sábado, 16 de abril de 2016

Fonte de alimentação 12V x 10A

Eu tinha montado uma fonte de 10A usando dois MJ15003 na saída, mas as ligações internas estavam meio bagunçadas esteticamente falando e depois de apresentar um pequeno problema eu resolvi refazer a fonte usando TIP35 no lugar dos MJ15003.

Minha intenção era colocar o dissipador dos transistores de passagem dentro da caixa, como eu tinha um dissipador ideal para essa montagem resolvi fazer, mas desta vez com algumas modificações no esquema do artigo original.

No vídeo abaixo eu mostro como estava as ligações na fonte antes de desmontar, é bom deixar claro que a fonte estava funcionando bem e os MJ15003 usados na saída são muito bons e mais fáceis de achar o original do que o 2N3055 ou MJ802.




Os pontos comuns era nos terminais dos capacitores de filtro, eu precisava organizar melhor as coisas, desenhar uma placa para a etapa de potência (capacitores de filtro, transistores de passagem com suas respectivas resistências de emissor) e para a etapa de controle (CI e driver).

A placa da etapa de potência ficou bem grande, eu queria colocá-la deitada, mas não deu, então resolvi colocar a placa de pé com os transistores de passagem do lado oposto aos capacitores do filtro, eu não usei mica para isolar os transistores do dissipador, portanto ali tem o mesmo potencial do positivo do capacitor de filtro, por isso precisei isolar o dissipador da carcaça da fonte. O uso de mica diminui um pouco o acoplamento térmico entre o transistor e o dissipador, por isso prefiro isolar o dissipador a usar mica, fiz a mesma coisa com a ponte retificadora.

Na placa da etapa de controle eu adicionei uma ponte retificadora e um capacitor eletrolítico na alimentação do CI regulador, a tensão mínima recomendável para alimentar o CI é 12V(40V máx.), com isso a tensão de alimentação ficou dentro da faixa variando de 26,3V sem carga e 21,2V com carga máxima.

A placa ficou bem pequena como pode ser visto na foto abaixo:


O tamanho da placa ficou com 9,5 x 5 cm, eu diminui o tamanho do dissipador do driver porque não tem muita necessidade um dissipador grande, o driver quase não esquenta e isso em carga máxima.


O vídeo da fonte finalizada e fazendo o teste da carga está logo abaixo:





Eu fiz algumas medidas de tensão em alguns pontos do esquema para analisar melhor o funcionamento do circuito, é possível notar que a tensão de saída ficou bem estável, eu queria ter um osciloscópio para poder ver a forma de onda e ver também a variação do ripple em função da carga.


Núm. Local 0A 1A 3A 5A 8A 10A
4 Saída 12,5V 12,5V 12,5V 12,49V 12,48V 12,48V
3 Base Q1 13,59V 14,52V 14,76V 14,97V 15,34V 15,58V
2 Emissor Q1 13,05V 13,28V 13,5V 13,7V 14,05V 14,28V
1 Coletor Q1 26,7V 25,3V 23,6V 22,3V 20,6V 19,5V
5 Vcc do CI 26,3 25,2V 24V 22,9V 22V 21,2V


O número na primeira coluna são os pontos equivalentes no esquema da fonte que pode ser visto na imagem abaixo:



A lista de componentes segue abaixo:

B1 - 15A x 100V [Ponte retificadora]
B2 - 1A x 100V [Ponte retificadora]
CI1 - LM723
Q1 - TIP142
Q2, Q3, Q4, Q5 - TIP35

R1 - 120R x 25W
R2, R3, R4, R5 - 0,1R x 5W
R6 - 0,055R x 10W (ver texto)
R7 - 1k x 1W
R8 - 2,2k x 1/4W
R9 - 3,3k x 1/4W
P1 - 1K

C1 - 24.700µ x 50V (ver texto)
C2, C4, C9 - 100n
C3 - 1.000µ x 35V
C5, C7 - 10n
C6 - 470p
C8 – 100µ x 25V

T1 - Primário 110/220V -- Secundário 18V x 10A
F1 - 1,5A
S1 - Chave 3A
FL1 - Filtro de rede 2A x 240V


Os pontos A e B são os sensores de corrente e devem ser ligados em paralelo ao resistor sensor por meio de fios, o sensor de tensão(ponto C) deve ser conectado diretamente no borne de saída.

O capacitor de filtro é composto por dois capacitores de 10.000µ e um de 4.700µ, ambos com 50V, a resistência R6 sensor de corrente é composta por quatro resistores de 0,22R x 5W, para calcular o valor desse resistor em função da corrente máxima de saída basta usar a fórmula R = 0,65/I, onde I seria a corrente máxima na saída antes de limitar a corrente. No meu caso o resistor R6 tem um valor de 0,055R limitando a corrente em 11,8A aproximadamente.

Os capacitores C8 e C9 e os resistores R6 e R7 foram colocados em uma placa junto aos bornes de saída da fonte, coma exceção de R6, esse é o local ideal para os capacitores da saída, no próprio borne de saída.


Observações e dicas


Em função da outra montagem eu notei uma melhora na estabilidade de tensão depois de fazer a ligação da alimentação do CI independente, mas de acordo com as medições é possível notar que conforme aumentava a carga, a tensão de coletor do driver diminuía enquanto que a tensão de saída do regulador aumentava para compensar a queda, podendo verificar aí uma limitação. É possível melhorar isso usando uma tensão estabilizada para a placa de controle e para o transistor driver, essa variação não vai afetar o circuito de controle melhorando ainda mais a estabilidade da saída. Devido às perdas nas junções dos transistores é preciso uma tensão de pelo menos 20V para alimentar a placa de controle e o transistor driver. Caso a placa de controle for alimentada por uma tensão independente o negativo da placa deve ser ligado junto ao negativo da etapa de potência.

Em montagem de fontes desse tipo é preciso separar as etapas de alta e baixa potência para que o funcionamento seja melhor, todas as conexões devem ser bem feitas para reduzir as perdas e evitar qualquer problema, principalmente as conexões de maior corrente, sempre que possível fazer as conexões mais curtas possíveis. Nessa montagem eu tive esse problema e quase perdi um regulador achando que o problema estava nele, eu notei o mau contato quando percebi que o cabo que saia do positivo da ponte retificadora estava bem quente e quando fui mexer nele percebi que estava solto no conector.

A ligação dos três fios sensores através de fios finos e não por meio de trilhas na placa funciona melhor. Devido ao seu baixo valor, a resistência sensor pode ser feita conectando duas ou mais resistências em paralelo, melhorando assim a dissipação de calor. É preciso definir um ponto de negativo comum para que não haja loops de terra, no vídeo eu mostro o negativo comum que fiz na placa de potência, dali sai um fio para o borne da saída, um fio para o negativo da placa de controle e um fio para o negativo da ponte retificadora.
   
Essa fonte só possui limitação de corrente, não possui proteção contra sobretensão, para isso é possível usar o circuito crowbar igual a esse exemplo abaixo:





Circuitos crowbar trabalham de duas formas básicas em função do tipo de fonte:

 - Fontes com limitação de corrente o circuito é usado na saída da fonte, que quando atuado cria um curto na saída fazendo a limitação de corrente da fonte entrar em ação reduzindo a tensão da saída;

 - Fontes sem limitação de corrente o circuito crowbar deve ser ligado em paralelo ao capacitor de filtro da fonte fazendo com que rompa o fusível do primário quando o circuito crowbar entrar em ação, nesse caso é muito importante que use o cálculo para determinar o fusível do primário em função da potência máxima do transformador.
   
Eu costumo usar a lei de ohms para calcular o fusível do primário, por exemplo, o transformador que usei tem um secundário de 18V x 10A, portanto 180W, para calcular a corrente no primário basta dividir a potência pela tensão, no meu caso 125V que dá 1,44A, como não é um valor comercial é escolhido um valor superior mais próximo ao resultado, no caso 1,5A. Dê preferências aos fusíveis de partida rápida que são aqueles que possuem um fio e não uma “chapinha” como os de partida lenta.
É importante que para ambos os tipos de fontes, deve escolher um SCR com uma corrente um pouco superior a corrente de saída da fonte, lembrando que SCRs para correntes maiores necessitam de uma corrente maior de acionamento, por isso esse circuito usa um transistor para acionar o gate do SCR.

Alguns circuitos crowbar usam um fusível na linha de alimentação, assim quando entra em ação, o curto faz o fusível romper, o problema é a conexão do fusível, para correntes grandes vai ter uma perda nos terminais do fusível por causa do contato, terá aquecimento em função do mau contato e mesmo assim a fonte tem que ter limitação de corrente, pois até o fusível se romper vai ser tempo suficiente para danificar os transistores de saída.

De acordo com o datasheet do CI é possível reduzir a tensão de ripple da saída adicionando um capacitor eletrolítico de 4,7µ desacoplando o pino 5 do CI, talvez eu adicione futuramente esse capacitor, também em relação ao datasheet é bom lembrar que entre o terminal 2 do CI até o resistor sensor tem um outro resistor de 1K, talvez para limitar a corrente no pino 2, é preciso experimentar e se não modificar o valor da limitação de corrente é muito importante adicionar, eu vou fazer a modificação na minha fonte.


Como alterar a corrente de saída da fonte


Esse circuito é o mais básico usando 723 e é possível alterar o valor da corrente de saída da fonte fazendo algumas modificações.

A ponte retificadora deve ter uma corrente mínima de 2x a corrente de saída desejada usando como referência 2000µ/A para o capacitor de filtro. Quando a fonte é ligada, a corrente de pico de carga nos capacitores de filtro é bem alta, quanto maior o valor do capacitor, maior é a corrente e quem segura toda essa corrente é a ponte retificadora, portanto se usar mais de 2000µ/A é bom aumentar mais que 2x a corrente da etapa de retificação.

Para o valor do capacitor de filtro pode usar o padrão descrito acima 2000µ/A sempre usando uma resistência de carga e um capacitor cerâmico de 100n em paralelo.

Para os transistores de passagem, eu costumo usar sempre componentes a mais do necessário para não esquentar tanto, quando se usa transistores 2N3055 normalmente é usado um para cada 3,3A, mas existem esquemas por aí que usam um transistor para cada 5A, nesse caso eles esquentam bastante, por isso quando for escolher um transistor de passagem não aconselho usar correntes maiores do que 5A para cada transistor, para que fique uma montagem robusta usar sempre uma corrente mais baixa em cada transistor. Lembrando que se for usar 5A/transistor é bom caprichar bastante no dissipador. Os resistores de emissor têm um valor fixo independente da corrente máxima de saída da fonte, até 5A para cada transistor usar um valor de 0,1R x 5W.

O resistor sensor de corrente pode ser calculado de acordo coma fórmula que passei mais acima, a potência pode ser calculada usando a lei de ohms, é bom sempre usar o dobro da potência calculada como mínimo. Como o valor calculado é diferente dos valores comerciais, é possível fazer associações de resistores em paralelo usando resistores de baixo valor como fiz nessa fonte usando quatro resistores de 0,22R em paralelo.

Usando um transformador com dois secundários, a corrente do secundário que vai alimentar a etapa de controle junto com o coletor do driver terá que ser calculada com base na quantidade de transistores de saída e da corrente de alimentação do CI e se caso for adicionar algum ventilador para melhorar o resfriamento interno. A corrente de consumo do CI é muito baixa, mas pode chegar a 150mA, a corrente necessária para alimentar o pino 11 e o coletor do transistor driver pode ser calculado usando a fórmula abaixo:

Itr = Ic/Hfe

onde:

Itr é a corrente necessária para excitar um dos transistores de passagem;
Ic é a corrente de coletor de cada transistor de passagem;
Hfe é o beta do transistor de passagem.


Por exemplo, para uma fonte de 35A que usa 8 MJ15003 nas saídas e cada transistor possui um Hfe mín. de 25 a corrente do driver terá:

35/8 = 4,375A por transistor

4,375/25 = 0,175A de corrente de base para cada transistor

0,175x8 = 1,4A de corrente no coletor do transistor driver para excitar os 8 transistores de saída.

Sendo assim é só somar a corrente dos transistores de passagem(1,4A) mais a corrente do CI(0,15A) e caso for adicionar algum ventilador somar as correntes, sempre considerar alguma tolerância no valor final calculado para não trabalhar no limite, acredito que algo entre 200 a 300mA a mais de tolerância seja suficiente.

Seguindo essas regras básicas é possível montar uma fonte para qualquer corrente de saída.

6 comentários:

anjo disse...

Posta o desenho da sua placa e do seu filtro, e me explica aqueles dois capacitores na chave que liga a fonte.

Luiz Daniel Picco disse...

Anjo,

Não vou postar o desenho da placa porque faço em papel milimetrado, só tem os furos e umas linhas, o desenho final eu deixo para fazer na placa.

Aqueles capacitores na chave são para reduzir o ruído do chaveamento quando liga ou desliga a fonte, são dois cap. de poliester de 0,47uF x 400V.

Um abraço

Alesandro Torres disse...

Bom dia Picco, esse esquema está completo ou preciso acrescentar mais coisas?
E qual o valor do capacitor C9?

Picco disse...

Alessandro,

Bom dia. O esquema está completo, só tem aquele filtro opcional que comentei e esses dois cap. de poliéster na chave que falo no comentário, mas independente disso a fonte funciona.
C9 é de 100n cerâmico.

Um abraço

Unknown disse...

Eu montei esse circuito e ficou muito bom obrigado picco

Picco disse...

Unknown,

Legal saber que deu tudo certo na sua montagem, se tiver alguma dúvida é só deixar um comentário.

Um abraço