=10A Vi= 15v a 50v, Io=5A Io=5A

Min. Tp Max Unidad 15 . 50 V 5 . 5.1 5.2 V 0.55 0.8 V

Io=10A I7l . f fmax V14 V15 Corriente mxima Eficiencia Vi=15 a 50v 5A 10A 11 80 75

1.1 1.6 V 13 92 87 15 . A % %

Frecuencia . conmutacin Frecuencia mxima . Voltaje de referencia . Voltaje referencia .

180 200 220 Khz 500 . . Khz 5 5.1 5.2 V 11.4 12 12.6 V

El corazn del L4970A es un driver PWM serie, que maneja una inductancia con los impulsos de tensin, donde la amplitud constante es cercana al potencial en la patilla de entrada (9), trs el puente PT2. La longitud de los impulsos depende de las condiciones de la carga, de hecho, de la tensin que la linea de contra-reaccin retransmita a la entrada de realimentacin (patilla 11). Para ser precisos, cuando la tensin es ms baja, los impulsos aplicados a la carga se alargan y viceversa.

2.- El esquema elctrico. Veamos a continuacin el esquema elctrico en la figura 2, que nos muestra la estructura de esta alimentacin de laboratorio.

Figura 2. Para ampliar pincha en la imagen.

Lista de componentes

R1, R4 = 18k R2 = 15k R3, R6 = 4k7 R5 = 1k5 R7 = 1k R8 = 470 R9 = 22k pot lin. D1 = MBR745 LD1 = Led verde PT2 = puente diodos 20v 1A PT1 = Puente diodos 50v 25A TF1 = transformador toroidal 30v 10,5A TF2 = transformador 9v a 15v, 100mA Varios 6 faston para VOUT, VIN y 220v 1 borne de 3 polos para R9 1 radiador T/88/40 (4 a 5 C/W)

C1, C2, C3, C13 = 220uF 35v C4, C5 = 4700uF 50v C6, C15 = 100uF 35v C7 = 2u2 100v C8 = 2n2 polyester C9 = 470pf cermico C10 = 22nf poliester C11 = 1uF poliester C12 = 47nf poliester C14 = 330nF poliester T1, T2 = BC547B L4970A 7905 L1 = 150uH 10,5A

Nos encontramos con un circuito en apariencia relativamente simple, ya que, como vemos se han empleado 2 circuitos integrados, de los cuales el primero (U1) concentra a su alrededor las principales funciones. Procedamos ahora por orden y observaremos como el regulador conmutado est alimentado por una fuente lineal clsica con puente de diodos y transformador. Como el pilotage se produce con una forma de onda caudrada del tipo "Si / No", la inductancia puede ceder la energa almacenada durante cada medio periodo activo (impulso a nivel alto) a la carga durante la pausa siguiente. Cuando la salida est en reposo, la inductancia cede su energa a los condensadores de filtro C1, C2 y C3. Cuando se conecta en los bornes "V Out" una carga que consuma corriente, se provoca la descarga ms o menos rpida de los condensadores electrolticos, con la consecuencia de una bajada de la diferencia de potencial en sus bornes. La contra reaccin (formado por el trimer y la resistencia R3) generan sobre la patilla 11 del integrado, un potencial directamente proporcional a la salida. De modo que permite al L4970A detectar el consumo de la carga y actuar en consecuencia cuando la tensin tiende a bajar debido a la corriente requerida es tal que descarga los condensadores de salida antes de que se recarguen.

En esta situacin, el componente reacciona aumentando la longitud de cada impulso transmitido a la inductancia, y por lo tanto, determina un aumento de la energa restituida por la inductancia L1 a los condensadores electrolticos. A la inversa, si la corriente requerida por la carga disminuye, el L4970A reduce la longitud de los impulsos en L1, para entregar menos energa. A la salida del comparador interno del L4970A, nos encontramos con que la longitud de los impulsos se rige por lo siguiente: ms importante, cuando la tensin recibida en la patilla 11 (realimentacin) disminuye. menos importante, si el pontencial resultante del L4970A ( y aplicado a la carga) tiende a aumentar.

Estos impulsos pasan a travs de "latch" que est normalmente activo, pero que se desactiva en caso de que la etapa de proteccin detecte una temperatura excesiva en el cuerpo del integrado. De hecho, si se detecta una sobrecarga en la salida. Del "latch" los impulsos actuan sobre el "driver" a travs de puertas lgicas utilizadas para bloquear el regulador PWM, durante el tiempo de transicin del encendido. Por esto, se ha previsto una lgica llamada "soft start", que est temporizada externamente por el condensador C7. El "driver" amplifica la forma de onda rectangular de manera que es enviada a la puerta (gate) del MOSFET interno final (segn se v en la figura 7d), un potente DMOS que, fisicamenten, alimenta y desconecta la inductancia de salida, aplicada a la patilla 7, a cada impulso positivo suministrado por el "latch", la tensin de entrada (la tensin continua aplicada a la patilla 9).

Figura 7d. Esquema interno del L4970A.

Es con esta tensin, con la que la inductancia L1 es cargada, y es durante las pausas (periodos de bloqueo del MOSFET anteriores al periodo de conduccin) cuando se descarga en los condensadores electrolticos (C1, C2 y C3). Durante las fases de descarga, el MOSFET debe estar protegido de las inversiones de polaridad, a las que est expuesto. En efecto, ya que la inductancia recibe impulsos, el MOSFET tiene polaridad positiva en la patilla 7 y ya que se descarga, tiende a mantener una corriente en el mismo sentido, y por lo tanto, una tensin en direccin opuesta. El diodo D1 (del tipo de conmutacin rpida) sirve para cerrar el circuito durante la descarga y prevenir que la corriente de ruptura extra dae el transistor de salida. Este fenmeno se explica por la ley de Lenz, segn la cual una inductancia brscamente privada de la tensin con la que est alimentada, reacciona generando una diferencia de potencial en sentido opuesto, que puede tener un valor instantaneo, mucho ms elevado. Volviendo a nuestro circuito, podemos decir que si la tensin de contra-reaccin, entragada en la salida, sobre la patilla 11, influye sobre la longitud de los periodos activos de la onda rectangular, el trimmer permite regular con precisin el valor de la tensin de salida que queremos obtener. Substituyendo el trimer por un potencimetro, conseguimos el mando que nos permite regular la tensin entregada por la fuente dentro del rango de 0 a 25 voltios. Estos lmites estn fijados por el potencial de referencia negaticva aplicado a la otra resistencia del divisor de contra reaccin (R3) y del valor de esta ltima. El valor de la resistencia determina el mnimo potencial de referecia entregado a la patilla 11. Para una regulacin correcta, recuerda que cuanto ms disminuye la tensin en esta patilla, ms puede ser pre-elevado el potencial en la salida y viceversa. De todo ello podemos deducir que el potencial de salida mximo depende del ratio entre todas las resistencias (valores) de R3. El mnimo, por contra, est impuesto por las caracteristicas constructivas y el funcionaniento del L4970A y no bajar nunca hasta cero, sin la intervencin del segundo regulador (U2), que aplica a la patilla 8 (masa de referencia) una componente negativa de 5 voltios, respecto al cero comn. La seccin de potencia, est alimentada con la tensin continua producida, trs rectificar la corriente alterna proporcionada por el secundario de un transformador toroidal (TF1) que entrega 30 voltios eficaces (ver figura 9).

Figura 9. Transformador toroidal de 30v 10,5A conectado con cable de 2mm de seccin al puente de diodos (50v 25A).

Esta tensin es rectificada por el puente de diodos PT1 (50v 25A) que rectifica las alternancias sinusoidales con las que son cargados los condensadores C4 y C5. El resultado es una componente continua bien rectificada, de una amplitud de 41 voltios. Respecto a la parte que entrega 5 voltios negativos para la refenrencia de 0, el regulador U2 recibe la tensin necesaria del puente rectificador PT2, el cual rectifica la tensin alterna entregada por el segundario del transformador TF2, de 9v a 15v 100mA, ubicado en la placa.

3.- Realizacin del proyecto. Dado el alto amperaje que maneja esta fuente, es preciso prestar atencin en lo concerniente al integrado L4970A, la eleccin del disipador y del transformador de alimentacin. Lo primero a realizar es preparar el PCB segn el metodo tradicional (insolacin). Para ello utilizaremos un fotolito segn la figura 6.

Figura 6. Pincha en la imagen para ampliar.

Una vez que tengas lista la placa de circuito impreso, puedes empezar el montaje de los componentes. Para ello puedes ayudarte de la figura 4 y de las fotografas.

Figura 4. Ubicacin de componentes. Pincha en la imagen para ampliar.

Foto de un prototipo terminado y listo para usar.

Realiza en primer lugar los cinco puentes en la placa de circuito impreso, utilizando para ello cable de 0.8mm a 1mm de seccin, despues inserta las resistencias, condensadores, poniendo especial atencin en los polarizados. A continuacin ubica diodos y transistores, poniendo tambien especial atencin en la orientacin del diodo T220 (D1), en el que la parte metlica del cuerpo est dirigida hacia el exterior de la placa. El diodo D1 ser aislado con la ayuda de una pequea hoja de mica, en la que la parte superior ser cubierta de pasta trmica o silicona. El regulador L4970A se fijar sobre un disipador de calor anodizado negro, del modelo que prefieras, con tal que la resistencia trmica est en el entorno de 4 a 5 C/W. Sobre el mismo circuito impreso, se ubica tambien el pequeo transformador que alimenta al regulador 7905, el transformador TF2.

No olvides que la bobina L1, debe tener un valor de 150uH. Y ser construida sobre un toroide o trozo de barra de ferrita, con hilo capaz de soportar una corriente de 10Amperios. Unas 30 espiras ser lo ideal (ver figura 10).

Figura 10. Bobina L1 de 150uH 10Amperios.

El puente rectificador PT2 est ubicado en la placa, segn se indica en la figura 4. Segn el tipo de cuerpo elegido para el potencimetro (lo recomiendo metlico), este puede ser soldado directamente en la placa o conectado con cables externamente. El circuito terminado, conviene instalarlo en una caja de dimensiones adecuadas y lo suficiente robusto para soportar el peso del transformador principal. Despus de realizar todas las conexiones, ubica los bornes en la cara delantera de la caja, rojo para positivo y negro para negativo. Para las conexiones utiliza cable de cobre cubierto de plstico de una seccin mnima de 2mm. Para el cable que conecta el primario del transformador a 220v utiliza cable elctrico con un enchufe comn que soporte al menos 16 Amperios. Conecta los cables a los puntos marcados con 220v en el circuito impreso y en la entrada del primario del transformador principal, intercalando un fusible de 2 Amperios de tipo rpido, que puedes emplazar en un portafusibles en la cara anterior o posterior de la caja. No olvides fijar el puente de diodos PT1 de 50V 25A en el fondo de la caja. Conctalo a la entrada +/- VIN con 2 cables de 2mm de seccin terminados en sendos conectores FASTON machos. Presta atencin a realizar buenas soldaduras, ya que en este tipo de montajes son muy importantes.

Referencias interesantes.

Datasheet del L4970A : hoja de caractristicas del integrado principal L4970A de ST. Notas de aplicacin del L4970A : esquemas y montajes variados, algunos incluyen PCB. Explicaciones detalladas con frmulas y clculos necesarios para los circuitos expuestos.

Primer artculo dedicado al campo de la instrumentacin. Fundamental en todo laboratorio, ya sea de aficionado o profesional, una buena fuente de alimentacin regulable y estabilizada con proteccin contra sobrecarga. He optado por un diseo irrefutable y de altas prestaciones. De 0 a 25v y 10 Amperios, ms que suficiente para la mayora de las necesidades, dira que incluso sobredimensionado en cuanto a corriente mxima suministrada (10A). Adems nos hemos desmarcado de las tradicionales fuentes, para decantarnos por una fuente conmutada, que es ms eficaz, con menor consumo y menor cantidad de calor disipado. Hablaremos en otros artculos de fuentes mas convencionales con otros integrados como los 78xx, LM317 o LM338.

Saludos y hasta un prximo artculo dedicado a la instrumentacin.