Fuente de alimentación lineal controlada digitalmente: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

En mi adolescencia, hace unos 40 años, creé una fuente de alimentación lineal dual. Conseguí el diagrama esquemático de una revista llamada "Elektuur", hoy en día llamada "Elektor" en los Países Bajos. Esta fuente de alimentación utilizó un potenciómetro para el ajuste de voltaje y otro para el ajuste de corriente. Después de muchos años, estos potenciómetros ya no funcionaban correctamente, lo que dificultaba obtener un voltaje de salida estable. Esta fuente de alimentación se muestra en la imagen.

Mientras tanto, me dediqué al desarrollo de software integrado como parte de mi afición, utilizando el microcontrolador PIC y el lenguaje de programación JAL. Como todavía quiero usar mi fuente de alimentación, sí, hoy en día puede comprar variantes de modo de conmutación más baratas, se me ocurrió la idea de reemplazar los antiguos potenciómetros por una versión digital y así nació un nuevo proyecto PIC.

Para ajustar el voltaje de la fuente de alimentación, estoy usando un microcontrolador PIC 16F1823 que usa 6 botones pulsadores de la siguiente manera:

• Un botón para encender o apagar el voltaje de salida sin la necesidad de encender o apagar la fuente de alimentación por completo
• Un botón para aumentar el voltaje de salida y otro botón para disminuir el voltaje de salida
• Tres pulsadores para utilizar como preajuste. Después de haber establecido un cierto voltaje de salida, ese voltaje exacto se puede almacenar y recuperar usando estos botones pulsadores preestablecidos

La fuente de alimentación es capaz de generar un voltaje entre 2,4 voltios y 18 voltios con una corriente máxima de 2 amperios.

Paso 1: El diseño inicial (revisión 0)

Hice algunas modificaciones al diagrama esquemático original para que sea adecuado para controlarlo con el potenciómetro digital. Como nunca usé el potenciómetro original para el ajuste de corriente en el pasado, lo quité y lo reemplacé por una resistencia fija, limitando la corriente máxima a 2 amperios.

El diagrama esquemático muestra la fuente de alimentación, construida alrededor del antiguo pero confiable regulador de voltaje LM723. También creé una placa de circuito impreso para ello. El LM723 tiene un voltaje de referencia con compensación de temperatura con una función de limitación de corriente y un amplio rango de voltaje. El voltaje de referencia del LM723 va al potenciómetro digital del cual el limpiaparabrisas está conectado a la entrada no inversora del LM723. El potenciómetro digital tiene un valor de 10 kOhm y se puede cambiar de 0 Ohm a 10 kOhm en 100 pasos usando una interfaz serial de 3 cables.

Esta fuente de alimentación tiene un medidor digital de voltios y amperios que recibe su energía de un regulador de voltaje de 15 voltios (IC1). Estos 15 voltios también se utilizan como entrada para el regulador de voltaje de 5 voltios (IC5) que alimenta el PIC y el potenciómetro digital.

El transistor T1 se utiliza para apagar el LM723, lo que lleva el voltaje de salida a 0 voltios. La resistencia de potencia R9 se usa para medir la corriente, lo que provoca una caída de voltaje sobre la resistencia cuando la corriente fluye a través de ella. El LM723 utiliza esta caída de voltaje para limitar la corriente de salida máxima a 2 amperios.

En este diseño inicial, el condensador electrolítico y el transistor de potencia (tipo 2N3055) no están en la placa. En mi diseño original de hace muchos años, el condensador electrolítico estaba en una placa separada, así que lo guardé. El transistor de potencia está montado en una placa de enfriamiento fuera del gabinete para un mejor enfriamiento.

Los botones pulsadores se encuentran en el panel frontal del gabinete. Cada botón es elevado por las resistencias de 4k7 en la placa. Los pulsadores están conectados a tierra, lo que los hace activos a nivel bajo.

Necesita los siguientes componentes electrónicos para este proyecto (ver también la revisión 2):

• 1 microcontrolador PIC 16F1823
• 1 potenciómetro digital de 10k, tipo X9C103
• Reguladores de voltaje: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Puente rectificador: B80C3300 / 5000
• Transistores: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diodos: 2 * 1N4004
• Condensadores electrolíticos: 1 * 4700 uF / 40V, 1 * 4.7 uF / 16V
• Condensadores de cerámica: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Resistencias: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Resistencia de potencia: 0,33 ohmios / 5 vatios

También diseñé una placa de circuito impreso que se muestra en la captura de pantalla y la imagen adjuntas.

Paso 2: El diseño revisado (revisión 2)

Después de haber pedido las placas de circuito impreso, se me ocurrió la idea de agregar una función que llamo "protección de voltaje". Como todavía tenía mucha memoria de programa disponible en el PIC, decidí usar el convertidor analógico a digital (ADC) integrado del PIC para medir el voltaje de salida. En caso de que este voltaje de salida, por cualquier motivo, suba o baje, la fuente de alimentación se apaga. Esto protegerá el circuito conectado contra la sobretensión o detendrá cualquier cortocircuito. Esta fue la revisión 1, que es una extensión de la revisión 0, el diseño inicial.

Aunque probé el diseño usando una placa de pruebas (ver imagen), todavía no estaba contento con él. A veces parecía que el potenciómetro digital no siempre estaba exactamente en la misma posición, p. Ej. al recuperar un valor preestablecido. La diferencia era pequeña pero inquietante. No es posible leer el valor del potenciómetro. Después de pensarlo un poco, creé una revisión 2 que es un pequeño rediseño de la revisión 1. En este diseño, vea el diagrama esquemático de la revisión 2, no usé un potenciómetro digital, pero usé el convertidor digital a analógico (DAC) integrado del PIC para controlar el voltaje de salida a través del LM723. El único problema fue que el PIC16F1823 solo tiene un DAC de 5 bits que no era suficiente porque los pasos hacia arriba y hacia abajo serían demasiado grandes. Por eso cambié a un PIC16F1765 que tiene un DAC de 10 bits a bordo. Esta versión con el DAC fue confiable. Todavía podría usar la placa de circuito impreso inicial ya que solo necesito quitar algunos componentes, reemplazar 1 capacitor y agregar 2 cables (ya se necesitaba 1 cable para agregar la función de detección de voltaje de la revisión 1). También cambié el regulador de 15 voltios a una versión de 18 voltios para limitar la disipación de energía. Vea el diagrama esquemático de la revisión 2.

Entonces, si desea optar por este diseño, debe hacer lo siguiente en comparación con la revisión 0:

• Reemplace el PIC16F1823 por un PIC16F1765
• Opcional: Reemplace el 78L15 por un 78L18
• Retire el potenciómetro digital tipo X9C103
• Retire las resistencias R1 y R15
• Reemplace el condensador electrolítico C5 por un condensador cerámico de 100 nF
• Haga una conexión entre el pin 13 de IC4 (PIC) y el pin 5 de IC2 (LM723)
• Haga una conexión entre el pin 3 de IC4 (PIC) y el pin 4 de IC2 (LM723)

También actualicé la placa de circuito impreso, pero no pedí esta versión, vea la captura de pantalla.

Paso 3: (Des) Montaje

En la imagen se ve la fuente de alimentación antes y después de la actualización. Para cubrir los agujeros que hicieron los potenciómetros, agregué un panel frontal en la parte superior del panel frontal del gabinete. Como puede ver, hice una fuente de alimentación dual donde ambas fuentes de alimentación son completamente independientes entre sí. Esto hace posible ponerlos en serie en caso de que necesite un voltaje de salida superior a 18 voltios.

Debido a la placa de circuito impreso, fue fácil ensamblar la electrónica. Recuerde que el condensador electrolítico grande y el transistor de potencia no están en la placa de circuito impreso. La foto muestra que para la revisión 2 algunos componentes ya no son necesarios y se necesitaron 2 cables, uno para agregar la función de detección de voltaje y el otro debido al reemplazo del potenciómetro digital por el Convertidor Digital a Analógico del microcontrolador PIC.

Por supuesto, necesita un transformador que sea capaz de suministrar 18 voltios CA, 2 amperios. En mi diseño original usé un transformador de núcleo de anillo porque son más eficientes (pero también más caros).

Paso 4: el software para la revisión 0

El software realiza las siguientes tareas principales:

• Control de la tensión de salida de la fuente de alimentación a través del potenciómetro digital

• Maneje las características de los botones pulsadores, que son:

  • Encendido / apagado. Esta es una función de alternancia que establece el voltaje de salida en 0 voltios o en el último voltaje seleccionado
  • Voltaje arriba / Voltaje abajo. Con cada pulsación del botón, el voltaje sube o baja ligeramente. Cuando estos pulsadores permanecen pulsados, se activa una función de repetición
  • Almacenamiento de preajustes / recuperación de preajustes. Cualquier ajuste de voltaje se puede almacenar en la EEPROM del PIC presionando el botón pulsador preestablecido durante al menos 2 segundos. Al presionarlo más corto, se recuperará el valor EEPROM para ese ajuste preestablecido y se establecerá el voltaje de salida en consecuencia

Al encender, todos los pines del PIC se establecen como entrada. Para evitar que haya un voltaje indefinido en la salida de la fuente de alimentación, la salida permanece en 0 Voltios hasta que el PIC esté en funcionamiento y el potenciómetro digital se inicialice. Este apagado se logra mediante la resistencia pull-up R14 que se asegura de que el transistor T1 apague el LM723 hasta que sea liberado por el PIC.

El resto del software es sencillo. Los botones pulsadores se escanean y si es necesario cambiar algo, el valor del potenciómetro digital se cambia mediante una interfaz en serie de tres cables. Tenga en cuenta que el potenciómetro digital también tiene una opción para almacenar la configuración, pero esto no se utiliza ya que todas las configuraciones se almacenan en la EEPROM del PIC. La interfaz con el potenciómetro no ofrece una función para leer el valor del limpiaparabrisas. Por tanto, siempre que sea necesario preajustar el limpiaparabrisas a un valor determinado, lo primero que se hace es volver a poner el limpiaparabrisas en la posición cero y, a partir de ese momento, enviar el número de pasos para poner el limpiaparabrisas en la posición correcta.

Para evitar que la EEPROM se escriba con cada pulsación de un botón y, por lo tanto, reducir la vida útil de la EEPROM, el contenido de la EEPROM se escribe 2 segundos después de que los botones de presión ya no se activan. Esto significa que después del último cambio de los botones pulsadores, asegúrese de esperar al menos 2 segundos antes de desconectar la alimentación para asegurarse de que se almacena el último ajuste. Cuando se enciende, la fuente de alimentación siempre comenzará con el último voltaje seleccionado almacenado en EEPROM.

Se adjuntan el archivo fuente JAL y el archivo Intel Hex para programar el PIC para la revisión 0.

Paso 5: el software para la revisión 2

Para la revisión 2, los principales cambios en el software son los siguientes:

• La función de detección de voltaje se agregó midiendo el voltaje de salida de la fuente de alimentación después de que se haya configurado. Para ello se utiliza el convertidor ADC del PIC. Usando el ADC, el software toma muestras del voltaje de salida y si después de algunas muestras el voltaje de salida es aproximadamente 0.2 voltios más alto o más bajo que el voltaje establecido, la fuente de alimentación se apaga.
• Usar el DAC del PIC para controlar el voltaje de salida de la fuente de alimentación en lugar de usar un potenciómetro digital. Este cambio simplificó el software ya que no hubo necesidad de crear la interfaz de 3 cables para el potenciómetro digital.
• Reemplace el almacenamiento en EEPROM por almacenamiento en High Endurance Flash. El PIC16F1765 no tiene EEPROM a bordo, pero utiliza una parte del programa Flash para almacenar información no volátil.

Tenga en cuenta que la detección de voltaje no se activa inicialmente. En el momento del encendido, se comprueba que no se hayan pulsado los siguientes botones:

• Botón de encendido / apagado. Si se presiona, ambas funciones de detección de voltaje se desactivan.
• Pulsador hacia abajo. Si se presiona, se activa la detección de bajo voltaje.
• Pulsador arriba. Si se presiona, se activa la detección de alto voltaje.

Esta configuración de detección de voltaje se almacena en el flash de alta resistencia y se recupera cuando se vuelve a encender la fuente de alimentación.

También se adjuntan el archivo fuente JAL y el archivo Intel Hex para programar el PIC para la revisión 2.

Paso 6: el resultado final

En el video, puede ver la revisión 2 de la fuente de alimentación en acción, muestra la función de encendido / apagado, aumento / disminución de voltaje y el uso de los ajustes preestablecidos. Para esta demostración, también conecté una resistencia a la fuente de alimentación para mostrar que la corriente real fluye a través de ella y que la corriente máxima está limitada a 2 amperios.

Si está interesado en utilizar el microcontrolador PIC con JAL, un lenguaje de programación similar a Pascal, visite el sitio web de JAL.

Diviértete haciendo este Instructable y esperando tus reacciones y resultados.