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Amplificadores de operaciones de alta tensión, sensor de corriente y un microcontrolador de 32 bit: ¿qué tal una fuente de alimentación de laboratorio?

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En la mayoría de las fuentes de alimentación lineales, los límites de tensión y corriente se introducen mediante mandos giratorios. Yo buscaba una precisión más rápida y elevada, así que quería diseñar una fuente de alimentación de laboratorio para mi banco cuyos límites de tensión y corriente se introdujeran a través de un teclado. Añadí un microcontrolador que se encargaría de las funciones de entrada del teclado pero quería que la fuente básica fuera lineal: sin conmutación y con menos ruido.

Circuito analógico (Figura 1)
Para unas especificaciones de 0-30V y 0-1A tenía que encontrar componentes capaces de trabajar con una tensión alta (< 35V) en la sección analógica del diseño. Escogí el MCP6V51, una línea de amplificadores operacionales de alta tensión, y los sensores de corriente en el lado de alto potencial (high side) MCP6C02, pues se ajustaban a las exigencias de mi diseño.

El diseño es un circuito convencional de realimentación de integración de error en el lado de tensión constante y de corriente constante. Los amplificadores operacionales seleccionados, MCP6V51, pueden manejar tensiones de hasta 49V y destacan por su baja deriva con unas buenas prestaciones de CC. Los valores resistivos se mantienen bajos (10kΩ) e iguales en las entradas inversora y no inversora con el fin de minimizar cualquier error de offset. Estas resistencias proporcionan una función de filtro RC junto con los condensadores de 1µF (C1, C2) para eliminar cualquier ruido residual procedente de las salidas del convertidor D/A (DAC). Las tensiones ajustadas son suministradas por los DAC del microcontrolador, de 0 a 3,3V, por lo que la realimentación de la tensión de entrada se debe establecer en ese nivel por medio de R1, R2.

Por lo que respecta a la corriente, la corriente se mide preferiblemente en el lado de alto potencial con el fin de mantener una masa común y de utilizar un valor resistivo para detección de corriente lo más bajo posible y así minimizar tanto la caída de tensión como la potencia disipada. El sensor de corriente en el lado de alto potencial MCP6C02 cumple estos criterios. Puede funcionar a una tensión de hasta 65V y con una ganancia de 100, por lo que permite que la derivación de corriente tenga un valor reducido. Dado que la corriente máxima prevista para esta aplicación es de 1A, el valor resistivo de la derivación debería ser del orden de 30mΩ, que produciría una tensión de realimentación de 30mΩ * 1A * 100 = 3,0V. La resistencia se implementa con una pista de cobre con una anchura de 40mil (aprox. 1 mm) y unos 64 mm de longitud sobre la placa de circuito impreso (ver Figura 3).


La carga para una fuente de alimentación de laboratorio puede ser desde un circuito abierto hasta un cortocircuito, por lo que es necesario añadir otros componentes de protección. Los diodos de aplicación general de 1A conectados en sentidos opuestos (D1, D2), junto con la resistencia limitadora de corriente R3, garantizan que la tensión de entrada diferencial del chip sensor de corriente permanezca por debajo de la tensión máxima de 1,2V bajo cualquier condición. El condensador de integración (C3) en el amplificador de corriente debe ser varios órdenes de magnitud más grandes que en el lado de tensión para compensar el retardo de propagación añadido por el amplificador de detección de corriente, manteniendo así estable el lazo. Un segundo canal del DAC del microcontrolador suministra la tensión ajustada (que a su vez proporciona la corriente ajustada) para el amplificador de error de corriente U2.
Las salidas de los dos amplificadores están interconectadas en una OR lógica con los diodos de pequeña señal D3 y D4 para controlar los transistores de paso Darlington a la salida. La función OR decide si la alimentación es en modo de tensión constante o de corriente constante.

 

Circuito del microcontrolador (Figura 2)
El microcontrolador controla el teclado y la pantalla LCD, además de generar los niveles de tensión de referencia para los lazos de control analógicos, lo cual exige dos canales de DAC con buenas resoluciones. Para medir varios parámetros de la fuente se recurrirá a un convertidor A/D (ADC).

Se seleccionó el Atmel SAML21 ya que dispone de dos canales de DAC de 12 bit que se complementan con un ADC de 12 bit en un pequeño encapsulado TQFP de 32 patillas. La aplicación no necesita un DAC completo de 12 bit; sin embargo, conviene tener un cierto margen adicional ya que se pierde algo de precisión en el error de especificación y redondeo cuando el firmware calcula los valores.


Firmware
El código está escrito en C y existen dos versiones del driver: una de ellas proporciona las funciones básicas, se denomina PowerSupplyBasic.c y ajusta y mide la tensión y la corriente; la versión completa se denomina PowerSupplyFull.c que además mide la temperatura del disipador de calor, conmuta un ventilador dependiendo de la temperatura del disipador de calor, muestra la tensión y la potencia de entrada, así como la potencia disipada en el transistor de paso. Estos drivers se encuentran disponibles en la referencia y deberían añadirse en un proyecto 
Studio 7 junto con el archivo de inicio PowerSupply.h. El programa se compila con Studio 7 IDE (versión 7.0.129) y se utilizó un Atmel ICE para programar y depurar. Las patillas de programación en la placa de circuito impreso no son compatibles con el conector estándar que se suministra con el programador, por lo que se debe instalar un nuevo conector para asegurar que las patillas se encajen con las patillas mostradas en la figura 2 y con el trazado de la placa.

En el encendido, la tensión se ajusta a 0 V y la corriente a 50mA. La pantalla indica la tensión ajustada y la tensión medida en la primera línea, así como la corriente ajustada y la corriente medida en la segunda línea (Figura 5).
Si se ha instalado la versión completa deI driver (así como el hardware asociado como se explica a continuación) se pueden mostrar las funciones auxiliares.

La interfaz principal funciona así:

Hardware
Las tensiones de ruptura para los componentes pasivos de montaje superficial no suelen ser motivo de preocupación ya que la mayoría de los circuitos trabajan con una tensión baja. Esta aplicación constituye una excepción y por tanto es importante prestar atención a este parámetro. Algunos de los condensadores que he utilizado en la placa de circuito impreso son de 50V como mínimo. Hay buenas razones para usar condensadores cerámicos de 50V (o más) en todas las posiciones si se dispone de un encapsulado de ese tamaño. La capacidad de los condensadores chip cerámicos depende de la tensión; la capacidad disminuye cuanto más se acerca la tensión a su valor máximo operativo.

He añadido una alimentación VDD por separado al regulador de tensión L78L3.3, VinLOW. Este regulador tiene una tensión máxima de entrada de 30V. Si su fuente de alimentación proporciona una tensión más elevada, la VinLOW se debe suministrar desde una fuente de alimentación de menor tensión por separado o bien se debe insertar un componente para provocar una caída de tensión entre Vin y VinLOW. También son válidos una resistencia o un diodo Zener; este circuito consume una corriente de unos 25mA, principalmente en el LED que ilumina la pantalla por la parte posterior.

Si se opta por la versión completa hay que conectar también el diodo D5 de manera que establezca un buen contacto térmico con el transistor de paso (TIP140). La resistencia R14 proporciona una corriente constante aproximada de 100µA por lo que la caída de tensión en el diodo solo depende de la temperatura y su valor típico es de 0,7V y -2mV / °C. No obstante, existe una gran variabilidad del nivel de tensión absoluta y el coeficiente de temperatura (pendiente) entre diodo y diodo. Por tanto, este parámetro debe ser calibrado por separado en el software. El SAML21 incorpora un módulo de temperatura que viene calibrado de fábrica por lo que es un buen punto de partida.
Opté por una carcasa de aluminio y la fuente completa se puede ver en la Figura 5.


Variaciones
Si solo se desea construir la versión básica sin el ventilador para el disipador de calor, estos componentes no son necesarios: T3, R9, R14, R7, R8, D5.
Yo disponía de un transformador que proporcionaría una tensión rectificada de unos 40V sin carga y con una corriente nominal de 1A. Por tanto establecí la tensión máxima regulada en 30V y la corriente máxima en 1A. Los transistores de paso deben ofrecer una tensión combinada de 4-5V entre colector y emisor a carga completa.
Si se dispone de un transformador que suministre una tensión más baja o más alta es posible modificar el código que establece la tensión de referencia de los DAC. Si el cambio de la tensión deseada queda fuera del rango de ajuste del potenciómetro R2 se debe cambiar el valor de las resistencias R1 de manera que la tensión en la entrada inversora en U1 sea inferior al mínimo nivel alto del DAC (VDD – 150mV) para la tensión máxima de salida de la fuente.
El límite de la tensión máxima se establece mediante la tensión máxima especificada para los amplificadores operaciones y/o los transistores de paso. Con los amplificadores operaciones seleccionados, la tensión de entrada sin carga debe estar por debajo de 49,5V menos un margen de seguridad. El límite de la corriente superior depende de la corriente que puede manejar el transistor de paso. El TIP140 es bueno para 10A de corriente continua en colector pero es posible añadir transistores de paso en paralelo (con las resistencias apropiadas para compartir la corriente) con el fin de incrementar aún más la corriente de salida. Cuando los niveles de corriente sean elevados, la potencia disipada también lo será y habrá que abordarlo con el diseño del disipador apropiado. Yo he combinado un disipador de calor y un ventilador de una vieja placa madre de PC que funciona muy bien para una potencia de 30W. La corriente de control de la base no será un problema, incluso para el nivel de 10A ya que la hFE del TIP140 sigue siendo elevada (<2000).
El transistor Darlington más pequeño de control BCV29 está limitado a una corriente continua del colector de 0,5A con una hFEMIN = 4000 a ese nivel de corriente, proporcionando así una carga muy pequeña para el amplificador operacional, U1. Este transistor está soldado a la placa de circuito impreso y para una aplicación que solo requiera una baja corriente es posible excluir el transistor de paso TIP140 montado externamente y conectar el emisor del BCV29 directamente a la salida de la fuente. Este transistor se suministra en un encapsulado SOT89 para montaje superficial, de manera que la potencia disipada se verá limitada debido a que la disipación de calor es mínima. Si se está planteando esta posibilidad, preste mucha atención a la temperatura del transistor BCV29.

Figura 4. Pantalla de salida.

 

Conclusión
El microcontrolador abre muchas oportunidades a la hora de incorporar funciones a esta fuente, como por ejemplo la posibilidad de programar una curva de tensión/corriente a lo largo del tiempo en aplicaciones de prueba y de otro tipo.
El objetivo de este proyecto no era diseñar una fuente de alimentación comercial de alta precisión sino una práctica fuente para mi banco, pero superó mis expectativas.

  

Lista de materiales para la fuente de alimentación de 32 bit


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