Fuente con lm317 en paralelo

Sólo voy a usar una foto publicada por "anthony123", que la muestra al foro

después de su exitoso ensamblaje

La observación debe centrarse, precisamente, sobre el banco de elementos de

potencia, constituido, en este caso, por 4 ICs LM317 en paralelo. Cómo pueden ver,

los ICs están conectados entres si mediante una especie de BUS de alambres y, la

entrada Vin y la salida Vout, a su vez, están conectadas mediante los dos cables

rojos, que vienen y van a la placa base.

Podrán darse cuenta que, la longitud de los alambres del par central de ICs (vamos

a numerarlos 2 y 3, respectivamente) es menor que la longitud de los que alcanzan

a los ICs de los extremos ( 1 y 4 ). Imagino que el cable "azul", que se ve a la

derecha, será para conectar los pines #1 de los ICs (ADJ).

Si, por estos cables y alambres no circulasen corriente elevadas, no habría

problema alguno en ser así pero, resulta que, por esos alambres, circulan corrientes

de cierto peso y, como resulta ser que la resistencia cero no existe, las diferencias

de resistencia entre los distintos puntos, produce ciertos problemas de estabilidad

en la regulación y/o calentamiento disparejo entre los ICs conectados.

El propósito de este instructivo es, precisamente, el de ayudar a evitar esas

diferencias y convertir sus fuentes de poder en unas herramientas más eficientes,

reduciendo lo más posible las pérdidas que ya son suficientemente altas, por ser

estas fuentes del tipo lineal con regulación en serie.

Se utilizó el siguiente esquema de una fuente de poder con 3 LM317 en paralelo:

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Quien originó el hilo "Jona" propuso e siguiente diagrama:

Y el siguiente PCB

Cómo pueden darse cuenta, Anthony123, siguió las indicaciones de este dibujo para

construir el bus que aparece en la fotografía.

Ahora bien, para comenzar a mejorar las cosas, se ha dividido el diagrama

esquemático en dos secciones: Fuente de poder básica y control, y potencia.

Circuito 1:

Con estos circuitos se han generado dos PCBs: PCB-1 y PCB-2 (Ver el diagrama de

cableado al final), los cuales se han utilizado en la siguiente imagen, para generar

un diagrama de cableado y mostrar en él algunas de las recomendaciones.

Sólo la placa PCB-1 es relativamente necesaria. En el diseño de la misma se han

utilizado criterios derivados de la experiencia en la construcción de equipos de

potencia y de ninguna manera se exige seguir sus formas. Sólo deberá observarse

que el ancho de las pistas de la fuente primaria es de dimensiones considerables

que, algunas veces, tampoco es suficiente para el manejo de cargas importantes y,

en algunos casos será necesario construirlas con placas base especiales, sobre-

dimensionadas con cobre de 70 µm y más (Las placas comunes vienen con cobre de

35 µm y 17,5 µm). Cuando esto aún no es suficiente, se procede a cubrir las pistas

con estaño y/o soldarles un alambre grueso en paralelo, a fin de reducir la

resistencia y mejorar la conductividad de las mismas.

Como podrán ver, las donas (ojales) para anclar los cables que van a los elementos

de potencia (ICs, Transistores, etc,...), se agrupan en nodos muy juntos. Los cables

deberán ser de calibre suficiente para manejar el doble de la corriente máxima que

va a circular por ellos y, deberán ser de la misma longitud y mantenerse la distancia

de las conexiones lo más reducida posible. Se deben identificar muy bien los cables

que van a manejar corrientes elevadas y tomar las consideraciones respectivas.

La placa PCB-2 no es necesaria, aunque se puede utilizar. Sin embargo, debido a la

reducida cantidad de componentes, éstos se pueden ensamblar directamente

conectados a los pines de los elementos de potencia (ICs en este caso) y los cables,

conducidos a los nodos de PCB-1, según corresponda.

La gran mayoría utiliza resistencias de nivelado (R2, R3, R4) conectadas a las

salidas de los elementos de potencia, sin embargo, es de la consideración particular

del autor colocarlas a las entradas pues esto, nivelaría las diferencias de todo el

elemento de potencia.

La resistencia R1, en el primer esquema, es el elemento básico para la regulación y

protección del IC y debe conectarse directamente al borne positivo de salida (Via

LSP14) pues, de otra forma, la estabilidad del voltaje resultará ser precaria.

Estas recomendaciones son útiles para cualquier circuito de potencia. Seguirlas

tendrá como resultado equipos más duraderos y confiables.

Espero, como siempre, que estas indicaciones sean de utilidad y que contribuyan al

éxito de sus experimentos.

Mario Carnelutti R. (mcrven)

Actualización: Desarrollo práctico

Anthony nos muestra el proceso constructivo de su fuente:

     

     

  

Datos técnicos:

Voltaje de entrada: 120VAC @ 50/60 Hz

Consumo máximo: 75 VA

Voltaje de Salida: 0 ~ 30 VDC variable continuo.

Corriente de Salida: 15 mA ~ 2,1 A variable continuo.

Lectura simultánea de Voltaje y Corriente de Salida.

Dimensiones: L = 21,5 cm; W = 11,5 cm; H = 10 cm

Peso: 1,8 Kg

Esta fuente de poder fue diseñada siguiendo las enseñanzas derivadas de las

vicisitudes por las que atravesamos, tanto técnicos como diseñadores, al momento

de emprender alguna tarea relacionada con nuestras experiencias y necesidades.

Todo comenzó con un KIT constituido por un pequeño PCB, unos cuantos diodos, un

IC (LM723), un potenciómetro y algunos trozos de cable.

El ensamblaje fue todo un éxito. "FUNCIONÓ"

Esto ocurrió por allá, por 1974, si mal no recuerdo.

Luego comenzaron las preguntas:

¿Donde meto todo esto?, ¿Cómo hago para que no caliente el Transistor Bypass? y

los problemas: ¿Cómo conectar la fuente al circuito que se quiere alimentar?,

¿Cómo fijo la tensión en 0,5 V (Esa no llegaba a cero)?, ¿Cómo leer la tensión y/o la

corriente?.

Todas esas interrogantes se resolvieron en un lapso de cinco años, unos 5

prototipos entre los más simples y los más sofisticados y la aplicación y diseño de

unos tres o cuatro circuitos de protección y control.

Ahora dejo aquí el resultado final de esas experiencias, con el fin de que otros,

aficionados y técnicos de la electrónica puedan, no sólo ensamblar esta fuente,

sino, además, sacarle buen provecho.

Descripción del sistema:

1. El mismo se compone de siete "Bloques":

1. Transformador de aislamiento y cambios de tensión con dos

secundarios.

2. Dos rectificadores DC, uno para 38 VDC @ 2,5A y otro, para 26 VDC

@ 0,2A

3. Transistor Bypass de potencia disipado por el chassis del gabinete

metálico (Al)

4. Regulador de voltaje de precisión.

5. Circuito de limitación y protección de sobrecarga.

6. Circuito amperimétrico.

7. Voltímetro.

2. El transformador TR1 provee el aislamiento galvánico de la red (Primario de

120VAC) y, a través de dos secundarios, las tensiones de 27VAC @ 2,5A y

18VAC @ 0,2A.

3. El rectificador (D1, D2, D3, D4) junto con el capacitor C1, entregan la

componente DC de 38V necesaria para producir la tensión máxima de 30V @

2A que será regulada mediante Q2, controlado por IC2.

4. El rectificador B1 junto a C2, entregan la componente DC de 26VDC @ 0,2A

requeridos por IC2 e IC1 para controlar y proteger a Q2.

5. El integrado IC2 es un regulador de voltaje positivo de precisión, mediante el

cual se suministra la tensión de control a Q2, manteniéndola estable por

efecto del feedback proveniente desde +UB.

6. Q1 corta el suministro de tensión a Q2, en caso de sobrecarga y es

gobernado por IC1B, que lee la caída de tensión generada por la carga sobre

el cable Rojo de 14,5 cm entre el Emisor de Q2 y el borne de salida +UB.

7. La misma caída de tensión es leída por IC1C y, amplificada mueve el

galvanómetro A para mostrar la corriente que circula por la fuente.

8. El galvanómetro V muestra la tensión de salida entre los bornes de la fuente.

Esta es la Placa Base (PCB) con el emplazamiento de los componentes:

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Diagrama Esquemático:

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Placa de PCB:

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Diagrama de cableado

Los elementos mostrados son puramente ilustrativos. Solo la placa de circuito

impreso es fiel a la original empleada en la fuente FL-01.

Todos los elementos pueden ser sustituidos, siempre y cuando se mantengan sus

especificaciones.

FL01 Listado de Componentes

Part : Value

B1 : B250/C1500

C1 : 2200 µF/40V

C2 : 220 µF/40V

C3 : 473 / 50V

C4 : 103 / 50V

C5 : 472 / 50V

D1 : 1N5400

D2 : 1N5400

D3 : 1N5400

D4 : 1N5400

D5 : 1N4148

D6 : 1N4148

D7 : 1N4148

D8 : 12V-1W Z-Diode

D9 : 2.7V/.5W Z-Diode

F1 : 1A Euro type 3mm FUSE - In panel fuse holder

IC1 : LM324N OP AMP

IC2 : L146CB Positive VOLTAGE REGULATOR - [ LM723 can be used ]

KK1 : FK222 HEATSINK Botton of the alluminium case

LED1 : Red LED 5MM

M1 : AAM Analog Panel Ammeter - [ 130 µA to 1 mA / fs, can be used ]

M2 : AVM Analog Panel VOLT-METER - [ 130 µA to 1 mA / fs, can be used ]

P003 : 10K Trimmer POTENTIOMETER

P004 : 10K Trimmer POTENTIOMETER

Q1 : BD441 TO126AV NPN TRANSISTOR

Q2 : MJ3001 TO3 NPN Darlington Transistor

R1 : 12K 1/4 W Resistors

R2 : 18K

R3 : 1K

R4 : 1K

R5 : 3.3K

R6 : 3.3K

R7 : 2.7K

R8 : 27K

R9 : 1K

R10 : 3.3K

R11 : 1K

R12 : 10K

R13 : 270

R14 : 3.3K

R15 : 1.8K

S1 : Pull-On Switch, part of VR1 Potentiometer

TR1 : 70W Step-Down TRANSFORMER - Pri: 120VAC, Sec1 18VAC @ 0,2A =

Sec2 27VAC @ 2,5A

VR1 : 10K Lin + S1 Panel POTENTIOMETER - With Pull-On Switch

VR2 : 250K Log Panel POTENTIOMETER

Completado el entorno básico: Presentación, fotografía, datos técnicos, diagramas

lista de partes (Les sugiero que no compren nada antes de haber leído todo el

contenido de este texto), les suministro unos cuantos detalles que considero serán

útiles y conducentes al éxito de esta misión, y los cuales no se evidencian ni en

diagramas ni en fotografías.

CABLE CRÍTICO

Le he dado ese nombre porque, de verdad, es el componente más CRÍTICO

contenido en este dispositivo. Parece un simple cable y eso es cierto, "Es Un Simple

Cable" pero, de él depende la magia del sistema de "Limitación de Corriente y del

Sistema de protección".

Al comienzo de este proyecto pensé en utilizar un resistencia, tal cómo la pintan en

todos los circuitos de fuentes de poder (Bueno... Casi Todos.). Pero las resistencias

limitadoras o, las utilizadas como schunts amperimétricos, al ser atravesadas por

corrientes elevadas, se calientan y, aún cuando no lleguen a quemarse, su

resistencia se eleva por efecto del calor y comienza así una escalada térmica, casi

infinita. Así que busqué una resistencia que no sufriera de calenturas y lo único que

pude encontrar que cumpliera con esas característica, fue eso, UN ALAMBRE, o un

cable, claro está. En el primer intento dibujé una pista calibrada en el PCB, de

0,008O, y eso se hizo para las primeras 100 fuentes. Luego pensé: para qué tanto

lío, un cable también puede servir. Así que, sacando cuentas y verificando datos vi

que la resistencia del cable AWG #22 es de 52.9392 O / Km. Por lo tanto, 1 m

tendrá una resistencia de 0,05294 O y el "CABLE CRÍTICO" de 14,5 cm, tendrá una

resistencia de 0,0077 O, aproximadamente. Un poquito menor de los 0,008 O

calculados al comienzo.

Así que ese trozo de CABLE ROJO calibe 22 que parte de la patilla Emisor del

Transistor Bypass, suministra al circuito su característica resistiva, más que la

conductiva (El color ROJO es para seguir los convenios de definición acordados para

marcar los conductores asignados al polo POSITIVO de las fuentes de energía

eléctrica).

Sistema de protección y limitación de corriente de salida

De estas funciones se encargan 2 de los 4 OP-Amps. contenidos por IC1: LM324. Se

utilizó este IC por la única razón de que, en stock, tenía un montón de ellos.

Cualquier Op-Amp. de alimentación sencilla (Single Supply OP-Amp.), sólo, doble o

cuádruple cómo en este caso, servirá para cumplir con este cometido. Sólo se debe

tomar en cuenta que, con un IC de OP-Amp. único, se deberán utilizar dos piezas,

mientras que, con ICs múltiples se utilizará sólo una pieza. Sugiero el uso del LS204,

dual OP-Amp. en empaque DIL8, cómo alternativa.

Los dos Amplificadores Operacionales cumplen funciones similares. IC1c, lee la

tensión generada por la corriente que atraviesa el Cable Crítico (Resistencia

Amperimétrica) y, en configuración de amplificador, la eleva para mover la aguja

del galvanómetro "A".

IC1b está configurado como Comparador de voltaje, con Vref. variable regulado por

VR2, para poder limitar la corriente máxima entregada por la fuente a voluntad y en

forma variable continua entre los 0,013 y los 2,0A.

En la sección "AJUSTES", será detallada la manera correspondiente para hacerlos.

Potenciómetros para regulación de Tensión y Corriente

VR1 debe ser un potenciómetro de variación lineal, de otra forma será muy

incómodo ajustar ciertos voltajes.

VR2 en cambio, debe ser del tipo LOGARÍTMICO pues, sería incómodo ajustar ciertas

corrientes.

Transistor By-Pass Q2

Se ha utilizado un transistor MJ3000/3001 que es un Darligton NPN bastante común,

bipolar. El conocido 2N3055 también funciona pero, debido al bajo "hfe" (Beta) de

este transistor, se eleva la corriente que debe entregar IC2, lo cual hace que este se

caliente, pero sin llegar a temperaturas alarmantes. Preferí utilizar un darligton y,

como ese estaba a la mano y en stock, ese cumplió con los requisitos: capacidad,

existencia y disponibilidad inmediata.

Otros tipos pueden funcionar: A la discrecionalidad de quien desee

experimentar con ello queda. No pregunten acerca del tema pues, no tengo

respuestas.

Disipación de Calor

Para disipar el calor producido por los 80W "máximos" que se pueden generar en

condiciones críticas (Ej: Corto Circuito Permanente directo en los bornes de salida),

experimenté con diferentes tipos de disipadores disponibles en el mercado. Los que

presentaron los mejores resultados eran de dimensiones grandes e igual de grandes

sus costos. El criterio de selección empleado fue el de ergonomía de espacio, costo

y funcionalidad: "Se debía instalar el dispositivo electrónico en un gabinete que

facilitara el soporte de sus componentes, el control de las funciones, muestra de

operatividad y lecturas (LED, Amperímetro y Voltímetro, Controles, Conectores);

protección de los mismos y del operador, ubicación en bancos de trabajo,

manipulación y solidez.".

En primera instancia y, por razones de costo y solidez, había decidido construir el

gabinete con lámina de hierro pero, tomando en cuenta las dimensiones necesarias

para el gabinete (caja) y las características de propagación térmica de los metales,

me di cuenta que la superficie de la base del mismo, superaba con creces la de los

disipadores de calor con los cuales se estaba experimentando y que, si aquellos

eran de aluminio y el gabinete fuese del mismo metal, los resultados podrían ser

muy favorables en cuanto al costo/beneficio esperado.

Así que, EL DISIPADOR de esta fuente de poder, está conformado por la base del

gabinete, hecho en lámina de aluminio de 1,5 mm de espesor y cuyo desarrollo

superficial es de 600 cm cuadrados aproximadamente. Esa superficie está pintada,

por ambas caras, con esmalte sintético debido a que este tipo de pintura, facilita la

distribución del calor disminuyendo considerablemente la resistencia térmica entre

disipador y ambiente.

Instrumentos

Inicialmente, para la primera fuente que ensamble con el KIT, instalé Amperímetro y

Voltímetro como el que se ve en la fotografía de la FL01 de la primera página. Es un

VU-Meter doble al cual convertí la escala para adaptarlo a mis necesidades. Un

prototipo intermedio fue construido con instrumentos separados, galvanómetros del

tipo "Banda de Torsión" de 5" (12,5 cm) de dial, con escalas selectables y otros

refinamientos. Este prototipo resultó ser muy costoso y, entre colaboradores,

patrocinadores y mi persona, decidimos buscar una solución más económica.

Se eligió utilizar el mismo instrumento del primer prototipo. Este es un instrumento

de bajo costo y resultó fácil de conseguir como Excedentes de producción. Sus

galvanómetros son sensibles - 200 µA aprox. - y sólo se debe convertir la escala.

Si no se puede contar con uno de estos instrumentos, se puede utilizar cualquier

instrumento < 1 mA f.s., tomando en cuenta las indicaciones siguientes:

Voltímetro: Voltímetro analógico para panel de 0~30VDC Se conecta en los nodos

13 (positivo) y 14 (negativo). No requiere ajustes y se puede prescindir de R2 y

P004.

Amperímetro: Amperímetro analógico para panel de 0~2A - Este tipo de

instrumentos básicamente son galvanómetros de 1 mA f.s., con una resistencia

Shunt en paralelo a sus terminales. Si el SHUNT es externo (atornillado a los bornes

de instrumento), simplemente se retira. Conectar el +(positivo) al nodo 7 y el -

(negativo) al nodo 8.

Requiere ajuste que será descrito en la sección correspondiente.

Si se consigue un amperímetro de panel de 0~2A pude utilizarse directamente

sustituyendo con él, el CABLE CRÍTICO. En este caso, se puede prescindir de R3, R4,

P003 e IC1c.

Generalidades

Los datos aportados aquí delante son los únicos que pueden presentar cierta

dificultad, sobre todo para los principiantes con niveles bajos de experiencia. Por lo

demás, la circuitería es bastante simple y, utilizando los mismos componentes,

placa de Circuito Impreso propuesta, junto al cuidado y observación de simples

normas de ensamblaje y ajustes, terminará en un resultado exitoso con un buen

equipo para soportar infinidad de proyectos y reparaciones.

Aquellos que tienen suficiente experiencia acumulada y, a su propio criterio, sabrán

decidir respecto de cambios y/o modificas diferentes a las propuestas aquí, siempre

a sus propias cuentas y riesgos.

Después de concluido el ensamblaje, sólo nos resta probar y hacer unos

pocos ajustes:

Pruebas:

1. Si el voltímetro utilizado fuese uno estándar de 0~30V, podemos comenzar

las pruebas sin otros particulares que observar.

Si se ha utilizado un galvanómetro como el descrito aquí, convertido a

voltímetro, lo primero que debemos hacer es conectar un multímetro

analógico o digital a los bornes de salida de la fuente, fijado en una escala

que supere los 30V.

Conectar la fuente a la línea, poner el potenciómetro VR1 (control de voltaje)

en la posición mínima (CCW), todo a la izquierda; el potenciómetro VR2

(control de corriente) a su posición máxima (CW), todo a la derecha.

Encender la fuente un instante y apagar. En el lapso encendido y apagado se

debe verificar que no deberían haber manifestaciones de ningún tipo: Ruido,

humo, desplazamiento de instrumentos, etc.. Si no parece haber ninguna

manifestación extraña, encendemos la fuente procediendo a incrementar

VR1. A la mitad del recorrido ya se debería notar un desplazamiento de la

aguja del voltímetro interno y del externo también. Desplazando VR1 al

máximo de su recorrido, deberíamos tener una lectura cercana a los 30VDC

en el voltímetro externo, por lo menos.

2. Una vez probado esto, pasamos a la siguiente prueba y esta será para

verificar la corriente máxima que circulará por el dispositivo.

Fijar la tensión de salida en unos 2V.

Desconectar el multímetro externo y prepararlo cómo amperímetro,

preferiblemente en la escala de 10A o, en todo caso, una escala superior a

los 3 A.

Fijar la punta negativa (-) al borne negativo (negro) de la fuente.

Tocar brevemente el borne positivo (rojo) de la fuente con la punta positiva

(+) del multímetro, notando el desplazamiento del instrumento M1 (AAM),

amperímetro interno, tomando en cuenta su lectura.

Ajustes:

1. Para ajustar el voltímetro M2 (AVM), retomemos todo el proceso descrito en

"Pruebas" 1.

Fijamos los 30V en el multímetro y, mediante el trimmer P004 llevamos la

aguja de M2 hasta el fondo escala del mismo. OJO: Este ajuste sólo es válido

para instrumentos convertido, como el descrito en el diagrama original.

2. Ajuste del Amperímetro M1- OJO: Este ajuste sólo es válido para

instrumentos convertido, como el descrito en el diagrama original.

Retomemos todo el proceso descrito en "Pruebas" 2.

Ahora conectamos el multímetro externo, en función de amperímetro y lo

dejamos fijo con lectura de 2A. Si la lectura excede o no alcanza este nivel,

se desconecta una punta del multímetro, se toma un cautín y, si la lectura es

excedente (Va más allá de los 2A), se procede a alargar un poco el CABLE

CRÍTICO, en el punto de contacto con el terminal del borne rojo. Si, la lectura

no alcanza los 2A, la operación será inversa: se reducirá un poco el CABLE

CRÍTICO.

Ahora ajustaremos la lectura del Amperímetro Interno.

Con lectura de 2A en el multímetro, se ajustará P003 hasta que la aguja

alcance la línea de fondo escala en M1.

Ahora se podrá comprobar el funcionamiento del limitador de corriente,

mediante VR2.

Con tensión de salida de 2V, conectar el multímetro en función amperios

descrita antes, a los bornes de salida Debería marcar 2A como se indicó

antes.

Variar VR2 moviéndolo al contrario de la agujas del reloj (CCW). Se debería

percibir un descenso de la corriente de salida, tanto en el multímetro, como

en el Amperímtro interno. En la posición mínima del control, la corriente

debería indicar 0,013 A, siempre y cuando se haga el ajuste con un

multímetro digital.

Operación:

1. Ajuste de la tensión de salida:

Mediante VR1 se llevará la aguja del Voltímetro hasta la tensión requerida.

2. Limitación de la corriente de salida:

Fijada la tensión requerida, se cortocircuitan los borne de salida y se varía

VR2 hasta que el amperímetro indique la máxima corriente que se desea

que suministre la fuente. Se retira el cortocircuito y se aplica mediante

cables al dispositivo que se desea alimentar. Ante cualquier eventualidad, la

corriente no podrá superar la meta fijada.

En general, este dispositivo se opera a corriente máxima: VR2 a tope derecho (CW).

Interior

Parte trasera