Fuente de alimentación de laboratorio III. Control de corriente.

Volviendo de nuevo al diseño de la fuente de alimentación analógica, una vez desarrollado el control de tensión, básico para cualquier fuente de alimentación, en esta entrada vamos a diseñar el control de corriente. Este control es también elemental cuando queremos desarrollar una fuente de alimentación de laboratorio, ya que permitirá, en primer lugar que nuestra fuente sea cortocircuitable, es decir, que si en nuestro receptor se produce un cortocircuito, la fuente de alimentación no sufra daños, y en segundo lugar nos permite proteger nuestras placas, ya que si limitamos la corriente, evitamos que un posible fallo acabe quemando algunos de los componentes. Como vais a ver, el control de corriente es muy parecido al que ya hicimos antes de tensión, pero para que los dos controles puedan convivir y actuar juntos hay que hacer unas modificaciones, y aclarar algunas partes del circuito.

En la siguiente imagen tenes el sistema básico que vamos a utilizar.

En primer lugar, el primer circuito "extraño" que se ve en la imagen es el que está marcado con el cuadrado rojo. Este configuración forma una fuente de corriente, que alimenta las bases de los dos transistores darlington. En las bases de los transistores, también encontramos 2 diodos (D1 y D4), que irán a la salida de cada uno de los controles. Entonces, ¿Como funciona esto?, bien, si los cátodos de los diodos los dejamos al aire, como están en este momento, toda la corriente que suministra Q2 va hacia las bases de Q1 y Q3, por lo que estos empiezan a conducir, de hecho, llegan hasta saturarse, con lo que su caída de tensión es muy pequeña, y a la salida tenemos prácticamente la tensión de entrada. También se han añadido las resistencias R1 y R5. Estas resistencia tuve que añadirlas porque, a pesar de ser los dos transistores iguales, uno de ellos siempre conducía más que el otro, por lo que se calentaba más, de esta forma se equilibra la corriente entre ellos, conduciendo los dos por igual. Siguiendo con el control... lo que ocurre cuando conectamos el control de tensión al diodo D1 es lo siguiente. Imaginemos que la tensión de la base tiene un nivel de 28 voltios, que es lo que ocurre si no conducen D1 ni D4, la tensión de salida es la máxima. Pero el control de tensión, que hemos puesto a 5 voltios, por ejemplo, intenta bajar la tensión, poniendo un nivel tensión muy bajo en el cátodo de D1. Como la tensión de la base es mayor a la del control, D1 empieza a conducir drenando la corriente, por tanto la corriente que llega a las bases de los transistores baja, aumentando la caida de tensión entre colector y emisor, y por tanto, bajando la tensión de salida, hasta que se llega al equilibrio entre los dos pines de D1, y la tensión se estabiliza. El control de corriente funciona exactamente igual al de tensión, cambiando la realimentación y la referencia. En cuanto a los diodos, están puestos en una configuración de OR lógica, por lo que en el momento uno de los controles empiece a bajar la tensión, obligará a la salida también a bajar.

Para realizar el control de corriente, en la fuente original, se hace mediante una resistencia en serie con la carga y puesta a masa. Esto provoca que la tensión de la carga no esté referenciada a masa, sino a la tensión de la resistencia se sensado de corriente, por lo que la tensión de realimentación, tal y como está en el esquema original es, Vcarga + VRsense. Esta última tensión, depende de la corriente que esté consumiendo el circuito, por lo que no se limita a un offsset. Para solucionarlo, crean una fuente virtual de -0.3 voltios, de forma pueden alimentar uno de los operaciones con tensión negativa, y a través de un inversor, restar la tensión VRsense. Esto es una solución, pero creo que se puede solucionar de otra forma, y así es como lo he hecho. En mi caso, la resistencia de sensado de corriente se encuentra antes de la carga, por lo que la Vcarga queda con una referencia a masa. A cambio, he utilizado un amplificador restador, para obtener la tensión diferencial de la resistencia Rsense. El circuito queda así.

En el siguiente vídeo podéis ver el control de corriente en funcionamiento.

Fuente de alimentación de laboratorio II. Control de tensión.

Siguiendo con la fuente de alimentación de laboratorio que os presenté en la entrada anterior, lo primero y mas importante que debe hacer nuestra fuente de alimentación, es sacar la tensión que nosotros deseemos, hablando en términos de control, lo que queremos es que la tensión de salida sea lo mas parecida posible a la tensión de referencia. En esta entrada vamos a ver como realizar el control analógico de la fuente, de forma que intentemos seguir correctamente la referencia.

Lo primero será definir el esquema de nuestra fuente, de forma que podamos definir que tipo de acción de control podemos aplicar. El esquema, como veis, es una versión simplificada de la fuente de la revista Elektor.

Como se ve en es esquema, la acción de control se aplica en forma de tensión de base al transistor darlington TIP142. Visto esto, podemos probar el primer tipo de control, el más sencillo, que se basaria en aplicar una tensión de referencia a la base. Este tipo de control, será un control el bucle abierto, es decir, no realimentamos la salida en ningún momento. El esquema quedaría de la siguiente forma.

Como se ve en la imagen, estamos aplicando a la base una tensión de 7.12 voltios, mientras que a la salida tenemos 6.41 voltios para una carga de 10 ohmios, esta tensión varía desde 6.5 voltios para una carga de 50 ohmios, hasta 6.2 voltios para una carga de 5 ohmios. Lo siguiente sería realizar un control en bucle cerrado, de forma que tengamos siempre una lectura de la salida, y por tanto podamos calcular el error que estamos cometiendo. Este tipo de control se denomina control proporcional, ya que la acción que aplicamos es proporcional al error.

En esta ocasión he dejado una referencia fija de 5 voltios. La obtención del error la hago mediante el amplificador U1, el cual hace una resta y la aplica a la base de Q1. Como veis, todavía no seguimos la referencia correctamente, pero hemos mejorado muchísimo en un aspecto. En este caso, con una variación de carga de 1 ohmio hasta 100 ohmios, la variación de la tensión de salida es de solo 60mV, cuando antes para la mitad del rango el incremento de tensión era de 300mV. 

Lo siguiente que podemos hacer es intentar eliminar ese error que tenemos respecto a la tensión de referencia. para ello, si hacemos caso al curso de control que se viu en el blog de Litox, lo que debemos hacer es aplicar un control proporcional-integral, para ello tenemos que convertir nuestro amplificador, en un proporcional - integrador. Como la ganancia que queremos es de 1, bastará con que implementemos un amplificador integrador, sustituyendo R6 por un condensador.

Como veis, el resultado es muy bueno para un rango de 1 hasta 100 ohmios, la tensión de salida es estable a 4,99999 voltios. Esto es control aplicado.

Lo siguiente es montar un prototipo y probar si realmente funciona así de bien. En la siguiente foto podeis ver el esquema de arriba llevado a un PCB.

En este caso he utilizado 2 transistores darlington para aumentar la corriente, por lo demás es todo igual. y en las siguiente imágenes podéis ver 2 lecturas de tensión, la del voltímetro pequeño es la referencia, mientras que la del grande es la salida.

Referencia: 4,73V

Salida: 4,69V.

Referencia: 10,23V
Salida: 10,15V

Referencia: 8,72V.
Salida: 8,65V.

Como veis, en el circuito real no funciona tan bien como en la simulación, pero era algo esperable al utilizar componentes reales con tolerancias y cambios de temperatura. Con esto ya tenemos una fuente de alimentación controlada en tensión, que podemos utilizar para alimentar nuestros diseños.

Fuente de alimentación de laboratorio I.

Cuando uno empieza en la eletrónica, bien como hobby, o bien de forma profesional, uno de los primeros instrumentos que hacen falta es una fuente de alimentación, ya que si algo no falta en cualquier diseño, es una fuente de tensión. En los primeros montajes que hacemos, sobre todo si estos son digitales, nos bastará con un simple cargador de móvil que nos entregue una tensión de 5 voltios. Para los que estén empezando ahora, esto es una tarea muy fácil debido a la estandarización de los cargadores con conector uUSB, pero hace unos años, cada móvil se alimentaba a una tensión diferente, por lo que no era tampoco una tarea fácil. Muchos cargadores de hace unos años sacaban una tensión superior a los 5 voltios, aunque esto tenia, y tiene, fácil solución, con tan solo poner un regulador del tipo 78XX teníamos una tensión de 5 voltios estabilizada. Este tipo de fuentes podían entregar una corriente limitada, y casi nunca superior a 1 amperio, que aunque para diseños basados en electrónica digital y de señal son más que suficientes, cuando uno se empieza a interesar por la electrónica de potencia, es común que se quede corto, así que el siguiente paso es montarnos una primera fuente de alimentación que de por lo menos 3 amperios, y si es regulable, pues mejor. Es en esta etapa donde entra el regulador del cual hablé en esta entrada, el archiconocido LM317 puede solucionarnos la papeleta. Este regulador puede entregar, en su encapsulado TO-03 una corriente de 3 amperios, con una tensión que va desde los 1.25 hasta los 30 voltios. Este regulador integrado funciona perfectamente para muchos de los diseños que queramos hacer, desde básicos, hasta diseños de electrónica de potencia sencillos. El problema de utilizar este circuito integrado, y cualquier otro circuito integrado, es que es lo que hay, además que ofrece pocas posibilidades de control, ya que como os expliqué en la otra entrada, el control se realiza por medio de un potenciometro. Si quisiéramos digitalizar esa fuente para controlarla desde un PIC o un ARM, deberíamos sustituir el potenciometro por un potenciometro digital, de forma que comunicándonos con el mediante SPI o I2C "desplazaramos" el cursor.

Después de haber pasado por estas 2 o 3 etapas, es el momento de fabricarnos una fuente de alimentación a nuestra medida, pudiendo seleccionar la corriente máxima que deseamos, el rango de tensión, el ruido que podemos admitir a la salida, y algo que también es importante y que pocas veces se tiene en cuenta es, dependiendo de la potencia, como afectará esta fuente a los aparatos que tengo alrededor. Cuando llegamos a esta etapa, es común que ya tengamos ciertos conocimientos de electrónica, y lo más seguro es que ya hayamos diseñado, bien en la universidad, o por nuestra cuenta algunos tipos básicos de fuentes conmutadas, por tanto, se nos plantea un pequeño dilema, ¿Queremos una fuente lineal, o una fuente conmutada?, los pros y los contras de cada una los debemos saber ya, por lo que debemos preguntarnos que necesitamos, ¿una fuente de laboratorio que nos garantice un ruido mínimo o una fuente para dar potencia a receptores que tengan un consumo elevado de forma que el ruido a la salida no sea determinante? Mi objetivo personal es una fuente que me pueda valer para todo, y esto es más fácil cumplirlo si diseñamos una fuente lineal, y a poco que busquemos por internet, se encuentran muchas variantes de este tipo de fuentes, sobre todo, llama la atención, la cantidad de variantes de una fuente en particular, la que publicó la revista Elektor en el año 2.002. 

Esta fuente, originalmente, estaba basada en 3 transistores darlington, controlados analogicamente mediante unos amplificadores operacionales, Además la fuente incluía un PIC16F84 el cual se encargaba de dar las tensiones y corrientes de referencia, así como de la visualización de las variables. A partir de esta fuente han salido otras variantes controladas con microcontroladores más potentes, con control de la temperatura, con conexión al PC, y la lista de variantes puede seguir aumentando ya que es una configuración que da muchísimo juego, por ejemplo, en el diseño original el control de hace de forma anlógica, pero este control no seria complicado realizarlo dentro del mismo microcontrolador. 

Me he propuesto como objetivo desarrollar, en primer lugar, un sistema básico sobre el cual ir probando diferentes configuraciones de control para que veamos las diferencias que existen, mejoras posibles, y pros y contras de cada una. De momento os dejo este enlace, en el cual se ha diseñado una variante de esta fuente con control de temperatura, y tensión y corrientes seleccionables mediante un potenciometro.