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Fuente alimentacion regulable conmutada 18v/40A

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Antiguo 07-Aug-2010, 22:09
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juanbe2626 Lleva buen camino
Post Fuente alimentacion regulable conmutada 18v/40A

INTRODUCCION:

El construir una fuente de alimentacion conmutada es bastante complicada si utilizamos un PIC (hay que programarla)aunque sea mas precisa, pero como ya sabemos está el tipico 555 universal.

Con este integrado hay que tener mucho cuidado en elegir sus componentes y como se utilize y diseñe el circuito, ya que si no cuando le variamos el dute cycle al aproximarnos al 0% o al 100% la onda cuadrada se deforma y termina siendo triangular o directamente desaparecen los pulsos, estamos hablando a una frecuencia de trabajo de 25khz aprox (para una fuente conmutada) o se produce un calentamiento anomalo en el MOSFET de control.

La cuestion es que cuando el 555 trabaja en esas zonas tan cercanas funciona mal o no del todo bien.Si observamos un pulso con un dute cycle del 0% casi veremos si observamos con un rango del osciloscopio cercano 1us/div, podremos ver los flancos de subida y de bajada de nuestros pulsos, los cuales de lejos parecen buenos pero de cerca vemos que no son perfectos y nuestro pulso de onda cuadrada parece mas un trapecio con subida y bajada bastante bien apreciable, de hecho estos flancos de subida y bajada son los que provocan el calentamiento del MOSFET contra mas corto sea esos flancos menos calor generara nuestrto MOSFET con altas corrientes, cuanto mas rapido sea el cambio entre el 0 y el max mayor rendimiento sacaremos a nuestro MOSFET.

Cuando trabajamos con el 555 a esa frecuencia vemos que los flancos que nos dan son excesivos,entonces como podremos reducirlos y convertir nuestro 555 astable en pulsos cuasiperfectos con flancos de subida y bajada inferiores a 1us?

Necesitamos un conformador de señal de pulsos, este circuito es muy sencillo lo que hace es que saca los pulsos con la misma frecuencia y dute cycle introducidos pero con flancos de subida y bajadas muy muy cortos.

CIRCUITO: (Se adjunta mas abajo diseño en Multisim 11)

Siempre que diseñaba este tipo de circuitos para regular motores me encontraba que el mosfet se calentaba y no sabia porque, despues de muchos proyectos y simulaciones encontre el problema,pero cuando me puse a diseñar mi fuente de alimentacion regulable y conmutada me encontre varios problemas:

1.-Yo no iba a utilizar transformadores especiales flyback, ni especiales para conmutacion poseia dos transformadores con salida 20v y 20A normales pero queria que la regulacion fuese conmutada y regulable.Me encontré con muchos problemas de diseño, encontré el integrado L4970A, pero solo llega hasta 10A por lo que tenia que comprar 4 y cada uno me valia 14€ (casi 50€ para 40A)ademas el minimo de voltaje que daba era de 5,1 que es la tension de referencia interna y yo buscaba poder llegar hasta 0v y poder subir con precision hasta lo mas cerca del max de tension dado por los transformadores.

2.-El circuito de control que he visto en muchos foros no es practico y utilizan un TL431 de mala manera para controlar el mosfet en su configuracion junto con el 555, que lo que hacen es coger los pulsos de salida del 555 y sumarle una tension continua para que sea superior a la que hay en la pata drain del MOSFET.

3.-Necesitaba precision al variar el Dute cycle y estabilidad, muchos circuitos integrados (TL494 entre otros) especialemtne diseñados para fuente de alimentacion conmutadas trabajan con un dute cycle max de 50% o del 10% al 90%.

4.-El MOSFET de canal N a elegir debe hacerse con sumo cuidado, no solo buscamos que tenga una Rds(on) muy baja 8mohm (110A) (IRF3205) o el IRFZ44N con una Rds(on) 17,5mohm (49A), a todos ojos diriamos que el primero es mejor, pero no es asi, es mejor el segundo (IRFZ44N) el porque es claro.

Tenemos que ver la capacitancia que presenta la "base" GATE del MOSFET, ya que cuanto mayor sea esta y los pulsos que le demos mas pequeños mas deformará el pulso que le demos haciendo que los flancos sean mas largos y duren mas provocando sobrecalentamiento del MOSFET e incluso su destruccion.Tenemos que buscar un mosfet con una capacitancia lo mas baja posible de esa manera nuestros pulsos pueden ser mas pequeños y se deformaran menos manteniendo su forma cuadrada original (medir con un osciloscopio entre el drenador y el surtidor del mosfet, ya que es hay donde aparece la energia que absorbe el mosfet ).



Para mi circuito he elegido el IRFZ44N trabajando en paralelo con gates independiente separados por resistencias.La salida del mosfet es estabilizada por un inductor de 200uH y y un condensador electrolitico de 1000uF/35v.

Siguiendo con las explicaciones, lo mas importante a la hora de elegir el transistor MOSFET es la capacitancia que presenta entre las patas del G-S, y en segundo lugar la resistencia interna que presenta en tre las patillas D-S que es la que nos dará la cantidad de amperios que puede soportar nuestro MOSFET.

A la patilla del MOSFET debemos entregarle una onda cuadrada en pulsos lo mas perfecta posible en sus flancos de subida y bajada. La subida y bajada se debe realizar lo mas rápido posible (inclinación de 90º perfecta).

Como decía, el secreto es el conformador de señal formado con unos transistores muy especiales de tipo NPN, se trata de transistores de ultra-altafrecuencia con un frecuencia max de trabajo de hasta 6Ghz, aunque para nuestro propósito trabajarán a 25Khz, pero aprovecharemos que su capacitancia es muy baja y su velocidad de conmutación es altísima para que los pulsos que entre en el amplificador formado por él se corrija los flancos de subida y bajada reduciéndolos. Se utiliza dos transistores por cada etapa de amplificación debido a lo delicado de estos transistores al trabajar con voltajes tan alto y corrientes tan delicadas de un máximo de 25ma. Se utilizan dos etapas de amplificación-conformación de señal.

Debido a la configuración en la que se ha puesto a trabajar el Mosfet (necesaria para este fin) se necesita aplicar en la GATE pulsos superiores en voltaje al máximo de tensión que aplicamos en la pata DRAIN, por lo que he calculado que con pulsos de onda cuadrada de 24v es suficiente para este fin y como el NE555 no es capaz de dar tal amplitud se necesita amplificar, además como podéis ver el 555 se hace trabajar a 5v (amplitud de los pulsos de salida=5v) y estabilizados, debido a que según pruebas si trabaja con un voltaje cercano a su máxima tensión (los 15v)los pulsos de salida los deforma añadiendo a los flancos mas pendiente y tardando más.

de salida sobre todo al llegar el dute cycle al 0% y al 100%, lo que hace es convertirlos en dientes de sierra con lo que los flancos de subida y bajada son excesivos y provoca un calentamiento anormal del MOSFET cuando se trabaja tan cerca de esos rangos de dute cycle.

He podido comprobar que si el potenciómetro de 100k que esta regulando el Dute cycle del 555 es inferior a este valor también deforma los pulsos

He visto muchos foros en los que no se explican por que se sobrecalienta tanto el MOSFET, pues las razones están expuestas aquí y hay que tenerlas muy encuenta a la hora de diseñar el circuito sobre todo si falla el diseño realizado con el 555.

Para aumentar la precisión de los pulsos del 555 se ha elegido un potenciómetro multi-vuelta de 100k de precisión (10vueltas-3600º) se alcanza una precisión inferior al 1% de variación exacta.

He visto en internet muchos circuitos de reguladores con mosfet 555 pero aplicados solo para regulación de motores( configuración más sencilla) si estos circuitos se apicaban para regular la tensión de salida utilizando cargas de diferentes valores no funcionaba, ninguno trabajaba como fuente de alimentación regulable al que le pudieras conectar cargas diferentes y mantuviera el nivel de tensión adecuado, las variantes utilizando como ayuda un TL431 SE UTILIZABA PARA SACAR SALIDAS NO REGULABLES EN TENSION, además de no trabajar bien y disipar calor de manera no eficiente. Digamos que el circuito ha salido de unir o coger ciertas partes de uno y otro circuito y mejorarlos.

La regulacion de la carga para este circuito es del 95% produciendose una variacion maxima de 80mV a 20A.

Este circuito se puede utilizar para conseguir variaciones de voltaje desde 0,2v hasta los voltios que nos de nuestro transformador despues de rectificarlo en mi caso unos 18v y los amperios que se quiera solo habria que añadir mas transistores MOSFET en paralelos sin casi variar en nada el circuito de control PWM.
Añadir que si alguien esta interesado en el circuito, o el archivo de simulacion para multisim 11 se los pasare.Cualquier duda, sugerencia o mejora estoy abierto a ello.

Espero que os sirva, porque a mi me ha ahorrad muchos euros y trabaja mejor que muchos integrados.Disipa muy poco calor para los 40A que es capaz de entregar.

1-captura: esquema electronico sacado del simulador multisim 11
2-captura:los pulsos amarillos es lo que le entra a la "base" GATE del MOSFET, los pulsos azules es lo que el transistor mosfet en tre sus patas drain-source (la energia que absorve el mosfet y disipara en forma de calor que son los flancos de subida y bajada, como veis los flancos son muy muy pequeños).
3-captura: los pulsos que salen del 555 en los que se ven los flancos de subida y bjada causante del calor que provocaria en el mosfet si se aplicara directamente sin conformar.
4-captura: apulsos a la salida del conformador donde se ve como se corrigen y mejora los flancos y se hacen mas cortos y se mejora la respuesta del mosfet y emite menos calor.
Vistas en miniatura
fuente-alimentacion-regulable-conmutada-18v-40a-fuente-alimentacion-regulable-conmutada-v0.9.0.8.jpg  
Imágenes adjuntas
   

Editado por juanbe2626 en 07-Aug-2010 a las 22:15.
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  #2 (permalink)  
Antiguo 21-Sep-2010, 18:05
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Posts: 3
juanbe2626 Lleva buen camino
Predeterminado Re: Fuente alimentacion regulable conmutada 18v/40A

Aqui os dejo lo ultimo sobre mi circuito con medidas tomadas sobre placa de pruebas en el punto 1.
Vistas en miniatura
fuente-alimentacion-regulable-conmutada-18v-40a-21092010228.jpg  fuente-alimentacion-regulable-conmutada-18v-40a-21092010230.jpg  fuente-alimentacion-regulable-conmutada-18v-40a-21092010231.jpg  fuente-alimentacion-regulable-conmutada-18v-40a-21092010232.jpg  fuente-alimentacion-regulable-conmutada-18v-40a-circuito-completo-001.jpg  

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  #3 (permalink)  
Antiguo 14-May-2011, 01:30
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Posts: 1
matiasperez Lleva buen camino
Lightbulb Re: Fuente alimentacion regulable conmutada 18v/40A

Muy buen trabajo, me mandarias el archivo del multisim? gracias, estoy interesado en investigar tus deducciones, y si puede ser mejorarlo ahunque creo que esta bien hecho al 99,9%.
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  #4 (permalink)  
Antiguo 16-May-2011, 17:21
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Registrado: August-2010
Posts: 3
juanbe2626 Lleva buen camino
Predeterminado Re: Fuente alimentacion regulable conmutada 18v/40A

Sin duda se puede mejorar, realize una variacion utilizando un tl494 (funcionando con un dute cycle entre 1% y el 99%) y un ir2110, con una estabilidad de tension y regulacion en carga mejor, aunque todavia no he tenido tiempo de llevarlo sobre placa de pruebas.
Aqui te envio el archivo en multisim (creado en multisim 11).Con respecto a este circuito trabaja muy bien, espero que te sea de ayuda.

PD.Hize una variacion en los transistores del conformador de señal, en vez de utilizar transistores bfr91a que son mas caros, los hice con bf240 mas baratos y se consigue lo mismo.
Archivos adjuntos
Tipo de archivo: rar regulador fijo con mosfet_9_v0-9(sin medir).rar (128.7 KB, 991 vistas)

Editado por juanbe2626 en 16-May-2011 a las 17:28.
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